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

            蝸輪蝸桿減速機(jī)具有傳動(dòng)比大，輸出轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各式機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中。由于工作環(huán)境差，減速機(jī)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(jī)故障的重要原因，其中齒形變化是導(dǎo)致蝸輪失效的一個(gè)重要因素。一旦減速機(jī)發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致意外事故，造成經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于大型機(jī)械來說，停機(jī)維修損失更大。因此迫切需要研究一種有效診斷減速機(jī)蝸輪齒形變化故障的方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)減速機(jī)的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)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(yàn)?zāi)B(tài)分解（ＥＭＤ）、ＳＴＦＴ（短時(shí)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(cuò)的結(jié)果。
        ＥＭＤ分解是一種新型的信號(hào)處理方法［１］，非常適合用于非平穩(wěn)信號(hào)的處理。一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào)經(jīng)ＥＭＤ分解后可以得到多個(gè)平穩(wěn)本征模態(tài)函數(shù)（ＩＭＦ），并且每個(gè)ＩＭＦ分量都處在不同的頻域段。希爾伯特包絡(luò)是時(shí)域信號(hào)絕對(duì)值的包絡(luò)［２］，它從信號(hào)中提取調(diào)制信號(hào)，分析調(diào)制函數(shù)的變化，對(duì)提取故障特征具有很大的優(yōu)越性。當(dāng)減速機(jī)出現(xiàn)蝸輪齒形變化故障時(shí)，不同頻域段的信號(hào)頻率分布會(huì)發(fā)生改變，因此可以運(yùn)用Ｈｉｌｂｅｒｔ分析法提取振動(dòng)信號(hào)的某個(gè)
ＩＭＦ的減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征，就可以判斷減速機(jī)是否出現(xiàn)故障。本文中運(yùn)用ＥＭＤ和Ｈｉｌｂｅｒｔ變換相結(jié)合的方法，分析減速機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，提取振動(dòng)信號(hào)的特征頻率，診斷減速機(jī)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(dòng)信號(hào)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(jī)蝸輪出現(xiàn)齒形變化故障時(shí)［３］，會(huì)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(dòng)，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(shí)，由于激振能量較大，激勵(lì)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(yàn)?zāi)B(tài)分解（ＥＭＤ）原理 
      ＥＭＤ方法假設(shè)任意一個(gè)信號(hào)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(hào)分解為一組性能較好的ＩＭＦ，分解結(jié)果有若干ＩＭＦ和一個(gè)殘余信號(hào)組成：其中任意一個(gè)ＩＭＦ分量都必須滿足兩個(gè)條件：整個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)，極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)必須相等或相差最多不能超過一個(gè)；在任何一點(diǎn)，由局部極大值點(diǎn)形成的包絡(luò)線和由局部極小值
點(diǎn)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(hào)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(duì)ＥＭＤ產(chǎn)生的ＩＭＦ進(jìn)行Ｈｉｌｂｅｒｔ變換，得到包含時(shí)間、頻率和幅值的Ｈｉｌｂｅｒｔ譜，同時(shí)也可以得到原始信號(hào)的解調(diào)普，通過解調(diào)譜就能夠判斷減速機(jī)的故障狀況。
       
２　減速機(jī)蝸輪齒形變化故障診斷
2.1  減速機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)      
       本文中測(cè)試的對(duì)象是兩個(gè)由杭州嘉城機(jī)械有限公司生產(chǎn)的蝸輪蝸桿減速機(jī)。為了對(duì)減速機(jī)進(jìn)行振測(cè)試，搭建了圖１所示的蝸輪蝸桿減速機(jī)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。整個(gè)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)由電動(dòng)機(jī)、法蘭盤、輸入輸出轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)、磁粉制動(dòng)器以及微型計(jì)算機(jī)組成。
                                   
