煤矿机械齿轮箱噪声产生机理和主噪声源识别.pdf

煤矿机械 1 9 9 4年 第 3期 嚣 煤 矿机械 齿轮箱噪声 产生 ／ 机理 和主噪声源识别 一 r ． f 淮 南矿业 学院昊荫 六 f 摘 要 详 细 论 述了 齿 轮 箱 噪 声 谱 中 边 i 机 理 扣 细 谁F F T 、 倒 频 谱 的 分 ． ， 扦 方 萋 噪 声 谱边 频 带细 化 F F T倒 频 谱岂能 锐 ， 瘃锈 钇 关 键 词噪 声 谱边 频 带 细 化 倒 频 谱 翻 。 r卫 ， ’ 历 ’ 振动与 相 薹 慧 等 等 H 机 械 振 动 与 噪 声 实 质 相 同 ，只 是 所 处 的 一 H z 2 频域不同 。 ’删振动常用接触式传感器 磁电式 或 压 电式 ， 影 响 因素枝 多 ； 测 噪声 用非接触 式传感 器 电容式 ， 便于分折。 煤矿 机械齿轮 箱 传递的 功率大 ， 加工 与 装配 精度不高 时 ， 会产生较 大振动 、 噪声和温 升， 噪声级将超标。人工跑台虽然可降低噪 声 但增加 了投 资， 浪 费了能源 。 为此 ， 提高我 国煤 矿机 械翩造 水平 的主要途径 ， 应谚 是寻 找出主 噪声 源 ， 进而在设计 、 加工和装配中加 以改进 ， 以生产 出各种低 噪声 、 低温升的煤矿 机 械 。 2 齿轮传动噪声产生机理 设某 齿轮轴 的转速 为 ， r ／ ml a ， 则 该齿 轮轴的旋 转频率 ， j ／ 6 0 Hz 1 当 2 0 Hz时 ， 是 听不 到声 音 的基准 频率。 2 ． 1 啮合频率 对 重叠 系数 在 1～ 2之 间 的渐 开 线 齿 轮， 在齿顶及齿根处是双齿啮合 ， 而在节线附 近为单齿啮合， 在每齿啮合过程中， 齿面受裁 突变 一个周 期 图 1 ， 由此 产生 的 噪声始 终 存在 ， 噪声 频率 称为啮合频率 。 瑚 1 齿面受 载波 动 图 式 中 Z． 、 Z 一 -主、 从动轮齿 觳 ， -～ 主 、 从 动轮转速 ， √ 一 一 主， 扳动轮旋转频 率 直齿轮 啮合刚度变 化 陡峭 ， 产生 的噪 声 级 大 ； 斜齿轮或 人字 齿轮的啮 合刚度 变化平 缓， 产生的噪声级 小 图 2 ． 但降噪效果有 限 。 r L ． 一t 闰 2啮 夸刚度 重化 曲线 B 直齿轮 b 斜齿轮 2 ． 2 单个 齿轮 _错过 误 差 产 生 的噪 声频 率 周节累积误差 △ F 、 齿圈径向跳动 △ F 、 公法线长度变动 A F w等长周期误差产生的 噪声频率均 等于旋转额率 。 滚 刀制 造 安 装 误 差 产 生 的 齿 形 误差 △ 产生 的噪声频 率 为啮 合频 率的 k次谐波 为滚 刀转速 与被加 工齿轮转 速之 比 矗 ／ 。 基 节 偏差 △ ／ 、 周节偏差 △ 产生的噪 声 频 率均 是 啮 合频 率 的高 次谐 波 ， k 取决于齿轮坯奇 々 内分度蜗杵的轴向窜动次 数 。 2 、 3 齿轮 副 产 生 的噪 声 频率 齿轮的加工 、 安装误差 及各种 缺陷 ， 会使 维普资讯 1 9 9 4年第 3期 煤矿机械 2 3 齿 轮副 啮合时短 时 间载 荷突变 ， 噪声的频 率 成 分发生 偏离 ， 实 测噪声信 号犹如 一 个调 制 波 。 