基于頻譜分析的天車主起升減速機(jī)故障診斷

呂艷春

（北京首鋼機(jī)電有限公司遷安機(jī)械修理分公司，河北 遷安 064400）

基于頻譜分析的天車主起升減速機(jī)故障診斷

呂艷春

（北京首鋼機(jī)電有限公司遷安機(jī)械修理分公司，河北 遷安 064400）

介紹了頻譜分析在齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用，闡述了齒輪箱故障診斷中的邊頻帶分析方法，列舉了齒輪箱的典型故障形式及故障特征頻譜。

頻譜分析；邊頻帶；減速機(jī)；故障診斷

一、頻譜分析在齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用

1.頻譜分析

頻譜分析是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)中最常用的重要方法之一，在現(xiàn)代工業(yè)實(shí)際應(yīng)用及科學(xué)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析是齒輪故障信息的最基本、最重要的方法之一。

齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的頻譜成分十分復(fù)雜，除了明顯的嚙合頻率及其高階諧頻的譜線外，還有許多按一定規(guī)律分布的小譜線，這就是齒輪箱振動(dòng)的邊頻帶譜。其產(chǎn)生是由于幾種動(dòng)載同時(shí)作用在元件上，相互疊加產(chǎn)生了調(diào)制的結(jié)果。通常載頻為嚙合頻率及其高階諧頻或其他高頻成分，而軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其高階諧頻則為調(diào)制信號(hào)。

2.齒輪故障診斷中的邊頻帶分析

齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的功率譜或頻譜中的主要頻率成分應(yīng)當(dāng)包含齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻。轉(zhuǎn)頻計(jì)算公式為：

式（1）中:

n——齒輪轉(zhuǎn)速，r/min。

定軸轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪嚙合頻率計(jì)算公式為：

式（2）中：

典型的齒輪嚙合振動(dòng)信號(hào)頻譜圖包括：齒輪轉(zhuǎn)頻fr，齒輪嚙合頻率fg，以及齒輪嚙合頻率的2倍頻。齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在多個(gè)激勵(lì)源，所采集到的振動(dòng)信號(hào)往往是以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的已調(diào)制信號(hào)。在頻譜中則表現(xiàn)為在齒輪嚙合頻率及其諧波或齒輪各階固有頻率及其諧波周圍出現(xiàn)邊頻帶。

3.齒輪箱的典型故障及頻譜特點(diǎn)

在齒輪箱的部件失效中，齒輪、軸承所占的比重約為60%和19%，所以齒輪箱振動(dòng)的故障診斷主要是齒輪和軸承的故障診斷。齒輪運(yùn)行的主要故障有：齒輪磨損、齒面點(diǎn)蝕、齒面接觸疲勞和斷齒等。軸承的主要失效形式分為正常失效及非正常失效：正常失效形式包括疲勞剝落和磨損；非正常失效形式包括早期疲勞實(shí)效、早期磨損實(shí)效、燒傷、蠕動(dòng)、零件的損壞等。

（1）齒輪磨損

由于長(zhǎng)時(shí)間使用及受力不均勻等原因，齒輪的齒面容易發(fā)生磨損等現(xiàn)象。根據(jù)齒面磨損狀況的不同，磨損可分為均勻磨損和非均勻磨損。均勻磨損時(shí)，齒形無(wú)明顯的局部改變，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的沖擊，無(wú)明顯的調(diào)制現(xiàn)象，振動(dòng)頻譜圖主要表現(xiàn)為嚙合頻率及其倍頻的幅值的增大。如果磨損繼續(xù)嚴(yán)重時(shí)，齒輪各階嚙合頻率幅值會(huì)明顯增大，且階數(shù)越高幅值增大越明顯，振動(dòng)的幅值也會(huì)增大。磨損不均勻時(shí)，齒面出現(xiàn)明顯的局部改變，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象。

