通过监测电机的定子电流实现齿轮的故障诊断

齿轮是机械设备中最常见的传动部件，同时也是种易损件。研究齿轮故障对降低机械设备的维修费用，提高产品质量都很有意义。齿轮的缺陷或故障(如齿面损伤、裂纹、过度磨损乃至断齿等)最直接的动力学行为是反映在其传动轴的扭转振动上。本文围绕驱动轴扭振的间接测量和振动信号的测量，以及这些信号的处理、故障特征提取等方面展开工作，但由于直接测量齿轮的扭转振动比较困难且成本高，故作者提出了通过监测定子电流来实现对齿轮扭转振动的间接测量新方法，通过提取定子电流的信号特征实现齿轮的故障诊断。其主要思路为：齿轮的扭转振动通过回转轴引起电机气隙扭矩的波动，气隙扭矩的变化通过定子磁通引起定子电流的变化，因此通过对定子电流的频率成分的分析，就可以实现齿轮的故障频率的识别。

损伤齿轮的振动信号特征正常情况下，即齿轮良好啮合时，齿轮传动的振动主要是齿轮啮合激励振动，其主要成分为啮合频率及其谐波分量，其响应可表示为式中：x(t)为测得的振动信号X为第阶啮合频率谐波分量幅值O为第阶啮合频率谐波分量的相位f为齿轮啮合频率，f为齿轮所在轴的转频。

当齿轮存在偏心、点蚀和断齿时，振动信号产生幅值调制，幅值调制是因为齿面载荷波动对振动幅值的影响引起的。由于电机转速波动、齿轮加工误差、尺廓变形和轮齿弯曲等，导致了综合齿轮刚度的周期变化，使齿轮的振动产生频率调制。事实上，同转频率为25Hz的齿轮故障引起的。经过拆箱检查发现，齿轮1存在严重的点蚀磨损，与理论推断致。

综上可知，齿轮的扭振信息对齿轮的故障十分敏感，因此通过分析电机的定子电流监测齿轮的扭振就可以提取齿轮的故障特征。通过大量实验可以找到齿轮由正常到轻微损伤到最终破坏时定子电流信号的变化规律，当掌握了定子电流在齿轮各损伤阶段的信号变化特征时，就可以分辨出齿轮损伤的早期阶段的故障特征，从而尽早采取措施排除故障。

另外，当负载变化时，其变化频率亦可以通过传动系统被定子电流测得。般情况下，负载变化频率与齿轮的故障频率是不相同的。这样，在掌握了各齿轮的故障在定子电流的特征规律后，就可以进步分辨负载变化在定子电流中的特征，为测量负载的变化规律提供依据。

本文从理论和实践两方面同时证明了通过监测定了电流间接监测齿轮的扭转振动来实现齿轮的故障诊断的有效性和实用性。典型的齿轮故障诊断方法为通过安装在轴承座上的加速度传感器测量齿轮的振动信号，提取信号特征，对齿轮的故障进行诊断。但是，这种方法方面受现场限制，安装传感器不方便，另外，振动信号由齿轮传递到传感器的路径复杂，传递函数和齿轮箱的数学模型不容易求得，故目前采用的方法多为定性研究。而采用本文所提出的理论就可以解决上述问题，同时还可以实现远程诊断，具有较高的使用价值。