有幅值调制与频率 调制两种情况 。 1 幅值调制 调 幅 调幅指的是高频载波信号与低频调制信 号 在时 城 内相乘 的过程 。 齿 轮安装 偏心使 轮 齿啮 合时 紧时 松 ， △ ／ 和 △ 都会造成短 时 。 加载 和 “ 卸载 ， 齿面 载 荷波 动相 当调 幅 。 使噪声顿 率成分 增多 噪声谱 变宽 并形 成边频带 鬼线 ， 使 寻找 噪声 源发 生困难 。 齿轮啮合频率及高次谐波合成为载波信 号 e ￡ 的频率。 A F ， A F 、 A F w 和 组合构成 了调制信号 ￡ 的频率 。 窭测噪声信号 f 为两者 的乘积 y t ￡ z ￡ 。 由卷积定 理 知 ． ￡ 的频 谱 为两 个频谱 的卷积 y E ， * ， ， 如 图 3所示 ， 在 E ， 周 围 形成 了边频带 。 E J y t 一 硼 一⋯⋯Ⅱ ■ -r {8I X【 ，J Y C f 嘴 3调幅边 嘲带 邢 成 a 时城波形 b 颇域结 l恂 2 频率调制 由于齿轮载荷不均 、 齿距不均及故障 ， 产 生传递扭矩的瞬时波动 ， 使瞬时转速波动， 表 现为噪声 的频率发生变 化 ， 这就是频率调制 ． 图 4显示丁原来单一的频率成分 和 因 频 率 3 ， n 到的 量小 会 产生特定 的脉冲调 制 ， 脉 冲长度 等 于齿 轮 的旋转周期 。 频域 上在啮合频率周 围以旋 转频率 为间隔 ， 形成 了一 系列边频带 。 特点是 边 频带 的 阶次多 ， 谱 线分 散 且形 状 各异 图 5 a 。 L J I 【 f ． 一， j 目4频 率调 科及 边频 带 2 、 4 齿轮缺陷产生的噪 声频率 齿面剥落、 裂纹及部分断齿等局部故障 f a 集中缺陷 b 分散缺陷 齿面点蚀、 不均匀磨损等分布缺陷． 产生 的调制较 为平缓 。 形成 的边频带步 而集 中 图 5 b 。 2 ． 5 齿轮 副安 装误 差产生的噪 声频率 齿轮 的偏心使齿 轮每旋 转 一周 ， 产生 一 E 维普资讯 2 4 煤矿机械 1 9 9 4年 第 3期 次波动 在啮合频率及各次谐额两侧产 生 m 士 ， 的 边 频 带 齿轮或联 轴节对 轴 线不平衡 ， 将 在啮台 频率 及各次谐 波的两侧 产生 f o 士 2 ， n 的 边频带 。 2 ． 6 附 加 振 动 产 生 的 噪 声 实涣 I 的齿轮噪声的惺值调制信号大体对 祢于零 线 图 6 a 由 于 齿 轮 安装 时 对 中 不 好、 平 衡不善和橙 动 ， 都 会产 生附加 噪声 图 6 b 一般是旋 转频率 的低 次谐 波 ， 随着跑 合 和 磨损而逐 渐减小 。 附加 噪声与调 幅噪声 合 成 了总噪声 图 6 c ， 其 噪声波形 不与零线对 称。 附加噪声 可用低通 滤波器将其分 离出来 a ／- ’ ⋯／ 、 ～ 。 c】 囤 6齿轮 的附 加 噪 声 t _ 调幅 噪声 附加噪声 c 总噪声 3 滚动轴承的噪声产生机理 滚动轴 承噪声是 由其 自身结构特点及 各 种缺陷引起的 。 