摘要:為了診斷因蝸輪齒形變化引起的蝸輪蝸桿減速機故障，設(shè)計了一種減速機振動信號采集系統(tǒng)。同時，為了從振動信號中提取出故障信號的特征頻率，提出了經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（ＥＭＤ）與希爾伯特（Ｈｉｌｂｅｒｔ）變換相結(jié)合的方法。對正常和有故障兩種蝸輪進(jìn)行的振動測試對比實驗結(jié)果表明，該方法所得結(jié)果與利用ＪＤ４５＋齒輪測量儀測量結(jié)果相同。證實了該方法診斷蝸輪蝸桿減速機由蝸輪齒形變化故障的有效性。

            蝸輪蝸桿減速機具有傳動比大，輸出轉(zhuǎn)矩大的特點，被廣泛應(yīng)用在各式機械的傳動系統(tǒng)中。由于工作環(huán)境差，減速機中蝸輪容易受到損害和出現(xiàn)故障，而蝸輪失效是誘發(fā)減速機故障的重要原因，其中齒形變化是導(dǎo)致蝸輪失效的一個重要因素。一旦減速機發(fā)生故障，將會導(dǎo)致意外事故，造成經(jīng)濟(jì)損失，對于大型機械來說，停機維修損失更大。因此迫切需要研究一種有效診斷減速機蝸輪齒形變化故障的方法，實時監(jiān)測減速機的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時維修，降低
經(jīng)濟(jì)損失。
          近年來很多國內(nèi)外學(xué)者都致力于齒輪及齒輪箱故障診斷技術(shù)的研究，將小波分析、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（ＥＭＤ）、ＳＴＦＴ（短時傅里葉變換）、希爾伯特（ＨｉｌＨｉｌｂｅｒｔ）變換等方法用于齒輪故障診斷，且都取得了不錯的結(jié)果。
        ＥＭＤ分解是一種新型的信號處理方法［１］，非常適合用于非平穩(wěn)信號的處理。一個非平穩(wěn)信號經(jīng)ＥＭＤ分解后可以得到多個平穩(wěn)本征模態(tài)函數(shù)（ＩＭＦ），并且每個ＩＭＦ分量都處在不同的頻域段。希爾伯特包絡(luò)是時域信號絕對值的包絡(luò)［２］，它從信號中提取調(diào)制信號，分析調(diào)制函數(shù)的變化，對提取故障特征具有很大的優(yōu)越性。當(dāng)減速機出現(xiàn)蝸輪齒形變化故障時，不同頻域段的信號頻率分布會發(fā)生改變，因此可以運用Ｈｉｌｂｅｒｔ分析法提取振動信號的某個
ＩＭＦ的減速機振動信號特征，就可以判斷減速機是否出現(xiàn)故障。本文中運用ＥＭＤ和Ｈｉｌｂｅｒｔ變換相結(jié)合的方法，分析減速機的振動信號，提取振動信號的特征頻率，診斷減速機蝸輪齒形變化故障。
        
１　蝸輪齒形變化故障特征及分析方法
 1.1蝸輪齒形變化故障特征  
        齒形變化是指蝸輪齒形嚴(yán)重偏離理想的齒廓線。蝸輪的失效形式中，凡是因蝸輪齒形變化造成的故障，從蝸輪故障診斷的角度出發(fā)，由于其振動信號特征基本相同，在蝸輪故障診斷中，統(tǒng)稱齒形變化故障。齒形變化可能是在使用中產(chǎn)生的，也可能是在制造或安裝過程中產(chǎn)生的。
        減速機蝸輪出現(xiàn)齒形變化故障時［３］，會產(chǎn)生以嚙合頻率為載波頻率，以蝸輪軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，由于齒形變化故障一般不產(chǎn)生大的沖擊振動，能量小，所以調(diào)制頻率的邊頻帶少。當(dāng)齒形變化特別嚴(yán)重時，由于激振能量較大，激勵起蝸輪固有頻率，出現(xiàn)以蝸輪各階固有頻率為載波頻率，蝸輪所在軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的蝸輪共振頻率調(diào)制。
 1.2經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（ＥＭＤ）原理 
      ＥＭＤ方法假設(shè)任意一個信號都是由許多本征模態(tài)函數(shù)（ＩＭＦ）組成［４－５］，ＥＭＤ算法的目的在于將性能不好的信號分解為一組性能較好的ＩＭＦ，分解結(jié)果有若干ＩＭＦ和一個殘余信號組成：其中任意一個ＩＭＦ分量都必須滿足兩個條件：整個數(shù)據(jù)段內(nèi)，極值點的個數(shù)必須相等或相差最多不能超過一個；在任何一點，由局部極大值點形成的包絡(luò)線和由局部極小值
點形成的包絡(luò)線的平均值為零。 
        ＥＭＤ的分解步驟如下：
                       
