張力拉矯機(jī)的二自由度行星齒輪減速箱故障診斷

簡(jiǎn)彥成，張國(guó)新

（馬鞍山馬鋼華陽設(shè)備診斷工程有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

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張力拉矯機(jī)的二自由度行星齒輪減速箱故障診斷

簡(jiǎn)彥成，張國(guó)新

（馬鞍山馬鋼華陽設(shè)備診斷工程有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

摘要：張力拉矯機(jī)是生產(chǎn)帶鋼非常重要的關(guān)鍵性設(shè)備，某鋼廠冷軋酸洗線的張力拉矯機(jī)主減速箱是二自由度差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)，行星包中的太陽輪、行星輪和大齒圈、行星架都同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)行軌跡復(fù)雜。為研究1#錐齒減速箱和主減速箱振動(dòng)大的原因，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)測(cè)試和頻譜分析，分析結(jié)論得出，引起主減速箱和1#錐齒減速箱振動(dòng)大的主要原因是主減速箱中行星包中齒輪嚙合不良，并且推測(cè)出行星輪有嚴(yán)重?fù)p傷。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，基于傳統(tǒng)的頻譜分析能夠識(shí)別出行星齒輪箱的故障。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；主減速箱；行星齒輪箱；二自由度；行星齒輪；太陽輪；故障診斷

在冷軋帶鋼的酸洗軋制工藝中,為了提高帶鋼表面酸洗質(zhì)量和獲得良好的板形,通常普遍使用拉伸彎曲矯直機(jī)，以下簡(jiǎn)稱為張力拉矯機(jī)。張力拉矯機(jī)是利用拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的疊加作用而使帶材產(chǎn)生彈塑性變形的，在酸洗線的入口段布置張力拉矯機(jī)用于破鱗,其目的是疏松并清除表面氧化層鐵皮和其他雜質(zhì)，同時(shí)消除板面的瓢曲和浪邊、浪形，從而獲得改良板形和更好的產(chǎn)品質(zhì)量，可見機(jī)組的正常運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)至關(guān)重要[1]。

某鋼廠冷軋酸軋線張力拉矯機(jī)主減速箱屬于集中驅(qū)動(dòng)加二自由度差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)，圖1為張力拉矯機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，小電機(jī)經(jīng)過小減速箱減速后，最終變?yōu)橹鳒p速箱行星包中太陽輪的輸入轉(zhuǎn)速；主電機(jī)經(jīng)過主減速箱減速后，可以得出行星包中大齒圈的轉(zhuǎn)速，行星架的轉(zhuǎn)速是以太陽輪轉(zhuǎn)速和大齒圈轉(zhuǎn)速合成的，并輸入到1#錐齒輪減速箱，又經(jīng)過1#直齒減速箱減速后傳遞到1#、2#入口張力輥。同理，3#、4#出口張力輥的轉(zhuǎn)速是經(jīng)過主減速箱、2#錐齒輪減速箱、2#直齒輪減速箱依次遞進(jìn)減速確定的。這樣，通過一套差速機(jī)構(gòu)（二自由度行星包）連接到傳動(dòng)鏈中，保證了入口和出口張力輥組間輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的同步性，從而穩(wěn)定了帶鋼內(nèi)部的張力和精準(zhǔn)的延伸率。

行星齒輪箱通常在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，不僅承受重載負(fù)荷，而且運(yùn)行工況交替變化頻繁，它是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)鏈中最為薄弱環(huán)節(jié)，其中太陽輪、行星輪、齒圈等關(guān)鍵零部件容易出現(xiàn)損傷故障，因此對(duì)行星齒輪箱開展振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷對(duì)于機(jī)組安全高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

圖1　張力拉矯機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

目前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)于定軸齒輪箱故障進(jìn)行過深入研究，并提出了一系列卓有成效的研究方法，但是對(duì)于行星齒輪箱故障研究較少，行星齒輪箱獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和各部件復(fù)雜的運(yùn)行軌跡，使得其振動(dòng)信號(hào)比定軸齒輪箱更為復(fù)雜，行星齒輪箱故障仍然存在很多問題值得深入研究。國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)研究都是針對(duì)單自由度行星齒輪箱各部件的故障進(jìn)行模擬、仿真的理論性研究或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，同時(shí)在理論上取得了一定的進(jìn)展[2–9]，但在工程實(shí)際中，由于行星齒輪箱特殊結(jié)構(gòu)和工況的復(fù)雜性，很難對(duì)其進(jìn)行精確的建模并推導(dǎo)出各行星包中各部件的故障特征頻率公式。

本文分析對(duì)象為2自由度行星輪系結(jié)構(gòu)的減速箱，其行星包中的太陽輪、行星輪、大齒圈都在同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)尚未出現(xiàn)針對(duì)2自由度行星齒輪箱各部件故障的理論和實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)也未出現(xiàn)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的2自由度行星齒輪箱故障診斷方面的研究。本文從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)張力拉矯機(jī)的2自由度行星齒輪減速箱進(jìn)行故障診斷分析。

1　張力拉矯機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及參數(shù)