        測(cè)試系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)、輸入輸出轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)和磁粉制動(dòng)器之間通過法蘭盤鏈接，傳遞動(dòng)力。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供傳動(dòng)動(dòng)力。輸入轉(zhuǎn)矩傳感器可以輸出減速機(jī)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(jī)輸出端蝸輪軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。減速機(jī)作為被測(cè)對(duì)象，被牢牢的固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。壓電式加速度傳感器用來采集減速機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，為了更靈敏的感應(yīng)減速機(jī)的振動(dòng)，將其放置在減速機(jī)上靠近振動(dòng)源蝸輪軸的位置。加速度傳感器的輸出端接到微型計(jì)算機(jī)的采集卡上，由微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)減速機(jī)的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)，用
于后期的數(shù)據(jù)處理。磁粉制動(dòng)器在系統(tǒng)中起到負(fù)載的作用。
        調(diào)整并固定實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的電動(dòng)機(jī)、輸入和輸出轉(zhuǎn)矩傳感器、減速機(jī)及磁粉制動(dòng)器，保證兩個(gè)相連的軸處在一條直線上。因?yàn)橐M(jìn)行測(cè)試的減速機(jī)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(cè)試的時(shí)候，需要使減速機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間，等減速機(jī)各個(gè)零部件磨合充分后，再開始采集存儲(chǔ)振動(dòng)信號(hào)。一般當(dāng)減速機(jī)蝸輪軸處溫度穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為減速機(jī)磨合完
成，這個(gè)過程大概需要４個(gè)小時(shí)左右。如果減速機(jī)磨合不充分，其箱體振動(dòng)是不穩(wěn)定的，采集到的振動(dòng)信號(hào)也就沒有參考價(jià)值。
        在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)減速機(jī)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(shí)間為６ｓ，開始采集數(shù)據(jù)。兩個(gè)減速機(jī)都按以上方法采集數(shù)據(jù)。
2.2 振動(dòng)信號(hào)分析   
       兩個(gè)蝸輪蝸桿減速機(jī)振動(dòng)測(cè)試采集到的原始信號(hào)如圖２、圖３所示。從這兩個(gè)圖中看到原始振動(dòng)信號(hào)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(jī)故障的有用信息。原始信號(hào)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(dòng)信號(hào)分解為多個(gè)不同頻域段的本征模態(tài)函數(shù)ＩＭＦ，經(jīng)過分解之后，每個(gè)分量都比原始數(shù)據(jù)簡單很多。
                      
        電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速理論值為１?。矗矗埃颍恚椋?，蝸輪軸轉(zhuǎn)頻理論值為ｆ１＝２．４Ｈｚ，嚙合頻率理論值為ｆ０＝７２Ｈｚ。對(duì)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(gè)減速機(jī)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(hào)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(dòng)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(shí)存在齒形變化故障。而圖８第２個(gè)減速機(jī)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(jī)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(cè)量     
        在減速機(jī)振動(dòng)測(cè)試完成后對(duì)減速機(jī)的蝸輪進(jìn)行達(dá)齒形變化參數(shù)測(cè)量，用到的儀器是哈爾濱精測(cè)量儀器有限公司生產(chǎn)的ＪＤ４５＋齒輪測(cè)量儀。兩個(gè)減速機(jī)中蝸輪的齒形變化測(cè)量結(jié)果如圖９所示。
                  
       該實(shí)驗(yàn)測(cè)量了蝸輪４個(gè)齒左、右２個(gè)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(cè)量長度，其左側(cè)為蝸輪４個(gè)左齒面的測(cè)量結(jié)果，右側(cè)為蝸輪４個(gè)右齒面的測(cè)量結(jié)果。其中曲線代表齒面的測(cè)量值，直線代表測(cè)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(gè)減速機(jī)蝸輪有１個(gè)齒的齒形變化非常大，而第２個(gè)減速機(jī)蝸輪的４個(gè)齒的齒形變化都很小。兩個(gè)減速機(jī)測(cè)量的最大齒形變化值與理論值的對(duì)比如表１所示。
                    
        表１中理論值為蝸輪精度為９級(jí)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(gè)蝸輪的齒形變化值與理論值相差很小，與振動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，由第２個(gè)蝸輪組裝的減速機(jī)沒有齒形變化故障；第１個(gè)蝸輪的齒形變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值，同樣與振動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，由第１個(gè)蝸輪組裝的減速機(jī)有齒形變化故障。
         通過與齒輪測(cè)量儀的測(cè)量結(jié)果的對(duì)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(jī)的齒形變化故障。
     
３   結(jié)論
        在分析了減速機(jī)齒形變化故障特征后，運(yùn)用ＥＭＤ分解對(duì)減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解處理，運(yùn)用Ｈｉｌｂｅｒｔ變換分析法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，進(jìn)而得到減速機(jī)齒形變化故障信號(hào)的特征頻率，并通過實(shí)驗(yàn)證驗(yàn)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(jī)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(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，效率比較低。下一階段將研究一種自動(dòng)選取正確ＩＭＦ分
量的方法，提高診斷效率。