时标信号在螺旋锥齿轮振动与噪声测量中的应用

    ０　引言

    螺旋锥齿轮因其具有传动平稳、承载能力强、振动噪声小等优点而被广泛应用于汽车工程、矿山机械等传动系统中，从而实现相交轴间的动力传递。随着齿轮机构朝着重载、高速方向发展，其振动与噪声水平客观上反映了齿轮的工作状态，成为齿轮副运行状态重要指标［１－３］。在螺旋锥齿轮的回转或往复运动过程中，反映其运行状态的振动、噪声等周期信号跟随机器的运转而周期性重复出现，其特征频率是电机或发动机转速频率的倍数［４－５］。当窜入扰动或背景噪声较强时，这些信号的时间历程不能呈现出规律性，在普通的谱分析中这些特征频率往往被淹没在噪声背景中。如何正确提取有关的运行特征频率信息就成为振动与与特征频率无关的信号分量，提取出与预估频率相关的周期信号，提高信噪比［７］，对螺旋锥齿轮滚动检查工况下的振动与噪声分析有指导意义。本文以Ｙ９５５０滚动检验机作为工作平台，利用旋转编码器所提供的零点信号和序列脉冲作为时标信号，以加速度传感器作为振动信号的拾取单元，以声级计作为噪声信号的输入器件，经过多通道同步数据采集卡进行数据采集［８］，根据振动与噪声信号在空间位置上周期特性重复出现来进行后期的数据处理，最终实现对现场滚动检查过程中螺旋锥齿轮副啮合时的振动与噪声频谱特征分析，形成一种新的测量方法，同时也为进一步研究齿轮啮合时传动误差与振动噪声之间的关系奠定基础。

    １　齿轮啮合传动的谐波特征

    齿轮副是旋转机构中传动链的主要部件，其振动与噪声特性符合旋转机械的一般方程。但在实际的啮合传动中，由于受电机转速的波动、扭矩不平衡、综合刚度和啮合刚度变化等因素的作用，振动噪声信号中会出现幅值和频率调制现象［９－１０］。修正后的振动和噪声信号可表示为

    式中，ｔ为时间；ｋ为谐波次数；Ｋ为谐波最高次数；Ａｋ、Φｋ为ｋ倍谐波的幅值与相位；ａｋ（ｔ）、（ｔ）分别为ｋ倍谐波的幅值与相位调制函数；ｂ（ｔ）为测量系统窜入的噪声扰动信号；ｆ为齿轮平均啮合频率；ｎ为齿轮转速；Ｚ１为齿数。

    ２　时标位置同步的测量方法

    时标 同 步 测 量 （ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｅａｓｕｒｅ－ｍｅｎｔ，ＴＳＭ）方法是对齿轮传动机构中的每个物理点的振动或噪声信号进行采集，然后根据零点标定，以转动一周为基础，以特定的间隔去截取数据进行二次数值采样并通过数值平均法重新构造周期性的本数据，从而达到减小或削弱信号中的扰动、最大程度地保留数据中周期性特征分量的方法。