1.3 希爾伯特（Ｈｉｌｂｅｒｔ）變換
      Ｈｉｌｂｅｒｔ變換是信號分析和處理的重要工具。Ｈｉｌｂｅｒｔ變換器的單位抽樣為［６－８］
                         
          通過對ＥＭＤ產(chǎn)生的ＩＭＦ進(jìn)行Ｈｉｌｂｅｒｔ變換，得到包含時間、頻率和幅值的Ｈｉｌｂｅｒｔ譜，同時也可以得到原始信號的解調(diào)普，通過解調(diào)譜就能夠判斷減速機的故障狀況。
       
２　減速機蝸輪齒形變化故障診斷
2.1  減速機振動測試系統(tǒng)      
       本文中測試的對象是兩個由杭州嘉城機械有限公司生產(chǎn)的蝸輪蝸桿減速機。為了對減速機進(jìn)行振測試，搭建了圖１所示的蝸輪蝸桿減速機振動測試平臺。整個振動測試平臺由電動機、法蘭盤、輸入輸出轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機、磁粉制動器以及微型計算機組成。
                                   
        測試系統(tǒng)中電動機、輸入輸出轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機和磁粉制動器之間通過法蘭盤鏈接，傳遞動力。當(dāng)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，電動機為整個系統(tǒng)提供傳動動力。輸入轉(zhuǎn)矩傳感器可以輸出減速機輸入端蝸桿軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。輸出轉(zhuǎn)矩傳感器可以輸出減速機輸出端蝸輪軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。減速機作為被測對象，被牢牢的固定在實驗臺上。壓電式加速度傳感器用來采集減速機的振動信號，為了更靈敏的感應(yīng)減速機的振動，將其放置在減速機上靠近振動源蝸輪軸的位置。加速度傳感器的輸出端接到微型計算機的采集卡上，由微型計算機存儲減速機的實時振動信號，用
于后期的數(shù)據(jù)處理。磁粉制動器在系統(tǒng)中起到負(fù)載的作用。
        調(diào)整并固定實驗臺上的電動機、輸入和輸出轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機及磁粉制動器，保證兩個相連的軸處在一條直線上。因為要進(jìn)行測試的減速機都是剛裝配好的，蝸輪與蝸桿配合需要磨合。所以在進(jìn)行測試的時候，需要使減速機的轉(zhuǎn)動一段時間，等減速機各個零部件磨合充分后，再開始采集存儲振動信號。一般當(dāng)減速機蝸輪軸處溫度穩(wěn)定時，認(rèn)為減速機磨合完
成，這個過程大概需要４個小時左右。如果減速機磨合不充分，其箱體振動是不穩(wěn)定的，采集到的振動信號也就沒有參考價值。
        在本實驗中，當(dāng)減速機的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，設(shè)定采集卡的采樣頻率為２　７３１Ｈｚ，采樣時間為６ｓ，開始采集數(shù)據(jù)。兩個減速機都按以上方法采集數(shù)據(jù)。
2.2 振動信號分析   
       兩個蝸輪蝸桿減速機振動測試采集到的原始信號如圖２、圖３所示。從這兩個圖中看到原始振動信號非常復(fù)雜，包含很多噪聲，很難從圖中直接獲取關(guān)于減速機故障的有用信息。原始信號經(jīng)ＥＭＤ分解后的前４階ＩＭＦ分量如圖４、圖５所示。ＥＭＤ分解將原始振動信號分解為多個不同頻域段的本征模態(tài)函數(shù)ＩＭＦ，經(jīng)過分解之后，每個分量都比原始數(shù)據(jù)簡單很多。
                      