圖1為酸洗線張力拉矯機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，張力拉矯機(jī)由主電機(jī)、主減速箱、小電機(jī)、小減速箱、1#和2#錐齒減速箱、1#和2#直齒減速箱和1、2、3、4張力輥等組成，圖中1—9數(shù)字代表機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置。

1.1張力拉矯機(jī)電機(jī)主要參數(shù)

主電機(jī)和小電機(jī)都為變頻電機(jī)。

主電機(jī)功率：900 kW；主電機(jī)最大轉(zhuǎn)速：1 350 r/min

小電機(jī)功率：30 kW；小電機(jī)最大轉(zhuǎn)速：1 750 r/min

1.2機(jī)組減速箱齒輪齒數(shù)

表1　機(jī)組減速箱齒輪齒數(shù)

2　張力拉矯機(jī)振動(dòng)問題描述

張力拉矯機(jī)1#錐齒輪減速箱和主減速箱的振動(dòng)值上升，對(duì)部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試。由于主電機(jī)小電機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，平穩(wěn)時(shí)間較短，在過帶鋼（規(guī)格：1 200 mm×2.2 mm，線速度200 m/min）時(shí)、主電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 039.5 r/min和小電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 490.2 r/ min時(shí)，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示主減速箱軸向振動(dòng)很大，其中5測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)速度為15.71 mm/s、7測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)速度為13.75 mm/s；同時(shí)1#錐齒減速箱9測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)也很大，振動(dòng)速度為11.73 mm/s，具體見表2所示。

表2　機(jī)組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值（振動(dòng)值為速度有效值）

振動(dòng)值超出了正常運(yùn)行時(shí)的國(guó)際振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果并從頻譜圖顯示可知，這些測(cè)點(diǎn)的主要頻率成分為198.5 Hz，并且198.5 Hz存在大量的邊頻帶5.94 Hz，但由于主減速箱是二自由度差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)，要明確主減速箱和1#錐齒輪減速箱的頻率成分是比較困難的，需要進(jìn)一步研究分析。

3　周轉(zhuǎn)輪系（行星齒輪結(jié)構(gòu)）原理

周轉(zhuǎn)輪系根據(jù)自由度數(shù)目可以作進(jìn)一步劃分，若自由度為1，則稱其為行星輪系。自由度為2，則稱其為差動(dòng)輪系[10]，圖2為差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2　差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

行星齒輪機(jī)構(gòu)的自由度公式為：F=3n-(2pL+ph)，由圖2從而易求得F=3×4-(2×4+2×1)=2。即機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目必須為2時(shí)，其機(jī)構(gòu)才有確定的運(yùn)動(dòng)形式。

差動(dòng)輪系屬于周轉(zhuǎn)輪系，周轉(zhuǎn)輪系和定軸輪系之間的根本區(qū)別在于前者中有轉(zhuǎn)動(dòng)的行星架，對(duì)于行星齒輪來說，由于它本身不僅圍繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，而且還繞著太陽輪公轉(zhuǎn)，因此行星齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算方法與普通的定軸輪系計(jì)算方法不同。但是，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)若給整個(gè)周轉(zhuǎn)輪系加上一個(gè)公共角速度“-ωH”,使之繞行星架的固定軸線回轉(zhuǎn)，這時(shí)各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)仍將保持不變，而行星架的角速度變?yōu)榱?，原運(yùn)動(dòng)中的行星架從運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)。三個(gè)齒輪相對(duì)于行星架H的角速度，即為它們?cè)谵D(zhuǎn)化輪系中的角速度，從而轉(zhuǎn)化輪系的傳動(dòng)比可以按照定軸輪系來計(jì)算，即為

若ω1、ω2、ω3及ωH中有兩者是已知的（包括大小和方向），就可以求得第三者（包括大小和方向）。

太陽輪與行星輪以及行星輪與大齒圈相嚙合的節(jié)點(diǎn)線速度相等，所以由式（1）、式（2）可得式（3）從而可以求得行星包的嚙合頻率。

4　減速箱特征頻率計(jì)算及其譜圖

當(dāng)主電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 039.5 r/min、小電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 490.2 r/min時(shí)：

（1）輸入軸1軸的轉(zhuǎn)頻為

（2）輸入軸1軸和輸出軸2軸齒輪的嚙合頻率為

（3）輸出軸2軸的轉(zhuǎn)頻為

（4）大齒圈的轉(zhuǎn)頻為

（5）太陽輪的轉(zhuǎn)頻為

由于太陽輪與大齒圈、行星架的旋轉(zhuǎn)方向相反，可記作太陽輪的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椤?”，則大齒圈、行星架的轉(zhuǎn)向都為“-”，

（8）行星包的嚙合頻率為

（9）1#錐齒輪減速箱的嚙合頻率為

圖3、圖4、圖5可知，主減速箱5、7測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)頻譜主要頻率成分為行星包的嚙合頻率198.5 Hz、二倍頻397 Hz以及三倍頻595.5 Hz和四倍頻，且以行星架輸出為轉(zhuǎn)頻（5.940 Hz）的邊頻帶較豐富，其為調(diào)制頻率。輸入軸1軸和輸出軸2軸齒輪的嚙合頻率796.5 Hz能量非常弱，同時(shí)7測(cè)點(diǎn)軸向波形圖有明顯的沖擊信號(hào)，其沖擊間隔即為5.940 Hz，也即為行星架輸出轉(zhuǎn)頻。

