基于倒頻譜分析的礦用重型減速器故障診斷研究

張禮才

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實驗室， 山西 太原 030032）

0 引言

礦用重型減速器是井下設(shè)備的關(guān)鍵傳動部件， 其可靠性直接影響煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程[1]。 一方面，礦用重型減速器服役環(huán)境復(fù)雜惡劣， 工作過程中受到交變的動態(tài)載荷，甚至沖擊載荷作用，其環(huán)境耐受力要求較高。 另一方面，礦用重型減速器振動信號復(fù)雜，存在多分量調(diào)制，甚至?xí)r變調(diào)制，故障診斷難度較大。 為此，本文以某型號礦用減速器為研究對象，構(gòu)建了振動測試系統(tǒng)，分析了減速器振動信號倒頻譜，診斷了減速器故障并分析了原因，提出了優(yōu)化改進(jìn)措施。 為礦用減速器可靠性提升奠定了基礎(chǔ)。

1 礦用重型減速器的故障診斷難點

與普通的定軸齒輪箱相比， 礦用重型減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含著多級傳動副和行星機(jī)構(gòu)，受到隨機(jī)載荷、交變載荷，甚至沖擊載荷作用，載荷幅值較大而且波動劇烈[2]。

礦用重型減速器在自身復(fù)雜的運(yùn)動特點和動力學(xué)本質(zhì)以及多變的環(huán)境激勵綜合作用下， 其振動信號的成分復(fù)雜性、時變性以及調(diào)制特征非常明顯，減速器故障特征頻率淹沒在復(fù)雜的振動信號里，故障診斷難度較大。

2 倒頻譜分析方法

倒頻譜又稱為對數(shù)功率譜、二次頻譜等。 倒頻譜分析是一種二次分析技術(shù)， 可以提取關(guān)注的頻率成份并降低了信號的信噪比， 它可以通過對功率譜對數(shù)值采用傅里葉逆變換得到。針對功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問題，使用倒頻譜分析非常有效，因此廣泛應(yīng)用于信號的故障診斷。

倒頻譜最原始的定義為對數(shù)功率譜的功率譜，在出現(xiàn)快速傅里葉變換（FFT）算法后，被重新定義為對數(shù)頻譜的傅里葉反變換。 設(shè)振動時域信號為x（t），則復(fù)倒譜為

信號的頻譜和對數(shù)頻譜為

式中：ln（A（f））是偶函數(shù)； φ（f）是奇函數(shù)。 故式（1）所定義的復(fù)倒譜實際上是實值函數(shù)。 在此基礎(chǔ)上，只取對數(shù)頻譜的幅值信息，得到實倒頻譜的定義

計算復(fù)倒頻譜時，要求對數(shù)頻譜是共軛偶函數(shù)，且實部、虛部都連續(xù)。 實際振動信號中，離散頻率之間的相位無定義，隨機(jī)信號成分的相位本身不連續(xù)，無法進(jìn)行相位展開，以至復(fù)倒頻譜編輯無法實現(xiàn)[3]。

3 重型減速器振動測試

3.1 重型減速器加載試驗

礦用重型減速器包括高速箱、低速箱，高速箱為輸入端，采用雙電機(jī)驅(qū)動，低速箱為輸出端，采用行星機(jī)構(gòu)輸出。采用雙電機(jī)對拖方式做減速器加載試驗，加載試驗臺見圖1。

圖1 減速器加載試驗

圖中：1 表示拖動電機(jī)，2 表示聯(lián)軸器，3 表示軸承座臺架，4 表示傳動軸，5 表示減速器安裝架，6 表 示 減 速 器，7 表 示 負(fù)載電機(jī)，8 表示軸承座。

由 圖1 得 知， 減 速器加載試驗臺為左右對稱結(jié)構(gòu)，對稱軸如圖1 豎直中心線所示。 減速器低速箱為圓柱體，對稱軸如圖1 下部橫向中心線所示。減速器6通過螺栓、定位鍵安裝在試驗臺架5 上，臺架5 固定在試驗臺面上，拖動電機(jī)1 通過聯(lián)軸器2、傳動軸4 與減速器6 輸入端聯(lián)接，傳動軸4 安裝在軸承座8 內(nèi)，軸承座8通過螺栓固定在臺架3 上， 臺架3 固定在試驗臺面上，負(fù)載電機(jī)7、減速器6 聯(lián)接方式與拖動電機(jī)1、減速器6聯(lián)接方式一致[4]。

測控臺通過指令控制拖動電機(jī)按照減速器額定輸入轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載電機(jī)通過傳動軸給減速器施加負(fù)載。

3.2 重型減速器振動測試

重型減速器振動測試系統(tǒng)由加速度傳感器、信號線、多通道測試儀、工控機(jī)及上位機(jī)軟件組成。

美國工程木協(xié)會(Engineered Wood Association，APA)已經(jīng)適應(yīng)了人造板行業(yè)的變化，同時堅持其核心原則。

采用壓電式加速度傳感器， 拾取測點振動加速度信號，壓電式加速度傳感器是一種可逆型換能器，由壓電材料制成，通過壓電效應(yīng)，將測點振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能信號輸出。

鑒于礦用重型減速器左右對稱結(jié)構(gòu)，在其高速箱、低速箱分別布置振動測點見圖2。

圖2 測點布置圖

圖中1 表示高速箱測點，2 表示低速箱測點。

測點1 布置在高速箱輸入軸的軸承座上， 測點2 布置在低速箱大錐齒輪軸承座上，工控機(jī)上安裝了振動測試上位機(jī)軟件，通過上位機(jī)軟件，控制多通道振動測試儀，完成振動信號采集、處理、顯示和存儲。