李克強(qiáng)總理在《2018年政府工作報(bào)告》中提出，加強(qiáng)新一代人工智能研發(fā)應(yīng)用，在醫(yī)療、養(yǎng)老、教育、文化、體育等多領(lǐng)域推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”。人工智能又一次在國(guó)家政策層面受到足夠的重視，互聯(lián)網(wǎng)期刊行業(yè)作為“互聯(lián)網(wǎng)+”政策下的受益者，作為與教育和文化息息相關(guān)的行業(yè)，在未來(lái)將會(huì)成為人工智能應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域。

（2）齒面點(diǎn)蝕

齒面輕微點(diǎn)蝕的頻譜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為嚙合頻率及其倍頻附近存在數(shù)量少且分布稀疏的邊頻帶。點(diǎn)蝕較為嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的凹坑，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大的周期性沖擊，由于大的沖擊作用，可能會(huì)激起齒輪固有頻率的調(diào)制現(xiàn)象。

（3）滾動(dòng)軸承故障

齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障也較為常見(jiàn)。滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體及保持架4部分組成。當(dāng)滾動(dòng)軸承的任一部分出現(xiàn)故障時(shí)，在頻譜圖上都會(huì)表現(xiàn)出一定的故障特征頻率，根據(jù)特征頻率即能準(zhǔn)確定位軸承故障部位。無(wú)論外圈、內(nèi)圈或滾動(dòng)體故障時(shí)，通常都會(huì)產(chǎn)生以外圈固有頻率為載波頻率，以軸承通過(guò)頻率為調(diào)制頻率的滾動(dòng)軸承外圈固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障時(shí)的激振能量要比齒輪或者軸系故障時(shí)的激振能量小的多，因此其故障振動(dòng)信號(hào)也較難識(shí)別。

二、故障診斷實(shí)例

煉鋼350t天車作為煉鋼工藝的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備能否穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到煉鋼生產(chǎn)穩(wěn)定及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、設(shè)備和人員的安全。由于350t天車結(jié)構(gòu)型式及生產(chǎn)節(jié)奏的特殊性，不能按照更換周期進(jìn)行更換和檢查，為了更好地監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)350t天車進(jìn)行了狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷。

1.振動(dòng)測(cè)試參數(shù)的選取及測(cè)點(diǎn)的布置

測(cè)試過(guò)程中，分別對(duì)主起升減速機(jī)箱體的軸承位進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試及沖擊脈沖測(cè)試。上升過(guò)程中測(cè)試垂直方向的振動(dòng)及沖擊脈沖，下降過(guò)程中測(cè)試軸向振動(dòng)。所采用的檢測(cè)儀器為“設(shè)備振動(dòng)綜合分析儀”。振動(dòng)測(cè)試參數(shù)包括：加速度、速度和位移，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2.特征參數(shù)

被監(jiān)測(cè)的天車主起升減速機(jī)齒輪箱的中心距α、模數(shù)mn、齒數(shù)z如表1所示。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為595r/min，總傳動(dòng)比54.345。一軸、二軸的傳動(dòng)比3.125。

（2）軸承型號(hào)及其故障特征頻率

被監(jiān)測(cè)天車的主起升減速機(jī)的軸承型號(hào)如表2所示。

測(cè)試過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速約為575r/ min。根據(jù)軸承型號(hào)及軸的轉(zhuǎn)速算得的一、二軸軸承故障特征頻率如表3所示（表3中，F(xiàn)TF表示保持架故障通過(guò)頻率；BPFI表示內(nèi)圈故障通過(guò)頻率；BPFO表示外圈故障通過(guò)頻率；BSF表示滾動(dòng)體故障通過(guò)頻率）。

圖1 煉鋼350t天車主起升減速機(jī)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表1 齒輪箱技術(shù)特性參數(shù)表

表2 煉鋼350t天車主提升減速機(jī)軸承型號(hào)

