齿轮传动振动噪声试验系统研制_徐磊

第35卷 第04期 齿轮传动振动噪声试验系统研制 57

文章编号:1004-2539(2011)04-0057-04

齿轮传动振动噪声试验系统研制

徐 磊1,2 陈兵奎1 吴长鸿2 王振荣2

(重庆大学机械传动国家重点实验室, 重庆 400044)(浙江双环传动机械股份有限公司, 浙江台州 317600)

摘要 介绍了齿轮传动装置测试试验系统的总体设计及功能实现,研制功率开放试验台进行齿轮传动系统的振动噪声及效率等试验测试。利用动态分析软件及频谱分析技术对测试数据进行分析,为齿轮传动振动噪声源提供识别依据,并对齿轮传动装置综合性能进行客观评价;形成齿轮传动装置振动噪声测试的分析流程。通过实例应用验证,论证了在所研制的试验台上进行振动噪声测试是可行的。

关键词 齿轮传动 试验系统 振动噪声 频谱分析

DevelopmentofNoiseandVibrationTestsystemofGearDrive

XuLei1,2 ChenBingkui1 WuChanghong2 WangZhenrong2

(1StateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

(2ZhejiangShuanghuanDrivelineCo.,Ltd.,Taizhou317600,China)

Abstract Theoveralldesignandfunctionalimplementationofgeardrivetestsystemisintroduced,openpowertest-bedforthenoiseandvibrationtestandefficiencytestofgeartransmissionisdeveloped.Byusingdynamicana-lysissoftwareandspectrumanalysistechniquefortestdataanalysis,providingevidencefornoisesourceidentificationofgeardrive,andtheobjectiveevaluationoncomprehensiveperformanceofgeardrivesismade,alsotheprocessofv-ibrationandnoisetestforgeardriveisformed.Aftercertificationapplicationexample,thenoiseandvibrationtestonthetest-bedisfeasible.

Keywords Geardrive Testsystem Noiseandvibration Spectrumanalysis

噪声测试的相关部件加隔声罩做隔声处理。

0 引言

机械设备在动态下都会产生振动和噪声。传统的直接观察法主要依据人的感觉和经验,有着较大的局限性;振动和噪声的强弱及其包含的主要频率成分与机械设备的运行状态有着密切的联系,利用这种信息对齿轮传动的工作状态评价是比较有效的方法。我们设计相应的振动噪声测试试验系统,获取实测的振动、噪声数据;结合时域和频域综合信号处理方法,准确检测齿轮设备运行状态和进行故障诊断,并能够快速确

[1-定改进方案。

2]

图1 综合性能试验测试系统

试验系统的结构形式如图1所示。由变频驱动电机、输入输出传感器、被测传动装置、加载装置、B&K声学/振动分析仪等组成。

试验台的控制系统集中在一个控制台上,通过各个按钮控制动力系统的启停、调速、加载、卸载、改变载荷等;并在控制台上完成测试数据的采集,通过在线或,,对

1 试验系统结构设计

齿轮传动综合性能试验台采用功率开放式,可进行各种齿轮传动装置传动效率、振动噪声、承载能力、疲劳寿命和温升等测试试验。测试对象处于半消声室

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比分析改进前后的减振降噪效果。吸声尖劈的一般结构如图2所示,尖部长度为L1,基部长度L2,与壁面间距离为D。尖劈的吸声是由于它的端部吸声面积小,它的阻抗从接近空气特性阻抗逐步增大到接近多孔材料的阻抗。吸声特性与L、L1

/L2、D以及材料的体积密度等参量有关。尖部

长度L1越长,尖劈低频吸声性能越好,同时尖部长度也决定了截止频率。尖劈的截止频率约为0.2c/L1(c为声速),增加尖部长度可以降低截止频率,常用的尖劈长度大约相应于截止频率波长的1/4[3]443-445。