齿轮箱常用 向心推力轴承 ， 设 内圈 回转频 率为 ， 外 圈回转频率 为 ， 保持 架 回转频事为 ， 滚动体 中心所在匾直径为 D， 滚动体直 径为 d， 滚动体个 数 为 一 ， 接 触角 为 n ， 由运动学分 析可得出 滚 动体 在外 圈滚 道上的通 过频率为 一 导 一 1 一了 id c o s a 3 滚 动体在 内圈滚 道上的通 过频率为 一 导 一f o 1 d c o s a 4 滚 动体相对 保持 架的回转频率 为 一 1 等 一 f o 1 苦 c 。 s 。 ] 5 3 ． 1 滚 动 轴 承 结 构 产生 的噪 声 滚 动 轴承 受 载 的滚 子数 目是 不断 变 化 的 ， 因而承载刚度不 断变化 ， 产生噪声 频率 为 。 。 轴承的轴向刚度非线性也会产生噪声， 当 刚度 曲线 为对称非线性 图 7 a 时 ， 产生 的 噪 声频 率 为 ， 2 ， 3 ⋯； 当刚度 曲线为 非 对 称非 线性 图 7 b 时 ， 产生 的 噪声 频 率 为 ． ， ／ 2 ， ／ 3 ⋯ 。 这里 ， 为轴的旋转频率 。 增 7轴 承 轴 向刚 度 【 a 对 许非线性 b 非对 称非 } 性 3 ． 2 轴 承 加 I 误 差 产 生 的 噪 声 轴承 内 、 外圈滚道 和滚 动体 的加工 波纹 度 产生 的 噪声主 要 是高 频 成 分 。 Ga s t a f s s o n 给 出了噪声频率与波纹度波 峰数的关 系 ， 见 附表 。 噪 声 频率与 波纹 度波峰 数 的关 系 渡垃 度波峰 数 噪声精 率 H1 零 件 径向振动轴向振动 径向撼动轴向撮动 内 圈 k n 士 1 k n k f k 凡 外 圈 k n 1 h 滚动体 2 k o ， b 2 ， 棚 滚动体大小不均匀导致轴 心线变动和支 承 刚度变化 ， 产生的噪声频率 有 和 士 f 3 3 轴 承装配误 差产生的噪 声 轴承安装偏心或 自身游隙过大 产生的噪 声 频率 为 。 转轴 弯曲使轴承位置偏移 ， 产 生 的噪声 频率 为 士 。 3 ． d 轴 承缺 陷产 生 的噪 声 轴承 内、 外 圈滚道或滚 动体 表 面若 产生 维普资讯 1 9 9 4年第 3期 煤矿机械 2 5 疲劳剥落坑 ， 在坑 的位置将产生瞬时 冲击 ， 根 据坑的数 目不同， 噪声频率 为 、 ‘ 或 k A。 。 磨 损 以及 灰 尘产 生 的噪声 频 率呈 现 较 强的随机性。 轴承若发生胶合， 在特定频率处 ， 厂 哪和 ， h 的幅值会突然增大且顶峰 处有微 小波 动的平 台。 4 减速箱整机 固有频率 按 照模态理论 ， 减速 箱可看 成 一个具 有 质量 、 阻尼和弹簧刚度的多 自由度振动 系统 。 当某噪声频率与减速箱第 一 1 ． 2 ， ⋯ 阶 固有频率一致时 ， 将 因共振而 产生强 烈噪声。 因此 ， 应测 出固有频率 。 发生 这种情况 时 ， 应 修改设计 以改变固有 频率值 。 5 主噪声源识别方法简介 噪声测试与分析 系统如 图 8所示 。 圈 8 噪 声 州试 与分析 丰统 5 ． 1 声 级 计 利用 自身带有 的倍 频程 滤波 器或 1 ／ 3 倍 频 程滤 波器 ， 可 大体得到 某一频带 内 噪声 的 总强度 。 5 ． 2 频 谱 分 析 模拟 频谱分析 常采用窄带 恒带宽滤波器 或 中心 变频跟踪滤 波器 ． 可较 精确地找 出诸 噪声 源的频率成分 ， 但价格 昂贵 。 