圖3　主減速箱5測(cè)點(diǎn)軸向頻譜圖

圖4　主減速箱7測(cè)點(diǎn)軸向頻譜圖

圖5　主減速箱7測(cè)點(diǎn)軸向波形圖

由圖6可知，1#錐齒減速箱9測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)頻譜的主要頻率成分為行星包的嚙合頻率198.5 Hz及其二倍頻，且所占能量較大；同時(shí)該頻譜也顯示了1#錐齒減速箱的嚙合頻率168.4 Hz及二倍頻337.3 Hz，但能量較小。

圖6　1#錐齒減速箱9測(cè)點(diǎn)水平方向頻譜圖

綜合以上測(cè)試分析，可以判斷主減速箱的主要頻率成分為行星包的嚙合頻率，且以行星架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率，其邊頻帶非常豐富，可以推斷主減速箱的振動(dòng)大是由于行星包的嚙合不良導(dǎo)致的。同時(shí)推斷出1#錐齒減速箱水平振動(dòng)大是由于主減速箱的振動(dòng)經(jīng)過行星架輸出傳遞給1#錐齒減速箱的。波形圖和頻譜圖都非常清晰的顯示了以行星架輸出（5.940 Hz）為調(diào)制的邊頻帶，又由于行星輪是安裝在行星架上定位的，可以推斷行星架中的某行星齒輪有嚴(yán)重?fù)p傷，從而導(dǎo)致行星包嚙合不良，這是導(dǎo)致主減速箱和1#錐齒輪減速箱振動(dòng)大的最主要原因。

5　診斷結(jié)論驗(yàn)證

通過停機(jī)對(duì)張力拉矯機(jī)主減速箱中行星包揭蓋檢查（如圖7、圖8、圖9所示）發(fā)現(xiàn)，行星包中的太陽輪有輕微損傷、而行星輪有嚴(yán)重?fù)p傷，其中行星齒輪齒面出現(xiàn)了嚴(yán)重的脫落和點(diǎn)蝕，如圖10、圖11所示，診斷結(jié)論得到驗(yàn)證。

6結(jié)　語

（1）對(duì)于自由度為2的差動(dòng)輪系相關(guān)頻率計(jì)算時(shí)（如行星包的嚙合頻率）需要弄清楚各個(gè)旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)方向，例如本文案例中需要弄清楚主電機(jī)和小電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向從而確定大齒圈和太陽輪的旋轉(zhuǎn)方向。由于主電機(jī)和小電機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的，在對(duì)主電機(jī)和小電機(jī)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，要在兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，以保證測(cè)試的同步性，只有這樣理論上才能準(zhǔn)確地計(jì)算出行星包的嚙合頻率，這為行星齒輪減速箱的準(zhǔn)確診斷提供重要的理論依據(jù)；

圖7　主減速箱中的行星包

圖8　主減速箱中的行星包

圖9　太陽輪

圖10　太陽輪齒面輕微損傷

圖11　行星輪齒面嚴(yán)重?fù)p傷

（2）由于行星包的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致行星包的低頻特征頻率成分污染嚴(yán)重，而行星包的故障特征頻率往往都是低頻，行星包的嚙合頻率能量通常也是非常微弱的，信號(hào)特征很不明顯，有效地識(shí)別行星包的各種頻率成分非常重要，對(duì)于行星包嚙合頻率能量較大時(shí)要引起足夠重視，有時(shí)為行星包內(nèi)部某些齒輪損傷造成的。

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中圖分類號(hào)：O422.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.037

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0173-04+191

收稿日期：2015-07-03

作者簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)彥成(1986-)，男，河南省淮濱縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。E-mail:jianyancheng@126.com

通信作者：張國(guó)新(1970-)，男，安徽省馬鞍山市人，本科，工程師，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

Faults Diagnosis for the 2-DOF Planetary Gearbox
of a Tension Leveller

JIAN Yan-cheng,ZHANG Guo-xin

(Huayang-Ma Steel Equipment Diagnosis Engineering Co.Ltd.,Maanshan 243000,Anhui China)

Abstract:Tension leveller is very important equipment for strip production.The main gearbox of the tension leveller of the cold-rolling mill of a steel plant is a 2-DOF difference gear-system.In the system,the sun gear,the planet gears,gear ring and planetary frame operate simultaneously.Their trajectories are very complex.In order to study the vibration causes of the 1#bevel gearbox and the main gearbox,their vibration signals were tested and analyzed.The results show that there exists poor gear meshing and the severe damage of the planet gears in the planetary gearbox.By inspecting the gearbox,the severe damage of the planet gears and weak damage of the sun gear were discovered.It is shown that the faults of planetary gearbox can be diagnosed based on traditional spectral analysis.

Key words:vibration and wave;main gearbox;planetary gearbox;2-DOF;planet gear;sun gear;faults diagnois