电机驱动系统的齿轮故障诊断
王光鑫 韩笑
[摘 要]齒轮故障诊断技术对减少工业事故所造成的人员伤亡和经济损失具有重要的意义。本文介绍了齿轮故障诊断流程，分析了基于电机驱动系统的故障诊断方法。
[关键词]负载转矩特征分析法；电机电流特征分析法；齿轮故障
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）15-0369-01
在工业应用中，齿轮传动机构可靠、准确传递的速度和功率范围较大，因而得到了广泛的应用。由于齿轮箱本身结构复杂，经常工作于环境较恶劣的场合，所以容易受到损害和出现故障。齿轮的故障主要表现为断齿、齿面疲劳和胶合等。一旦齿轮出现损坏和故障，将对机械设备造成很大的影响。对齿轮进行运行状态监测及故障诊断，可实现齿轮由事后维修、定期维修到视情维修的根本转变，从而创造更大的经济效益和社会效益。
一、齿轮故障诊断流程
1、对齿轮箱的振动信号作整周期采样，并连续采集多个整周期的振动信号。2、将齿轮箱振动信号作时域同步平均，得到时域同步平均信号。3、对时域同步平均信号作傅立叶变换，即计算FFT。4、滤除信号频谱中的啮合频率及倍频成分。5、确定信号频谱中的高频共振频带。6、根据确定的高频共振频带，对信号频谱进行带通滤波。7、对带通滤波后的频谱作逆傅立叶变换，即计算IFFT，得到残余信号。8、对残余信号进行包络检波，得到包络信号。
二、基于电机驱动系统的故障诊断方法
电机驱动器通常与齿轮变速箱耦合在一起，当齿轮出现故障时，在转矩信号和电流信号中会引入与故障相关的频率分量，而电流和转矩信号均能从电机驱动器处获得。此外，啮合齿轮的运动误差也可通过辨识器从驱动器处获得，因此驱动器可被当作内置的传感器来估测机械系统的重要特征。负载转矩特征分析法、电机电流特征分析法和运动误差辨识法便是基于电机驱动系统的故障检测方法。
1、负载转矩特征分析法。1）负载转矩波动对电流的影响。从理论上分析负载转矩波动对电机侧电流的影响机理。电机传动系统动力学公式为
可见定子电流受到幅度调制和相角调制。由推导过程可知，电磁转矩的波动体现在相电流上为幅度调制，转速的波动体现在相电流上为相角调制。实际情况中，由于转速闭环的存在，ωm中的余弦分量很小，故可忽略相角调制，由于实际进行傅里叶分析时只有正频率是有意义的，故负载转矩波动体现在定子电流频谱上便是在基频两侧出现|fe±fi|的分量。2）齿轮在完好及故障状态下的电流特征。完好的齿轮在正常运行时，由于受齿轮运转特性的影响，电机所受的负载转矩TL是由恒定转T0和频率为fr1，fr2，fm，相位为φr1，φr2，φm的波动转矩组成，即 （9）
式中：fr1为主动齿轮的转频；fr2为从动齿轮的转频；fm为齿轮的啮合频率。由前面的分析可知，在电机电流频谱中会出现fe±fr1、fe±fr2、fm±fe的频率。当齿轮出现局部式故障后，故障的轮齿每啮合一次，负载转矩中便会出现一个脉冲冲击，当只有一个轮齿出现故障时，故障将会在原转矩TL中引入频率为故障齿轮转频fr的周期性脉冲f（t），若f（t）满足狄里赫利条件，就可以分解成为傅里叶级数
式中：a0/2为周期函数的直流分量；A1cos（ωrt+φ1）为基波分量；基波角频率ωr=2πfr，fr为故障齿轮的转频。结合前面的分析可推断故障在频谱中表现为|fe±nfr|，n=1，2，3，…。因此可以根据电流基频两侧是否出现|fe±nfr|来判断齿轮是否出现故障。
2、电机电流特征分析法。电机电流的变化完全可反映电动机外负载转矩的变化。电机电流特征分析法是利用电机的定子电流信号作为分析的切入点研究其特征与故障的对应关系，它的优点在于容易获取电流信号且不会对原系统产生干扰。MCSA的实质是从力矩到电能的转换，对传动系统力矩类的故障较敏感，近年来得到了广泛的关注，并已成功应用于检测电机定子、转子和气隙磁通不对称等本体故障。虽然其应用不如在检测电机故障方面广泛，MCSA亦可用来检测电机负载（含齿轮箱）的故障。常规的MCSA法通常是采集到电机的电流信号后，对电机电流应用快速傅里叶变换进行频谱分析，观测频谱中出现的故障频率相关分量进行故障诊断。电流信号会受到各种调制，将感应电机的电流信号先进行幅值解调和频率解调，然后应用离散小波变换去噪提纯，表明对电流用幅值解调可以检测到转轴频率分量，用频率解调可以检测到啮合频率分量。FDTW能匹配具有微小相位差别或速度振荡差别的两个信号，FDTW通过引入一个与齿轮啮合频率相同的参考信号Y（t），与实际电流x（f）做比较，定义残差信号，如z的方均根值较小，则说明没有故障，若方均根值较大，则说明出现了严重的故障。
3、运动误差辨识法。电机电流特征分析法及负载转矩特征分析法都只适用于稳速恒定负载下的情况。例如：MCSA对定子电流采样必须等到电机转速达到稳定后才能进行，否则采样得到的数据便无法用来作为故障诊断的依据。
三、结语
总之，齿轮传动机构具有结构紧凑、传动准确可靠、可实现较大的减速比等优点，在工业生产中具有广泛的应用。由于过载、周期性疲劳应力等不良工作状况，齿轮易出现点蚀、齿根裂纹、断齿等故障，使生产过程中断，甚至发生严重事故。因此，对齿轮进行状态监测，实现早期故障诊断，并进一步预测齿轮寿命具有重要意义。
参考文献
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