数字 频 谱分 析 法 是 对记 录 的 噪声 信 号 f 进行采样 点数 N 一 2 ， 如 1 0 2 4 、 2 0 4 8个 点 ， 得到 离散序列 z n ， 0． 1 ， 2 ， ⋯ ， Ⅳ 一 1 。 再对 z n 进行快 速傅 里叶变换 F F T ． 得 到离散频 谱 x ， 一 0 ， 1 ， 2 ， ⋯ ， Ⅳ 一 1 。 5 ． 3相 关 分 析 法 设实测噪声 f 由 Ⅳ 个频率不 同的 周 期 噪声 与随机 噪声 叠加 而成 ， 周期 噪声的 频 率为 一 1 ， 2 ， ⋯， Ⅳ 。 当与 r 进行相关 处理 的信号频 率 一 时 ， 会有相关输 出。 是 可调 的 ， 相关 图上 会出现 Ⅳ 个 峰值 峰值 大 小代 表 了 噪声 的强 弱 。 相 关 分 析 也 可 由 F F T求得 5 ． 4 { 1 车 谴 鸯舐 P a s e v a l 证 明了 功率谱密度函数与幅值 平方成正 比 G ， O C l x I 。 。 得到 的噪声 源处 幅值 更 陡峭 ， 更 易识别 。 用 F F T可 求得 离散功率谱密度 G 5 ． 5相 干 函 数 分 析 常用来鉴别噪声功 率谱 图上 的峰值频率 和 噪声源频率的相关程 度 ， 以进一 步判断主 噪 声源 相 干函数值 l y l 在 0 ～ 1 之间 ， 其值 越接 近 1 ， 说 明分析 得到 的 噪声 源 与实 际 噪 声源有密切的关 系。 5 ． 6 声强分析 ． 采用方 向性 特强 的声强 探头测 噪声 ， 可 在 近声 场 内测量 ， 能方便 地测声功 率并确定 噪声的方位 内有 F F T 分析功 能 ， 可直接绘 制 出频谱 、 功率谱和细化频谱等 图形 。 6细化 F F T和倒频谱分析 由 F F T 得到 的离 散频 谱 的昂高频 率 为 ， m ， 共有 条 谱线 。 相 邻谱 线 间的频宽 为 △ ， 一 ， m 。 若边频 带 两条 谱 线 间的 间隔 小 于 △ ，， 则这 两条谱 线无 法辨认 。 分 析 的昂高 频 率越高 ， 则频率分辨 力越 低。 在高频段若欲获 得高 分 辨 力 ， 需 采用 细 化 F F T 技 术 。 细 化 F F T是将高频处的一个窄频域 △ 作横 向拉 开 ， 仍 绘 制 条 谱 线 ，则 谱 线 间 隔 仅 为 △， 2 ／ L Hz ， 频 率 分 析 率 大 大 提 高 ， HP 3 5 8 2 A细化倍数达 5 0 0 0倍 。 采 用细化 F F T 频率分 辨力 仍不能 满足 要 求时 ． 采用幅倒频 谱能很好地 鉴别周期 噪 声 的频率 。 倒频谱定 义为 函数 对数 功率谱 的 功率谱 r 一 l F{ l o g G I ， l 6 式 中F 傅里 叶变换符号 维普资讯 2 6 煤矿机械 1 9 9 4年 第 3州 r 倒 频率 r l ／ △ ／， ms 7 幅倒 频谱为倒频谱的正平 方根 ， 一 C． r ／ c r S 测褥功 率谱 ，为噪声功 率谱 G r ， 与东统 幅频 特性 平方 的乘积 ， l H ， l 。 G ， 9 则 l o g G ， 一 2 l o gl H ， 1 l o g G ， 于是 “ c H r C r 1 0 上 式说 明 测得 的倒频谱 由两部 分组 成 ， 低 频的倒 频谱 Cn r ， 反 映了 系统 的传 辅特 性 ； 高频 的倒 频谱 C r ． 