表3 一軸、二軸上23036CC/W33軸承各部件的1倍通過(guò)頻率對(duì)照表

表4 各軸轉(zhuǎn)頻及軸上齒輪嚙合頻率的計(jì)算結(jié)果

3.嚙合頻率及邊頻的計(jì)算

測(cè)試過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速大約為575r/min。各對(duì)嚙合齒輪傳動(dòng)比、各軸轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)頻、各嚙合齒輪的嚙合頻率計(jì)算結(jié)果如表4所示。

4.測(cè)試工況及測(cè)試結(jié)果

圖2 測(cè)點(diǎn)1垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖3 測(cè)點(diǎn)20垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖4 測(cè)點(diǎn)2垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖5 測(cè)點(diǎn)19垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖6 一軸齒輪不均勻磨損照片

圖7 二軸大齒輪磨損照片

圖8 齒輪裂紋

文中信號(hào)均取自136#天車，測(cè)試工況為吊一空包（約110t），典型測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖2～5所示。

5.測(cè)試結(jié)果分析

在該齒輪箱左側(cè)一軸、二軸的電機(jī)側(cè)及外側(cè)的頻譜結(jié)構(gòu)中，均出現(xiàn)齒輪的嚙合頻率（約231Hz）及其倍頻，在嚙合頻率周圍出現(xiàn)邊頻（約9.5Hz），且邊頻間距大約為該軸（一軸）的轉(zhuǎn)頻，嚙合頻率幅值隨階數(shù)的增大而增大。因嚙合頻率邊頻的出現(xiàn)及嚙合頻率幅值隨階數(shù)增大而增大現(xiàn)象，判斷該軸上的齒輪存在磨損現(xiàn)象。在檢修過(guò)程中重點(diǎn)檢查齒輪的磨損情況以及齒輪箱內(nèi)部各部件的連接、嚙合松動(dòng)情況。

6.診斷結(jié)果驗(yàn)證

煉鋼作業(yè)部及時(shí)對(duì)減速機(jī)齒輪箱進(jìn)行了解體檢查，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪存在不均勻磨損現(xiàn)象（圖6～7）及裂紋（圖8）。

7.檢修后的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

檢修后，測(cè)試結(jié)果如圖9～12所示。

由以上測(cè)試結(jié)果的振動(dòng)頻譜圖可以看出，頻譜結(jié)構(gòu)中以齒輪嚙合頻率為主，倍頻幅值隨階數(shù)增大而減小，未出現(xiàn)明顯的邊頻成分及其它明顯的特殊頻率成分。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煉鋼350t天車主起升減速機(jī)的監(jiān)測(cè)及診斷，準(zhǔn)確地判斷出被監(jiān)測(cè)減速機(jī)中的齒輪存在齒面磨損現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)齒輪箱解體檢查，驗(yàn)證了診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)踐證明，機(jī)械故障特征頻率周圍的邊頻帶譜及其諧波理論是進(jìn)行齒輪箱故障診斷的重要依據(jù)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析能快速、準(zhǔn)確地確定故障部位，為設(shè)備的日常檢修及維護(hù)提供了參考性意見(jiàn)，科學(xué)地指導(dǎo)維修作業(yè)。頻譜分析法能夠準(zhǔn)確定位齒輪箱的故障部位，是一種有效的故障診斷方法。

事實(shí)上，天車測(cè)試難度大，影響測(cè)試結(jié)果因素多，僅通過(guò)一次測(cè)試即確定其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)有一定的難度。為了更好地監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，安裝在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)是行之有效的方法，該方法既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，避免測(cè)試過(guò)程中因人為原因造成的誤差，又解決了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中給采集員帶來(lái)的安全問(wèn)題。

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圖9 測(cè)點(diǎn)1垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖10 測(cè)點(diǎn)20垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖11 測(cè)點(diǎn)2垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖12 測(cè)點(diǎn)19垂直方向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

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1671-0711（2015）02-0036-04

2014-07-26）