4 減速器振動信號倒頻譜分析

振動信號倒頻譜分析包括三步函數(shù)轉(zhuǎn)換， 第一步對振動信號作傅里葉變換，獲得振動信號頻譜。第二步對傅里葉變換后的頻譜進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換， 獲得dB 形式的功率譜，把卷積之后的頻譜之積轉(zhuǎn)換成頻譜之和。 第三步對功率譜作傅里葉逆變換， 將故障周期信號以頻率的倒數(shù)即倒頻率的形式呈現(xiàn)。

采集高速箱測點1、 低速箱測點2 振動加速度信號，運(yùn)算得到測點振動頻譜，見圖3、圖4。

圖3 高速箱測點頻譜

圖4 低速箱測點頻譜

由圖3、圖4 可知，高速箱測點振動主要頻率成分包括：445.3Hz、890.5Hz、1157Hz、1603Hz， 低速箱測點振動主要頻率成分包括：24.69Hz、121.4Hz、267Hz、445.3Hz、890.5Hz、1157Hz。 由減速器設(shè)計參數(shù)，計算各級傳動軸轉(zhuǎn)動頻率，齒輪嚙合頻率，與減速器測點振動頻譜做對比分析。減速器振動特征頻率成分統(tǒng)計見表1。

表1 減速器振動特征頻率

由減速器振動頻譜得知， 減速器主要振動頻率成分在頻譜圖上均有體現(xiàn)，究竟哪種特征頻率是故障成分，不能清晰分辨。此外，上述減速器測點振動頻譜還包含了復(fù)雜的邊頻成分，以及噪聲干擾成分。

對減速器測點振動頻譜進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，得到dB形式的功率譜，將功率譜再次進(jìn)行傅里葉逆變換，將故障周期信號以頻率的倒數(shù)即倒頻率的形式呈現(xiàn)[5]。 減速器測點振動信號倒頻譜見圖5、圖6。

圖5 高速箱測點倒頻譜

圖6 低速箱測點倒頻譜

由圖5、圖6 得知，減速器高速箱、低速箱測點倒頻譜突出的頻率成分為0.12s、0.25s、0.36s、0.62s、1.16s，經(jīng)換算對應(yīng)的頻率為：8.33Hz、4Hz、2.78Hz、1.61Hz、0.86Hz。 由減速器設(shè)計參數(shù)得知，8.33Hz 為高速箱至低速箱傳動軸的轉(zhuǎn)動頻率，4Hz、2.78Hz 為該頻率的分?jǐn)?shù)倍頻。0.86Hz 為減速器輸出端行星架轉(zhuǎn)動頻率，1.61Hz為該頻率成分的倍頻。

由減速器使用信息得知， 故障部位發(fā)生在高速箱至低速箱傳動軸、行星架軸承部位。與倒頻譜分析結(jié)果基本一致。

5 減速器故障原因分析及改進(jìn)建議

該礦用重型減速器高速箱體積較小， 低速箱體積較大，高速箱與低速箱聯(lián)接部較長，減速器工作過程中，高速箱端面固定，低速箱存在受到豎直方向作用力的情況，見圖7。

圖中：1 表示高速箱體，2 表示聯(lián)接部，3 表示傳動軸，4 表示低速箱體。 由圖7 可知，該礦用減速器可以簡化為力學(xué)懸臂梁模型，見圖8。

圖7 礦用重型減速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 礦用重型減速器力學(xué)模型

減速器在豎直載荷F 作用下， 發(fā)生撓曲，導(dǎo)致傳動軸發(fā)生彎曲，傳動軸上安裝的軸齒輪與高速箱齒輪、 低速箱齒輪嚙合精度下降， 產(chǎn)生不平衡力，導(dǎo)致傳動軸、齒輪發(fā)生故障[6]。

低速箱為輸出端，行星機(jī)構(gòu)布置在低速箱， 礦用減速器工作過程中， 行星機(jī)構(gòu)直接承受復(fù)雜的交變載荷以及沖擊載荷作用，引起行星機(jī)構(gòu)故障。

綜上所述，建議優(yōu)化減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短懸臂段長度，提高聯(lián)接部強(qiáng)度，從而減小聯(lián)接部撓曲變形量。 建議提高行星機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，提高行星機(jī)構(gòu)可靠性。

6 結(jié)束語

本文以某型號礦用重型減速器為研究對象，對其進(jìn)行了加載振動測試，采集了振動加速度信號并進(jìn)行了倒頻譜分析，獲得了減速器故障特征頻率，分析了減速器故障原因，并提出了改進(jìn)建議，得出結(jié)論如下：

（1）礦用減速器振動信號成分復(fù)雜，僅依靠傅里葉頻譜分析查找故障特征頻率是不充分的，倒頻譜分析，通過對信號的頻譜做加權(quán)運(yùn)算，將微弱的邊頻成分顯現(xiàn)出來，能夠有效診斷故障。

（2）通過倒頻譜分析，識別出該礦用重型減速器傳動軸轉(zhuǎn)頻、行星機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)頻為故障特征頻率，診斷結(jié)果與減速器實際使用故障基本一致。

（3）該礦用減速器可以簡化為力學(xué)懸臂梁模型，建議縮短懸臂段長度，提高聯(lián)接部強(qiáng)度、行星機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計，提高減速器可靠性。