2 仪器设备概况

2.1 测试设备技术参数

试验系统主要进行振动噪声的测试;针对测试对象振动噪声的本身特性,选择合适的测试仪器,以保证达到预定测试要求。

试验测试采用变频电机作为动力输入,有运转平稳、可频繁启动,便于转速控制等优点;加载装置采用电涡流测功机,改变负荷时平稳、方便,易实现程序控制。受试传动装置的输入端和输出端分别安置Lebow相位差式转矩转速传感器,以确定受试装置的工作状态及传动效率。

试验台的动力源、加载装置及测试系统等设备规格如表1。

表1 试验设备型号参数

仪器类型驱动变频电机电涡流测功机

参数规格

额定功率110kW,额定转矩350N m,主轴最高转速6000r/min最大吸收转矩1075N m

转矩测试范围(20~1103)N m,最高转速10000r/min,精度0.5%

3 振动噪声测试方案

试验目的是为了获取传动装置的振动和噪声信息,并进行测试信号的处理分析;对传动装置的综合性能进行评价,为齿轮传动的优化设计提供数据依据。试验测试系统构成如图3所示。

Lebow转矩转速传感器

图3 测试系统构成

半消声室

截止频率100Hz,自由场范围2.5m 2.5m

振动和噪声测试分析在B&KPULSE系统平台中完成;一套PULSE系统包括带有LAN接口的PC机、PULSE软件、Windows2000或XP、MicrosoftOffice和基于IDA的数据采集前端硬件。通过对振动噪声信号特征的提取,完成振动噪声信号的时域信号记录、功率谱分析、边频带分析、倒频谱分析、阶次分析及包络分析等;建立测试齿轮装置的特征参数及测试数据的数据库。

试验系统采用B&K11通道3560-C-E05+3039模块化数据硬件采集系统,11通道许可时域数据记录仪。采用集成电路式压电加速度计B&K4508采集振动信号;声音信号由B&K4189电容式自由场麦克风和B&K手持式分析仪拾取;模态试验的脉冲由力锤进行激振,力传感器拾取敲击力;测试对象的试验工况由Lebow动态转速扭矩传感器拾取。3.1 振动测试

振动信号是齿轮传动装置运行状态的载体。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动,若发生故障或存在设计缺陷,其振动信号的能量分布或频率成分就会发生变化;通过FFT频率分析系统进行振动信

[4]376-406号分析,获取齿轮传动系统的信息和数据。

根据选择的测试设备,设计试验系统的传动机构;初步确定结构形式和尺寸,以保证其外部零部件能正常安装;通过各部件的结构分析,合理布置加强筋板及支撑位置,并使其固有频率避开其上零部件运转时的激振频率。

2.2 试验测试环境

实验室采用半消声室声学环境,用于齿轮传动装置的噪声测试研究;根据GB/T6882 2008和JJF1147 2006对半消声室的声学特性进行确定和评价。

半消声室是在室内模拟半自由场空间,墙面吸声系数为99%以上,地面的反射系数为95%以上。用于半消声室的吸声材料或结构主要有多孔吸声材料、共振吸声结构及特殊吸声结构三大类。多孔吸声材料对低频声吸声性能较差;平板吸声不

图2 尖劈结构示意图

易破坏,减少了建筑尺寸,但缩小了自由声场范围。综合考虑,本半消声室选用吸声尖劈

[3]62-64,395-425

。

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传动系统结构振动的实时测试和分析,测试的内容包括振动的强度、频谱等;第二部分是测定齿轮装置的动态特性,采用多点激励多点响应试验模态及分析技术,通过测试得出的系统固有特性。3.2 噪声测试

试验系统的齿轮噪声测试分为声功率测试和频谱测试。声功率测试的目的是对齿轮装置的噪声水平进行评价;噪声频谱测试是为了了解噪声的成分和性质,它可以

[4]406-清楚地表示出一定频率范围内的声级分布情况。

430

布置5个测点(图4中所示)[5]。4.2 振动噪声测试结果

以被测变速箱一档在输入转速为3000r/min(转频f1=50Hz,啮合频率fM=550Hz),输出扭矩为50N m时测试为例;对其振动信号进行测试分析,并测试其声功率,评定其振动噪声指标。信号采样时取分析频率Fm=6.4kHz,谱线数M=1600。