        電動機輸入轉(zhuǎn)速理論值為１　４４０ｒ／ｍｉｎ，蝸輪軸轉(zhuǎn)頻理論值為ｆ１＝２．４Ｈｚ，嚙合頻率理論值為ｆ０＝７２Ｈｚ。對ＩＭＦ的第３階分量進(jìn)行Ｈｉｌｂｅｒｔ變換包絡(luò)譜分析如圖６～圖８所示。從圖６中可以看到第一個減速機在嚙合頻率周圍出現(xiàn)幅值很小且很窄的邊
頻帶，并且從圖７中看到，在信號包絡(luò)譜圖中ｆ＝２．３４Ｈｚ處出現(xiàn)峰值。這剛好符合蝸輪齒形變化故障特征：以嚙合頻率為載波頻率，以蝸輪所在軸的轉(zhuǎn)動頻率為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，且調(diào)制邊頻帶較少、幅值較小。說明該蝸輪確實存在齒形變化故障。而圖８第２個減速機第３階分量包絡(luò)圖中出現(xiàn)峰值的頻率在１０Ｈｚ，明顯不是蝸輪軸轉(zhuǎn)頻，與蝸輪齒形變化故障的特征不相符，可判斷此減速機并沒有出現(xiàn)齒形變化的故障。
                       
                      
                            
                            
 2.3 蝸輪齒形變化參數(shù)測量     
        在減速機振動測試完成后對減速機的蝸輪進(jìn)行達(dá)齒形變化參數(shù)測量，用到的儀器是哈爾濱精測量儀器有限公司生產(chǎn)的ＪＤ４５＋齒輪測量儀。兩個減速機中蝸輪的齒形變化測量結(jié)果如圖９所示。
                  
       該實驗測量了蝸輪４個齒左、右２個齒面的齒形變化，圖９中中間垂直直線表示從蝸輪的齒根端到齒頂端齒形的測量長度，其左側(cè)為蝸輪４個左齒面的測量結(jié)果，右側(cè)為蝸輪４個右齒面的測量結(jié)果。其中曲線代表齒面的測量值，直線代表測量值的中值線，蝸輪齒形變化越小，直線的傾斜角越小。
       從圖９中可以看到第１個減速機蝸輪有１個齒的齒形變化非常大，而第２個減速機蝸輪的４個齒的齒形變化都很小。兩個減速機測量的最大齒形變化值與理論值的對比如表１所示。
                    
        表１中理論值為蝸輪精度為９級的齒形公差值，也是廠家加工蝸輪的標(biāo)準(zhǔn)值。從表１中看到，第２個蝸輪的齒形變化值與理論值相差很小，與振動測試的實驗結(jié)果相符，由第２個蝸輪組裝的減速機沒有齒形變化故障；第１個蝸輪的齒形變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值，同樣與振動測試的實驗結(jié)果相符，由第１個蝸輪組裝的減速機有齒形變化故障。
         通過與齒輪測量儀的測量結(jié)果的對比，證明了利用ＥＭＤ和Ｈｉｌｂｅｒｔ變換相結(jié)合的方法可以有效的診斷出蝸輪蝸桿減速機的齒形變化故障。
     
３   結(jié)論
        在分析了減速機齒形變化故障特征后，運用ＥＭＤ分解對減速機振動信號進(jìn)行分解處理，運用Ｈｉｌｂｅｒｔ變換分析法對故障信號進(jìn)行解調(diào)處理，進(jìn)而得到減速機齒形變化故障信號的特征頻率，并通過實驗證驗證，得到以下結(jié)論：
（１）基于ＥＭＤ分析法和Ｈｉｌｂｅｒｔ變換分析法相結(jié)合的方法是一種診斷蝸輪蝸桿減速機齒形變化故障行之有效的方法。
（２）選取正確的ＩＭＦ分量進(jìn)行頻域分析是非常關(guān)鍵的，盲目的選取ＩＭＦ分量會浪費大量時間，效率比較低。下一階段將研究一種自動選取正確ＩＭＦ分
量的方法，提高診斷效率。