反映 了噪声 源的特 征 。 ‘8 1 2 1 2 0 4 ， k Hz J 、 1 【 I 1 九 kHz I I l 9 用细化 F F T 和倒 嘶谱 分析噪 声潦 a 剐得功率谱 b 第一稼细化谱 t c 第二痰细 f E 谱 f d 幅制频谱 上接 姓 页 状 态转到 逆变 状 态后 ， 贮 存在 I 中 的能 量 通 过整 流桥又反馈 鄯 电阿 中去 ， 这 样就将 过 电压转变成过 电流。 在具体 线路中保护输出 线的线号 为 2 2 4 号 。 经上 述 改进 后 ， 烧坏 逆变 可控 硅的概 率 明显 降低 。 在 此基础上 ． 黑龙江矿 院工 厂叉 研 制 生 产 了 KGP S B 型 可 控 硅 中频 电 源 ， 与 KGP S A 型中频 电源相 比具有 以下特点 图 g a 是某齿轮箱测得的噪声谱 ， 频率分 辨力 潜纯 问厢 为 即Hz ， 峰值 1 处的龆障 是 啮 台频 率 4 ． 3 k Hz ， 峰值 2和 3处 的频 率为 啮 合频 率 的二 、 三 阶谐 频 ， 无法 分 解 出边 频 带 。 日 是对 3 ． 5- 1 3 ． 5 k Hz 的频段 的频谱 细化至 2 0 0 0条谱绒 时的 图， 谱 中包含有啮合 频 率的前三 阶储领 成分 ． 但不包 含齿轮旋转 频率 8 5 Hz和 5 0 Hz 及低 阶谐 波， 频率分 辨 力提高到 5 Hz ， 可以看 到许 多边 频成分 ， 但很 难分辨它们 的周1 { 『 j 。 图 9 c 是将 图 9 b中 7 ． 5～ 9 ． 5 k Hz频域再次细化得到频谱 ， 从峰值 的等 间 隔性 可 以看到 旋 转 频率 为 间隔 的 边频 带 。 图 是 由瞄 9 b得到的倒频谱 ， 对应于两 个齿轮旋转频率 ，l 一 8 5 Hz ， ， n 5 0 Hz 的 两 个倒 频分 量 ／ 1 l i ／ 一 l 1 ． 8 ms 和 B 一 l ／ ／ 2 2 0 ms 清 晰可 见。 2 ， ． ． - B B ⋯ 是 旋转频率 的高 次谐波分量 。 由吲 9 c和图 9 d可找 到主 噪声 源 ． 而在功 率诺 图上 却难 以 分 辨 参 考 文 献 j 】I 殴 文 ． E ． R格雷 夫 ．工业 噪声和} fi{ 动控制 ． 机械 工业 出版社 ． 1 9 8 4 ． 2 ．阵克兴 沈永幅 ．齿轮故漳诊断 ． 役宿堆睦． 1 9 B 6 1 6 ． 3 ．挛J l l 奇 阵 ．蒗动轴承故障在拽监酬和睦断机械 工程 持 刊 ， l 9 s 4 ． 4 ． J ． I 虫密 齿轮振动与嘲声 ． 中国计量出版杜 l 9 8 9 1 在犬电 流 、 高 电压情况 下 ， 自动 改变 逆变可控硅承受的反压时 间。 2 当乐统发生过 电压 时 ， 将主 回路 中过 电压转换成 过电流 ， 杜 绝丁过电压的产生 ， 用 保护逆变 可控 硅。 3 当保护 系统动作后 ， 通过功率旋 钮 自 动将 保护 复位 ， 从而避 免了保 护动作 后 ， 因功 率 旋钮 没回零 而误将 保护复 位 ， 造 成不必 要 的 损 失 。 维普资讯