齿轮箱支撑台架输入端轴承在竖直方向的频域波形如图5所示。

试验台对受试装置的声功率级测试,测点布置参照ISO3746 1995 声学声压法测定噪声源声功率级反射面上包络测量面的简易法 (具体可与用户企业协定);采用平行六面体法时试验台

图4 噪声测试测点位置示意图

图5 台架输入端振动信号频谱

噪声测试测点布置如图4所示。

被测对象的表面声压级Lpf(dB)

N0.1Lpi

Lpf=10lg(i 10)

N=1

式中 Lpi 第i个传声器位置测得的声压级

N 传声器位置数

在半消声室中,反射平面上方为自由场,声源的声功率级

Lw=Lpf+10lgS0 1m2

c1、c2 与气压及温度相对应的修正值如背景噪声级比被测齿轮装置运行时的声压级低20dB以上,可不作修正。

齿轮传动的噪声与振动有着密切的联系,而且相关性很好;噪声的频率一般较高,对应的振动幅值不大,在不易设置传感器的部位,可以考虑噪声测试方法。

S2

+c1+c2S0

在高转速时,台架虽然出现了明显的20ms的输入轴周期,但无明显的冲击脉冲,且冲击能量较小;试验台的平稳保证了测试的准确性。

变速箱输入轴轴承支撑处在竖直方向的振动信号时域波形和频谱图如图6、图7所示。

式中 S2 测量表面积,m2

图6 输入轴轴承支撑处振动信号时域波形

4 试验系统振动噪声测试实例

4.1 测试方法

试验台在初期运行过程中,对某汽车变速箱的振动噪声指标进行检测;模拟试验工况,测量其各个挡位下的振动噪声信号。试验分别参照GB/T6404.2 2005 验收试验中齿轮装置机械振动的测定 和GB/T6404.1 2005 齿轮装置空气传播噪声的试验规范 中相关规定;振动测试在输入轴及输出轴轴承支撑处

的;图7 输入轴轴承支撑处振动信号频谱

通过时域信号振动烈度与相对标准的对比,初步判定待测齿轮箱的工作状况。图7中 为齿轮副啮合频率及其高次谐波,O为轴频及其高次谐波;在图8的细化谱中( 为轴承外圈通过频率及其谐波成分),出现以2阶啮合频率为中心,轴频为调制频率的边频带。

60 机械传动 2011年

应的诊断决策[6]。

噪声测试试验主要进行齿轮箱声功率级的测试,得出齿轮箱的噪声指标。5个测点分别距齿轮箱所包络的矩形体各表面0.25m。各测点背景噪声声压级如图9,

背景噪声主要集中在低频部分。

图10 1挡1/3倍频带A声功率级(50N m)

5 结论

依托齿轮传动的振动噪声信号特征,设计了齿轮

图8 2

阶啮合频率处细化谱

传动装置振动噪声测试的试验系统,由振动噪声信号的频谱特征监测传动装置的运行状态。初步测试试验

数据表明:在本实验台测试得到的振动噪声信号的频率成份与齿轮传动装置内各运动部件的运行参数相一致,试验台上的振动噪声测试时可行的,具有较为实际的运用价值。

参

考

文

献

图9 各测点背景噪声A声压级

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[6] 丁康,李巍华,朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北

京:机械工业出版社,2005:10-133.收稿日期:20100927

作者简介:徐磊(1985-),男,河南新县人,硕士

倍频带的合成A声压级L=10lg[i 10=1

n

0.1(Lpi- Li)

]

式中, Li 第i个倍频带频率的A计权修正值。

图10为变速箱1挡在各转速、载荷50Nm时的1/3倍频带A声功率级。从图中可以看出,中高频噪声能量较强。使用计权网络或倍频程滤波器可得到计权声功率级。

运用信号处理技术分析和提取被测齿轮传动装置的内部信息,对比相应的设计指标和测试历史档案;借助计算机数据管理应用软件,为传动装置的状态监测

及优化设计提供数据基础。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xonj.html