應(yīng)力波技術(shù)在復(fù)合行星齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用

康 洪

重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 重慶 401121

復(fù) 合行星齒輪箱涵蓋了定軸齒輪箱和行星齒輪箱，具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、承載能量更高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、冶金、建材和化工等各行業(yè)[1]，由于復(fù)合行星齒輪箱在極其復(fù)雜的變速變載工況下適應(yīng)性更強(qiáng)，使得其在部分行業(yè)的關(guān)鍵領(lǐng)域已經(jīng)完全替代了定軸齒輪箱。但復(fù)合行星齒輪箱在實(shí)際工作過(guò)程中，由于其工作環(huán)境惡劣，且工況復(fù)雜，導(dǎo)致關(guān)鍵部位的齒輪、軸承以及軸系極其容易出現(xiàn)故障，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)出現(xiàn)停工停產(chǎn)，從而帶來(lái)一些經(jīng)濟(jì)上的損失，所以對(duì)行星齒輪箱進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與故障診斷具有切實(shí)的理論意義[2]。

復(fù)合行星齒輪箱主要包括太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈組成的行星齒輪箱以及定軸齒輪組成。由于其在運(yùn)行過(guò)程中存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行故障診斷研究比較困難。目前，對(duì)齒輪箱在線監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究主要還是以振動(dòng)技術(shù)為主，前期通過(guò)采集器采集振動(dòng)信號(hào)之后，后期采用希爾伯特變換、小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解以及包絡(luò)濾波等一系列信號(hào)處理方法，提取出需要的故障特征信號(hào)，得到數(shù)據(jù)之后，還有學(xué)者進(jìn)行了更深入的研究。周建華等人[3]基于小波時(shí)頻圖和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，搭建了較為理想的行星齒輪故障診斷模型，最終通過(guò)試驗(yàn)證明該模型相比 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在魯棒性和準(zhǔn)確性上有所提升；王朝閣等人[4]通過(guò)建立多目標(biāo)優(yōu)化新指標(biāo)，采用一種參數(shù)自適應(yīng)的多點(diǎn)最優(yōu)最小熵反褶積方法，實(shí)現(xiàn)了行星齒輪箱微弱信號(hào)的提取；吳天舒等人[5]對(duì)應(yīng)力波在設(shè)備內(nèi)部的傳播理論進(jìn)行了研究，并成功將應(yīng)力波技術(shù)用于流程工業(yè)領(lǐng)域的部分設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)；李洪元等人[6]將應(yīng)力波技術(shù)用于冶金行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備軋機(jī)減速機(jī)上，且取得了良好的運(yùn)用效果。但目前還沒(méi)有研究學(xué)者或者工程技術(shù)人員將該技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)行星齒輪箱的在線監(jiān)測(cè)與診斷。筆者采用應(yīng)力波技術(shù)完成了對(duì)某水泥廠磨機(jī)復(fù)合行星齒輪箱的故障診斷。

1 應(yīng)力波技術(shù)的故障診斷

1.1 技術(shù)原理

在工業(yè)領(lǐng)域，齒輪嚙合、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)、葉片旋轉(zhuǎn)等都存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩部件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩擦與沖擊信號(hào)，并以一種高頻信號(hào)的形式向外傳播，這就是應(yīng)力波。應(yīng)力波信號(hào)主要反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從本質(zhì)上也是一種超聲能量脈沖群。應(yīng)力波來(lái)源于設(shè)備內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦與沖擊，可沿著固體介質(zhì)進(jìn)行傳導(dǎo)，且在傳播過(guò)程中無(wú)方向性 (如水波紋)。應(yīng)力波傳遞到殼體后，通過(guò)專有的應(yīng)力波傳感器拾取需要的應(yīng)力波信號(hào)，這樣就完成了初始信號(hào)的采集。應(yīng)力波傳感器采集設(shè)備的信號(hào)，就如通過(guò)麥克風(fēng)來(lái)聽(tīng)取設(shè)備內(nèi)部的聲音，傳感器只對(duì)通過(guò)其底部傳遞到壓電晶體的高頻內(nèi)部激波敏感，并在模擬信號(hào)調(diào)制器中通過(guò)高頻帶通濾波器進(jìn)行放大和濾波，以去除設(shè)備正常運(yùn)動(dòng)的低頻噪聲和振動(dòng)能量。所以專用的應(yīng)力波傳感器對(duì)設(shè)備自身的振動(dòng)信號(hào)以及外界環(huán)境的干擾信號(hào)都不敏感，從而更能精確地采集到故障診斷分析所需要的故障信號(hào)。

1.2 應(yīng)力波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

應(yīng)力波在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)如圖 1 所示，主要由應(yīng)力波傳感器、信號(hào)處理單元和控制顯示單元 3 個(gè)部分組成。應(yīng)力波傳感器安裝在與設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件剛性連接的表面，傳感器中的壓電晶體將應(yīng)力波振幅轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后在模擬信號(hào)調(diào)制器中通過(guò)高頻帶通濾波器進(jìn)行放大和濾波。模擬信號(hào)調(diào)制器的輸出是一個(gè)應(yīng)力波脈沖串 (Stress Wave Pulse Train，SWPT)，代表設(shè)備受到的沖擊和機(jī)械摩擦事件的時(shí)間歷史。數(shù)字處理單元通過(guò)分析 SWPT 來(lái)確定摩擦、沖擊事件產(chǎn)生的峰值水平和總能量。計(jì)算出的應(yīng)力波脈沖幅值 (Stress Wavepulse Amplitude Plitude，SWPA) 和 SWE 值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為歷史趨勢(shì)并與正常讀數(shù)進(jìn)行比較分析。脈沖信號(hào)處理完成之后，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)、包絡(luò)、FFT 變換、高斯密度函數(shù)統(tǒng)計(jì)等一些列信號(hào)處理之后，在控制顯示單元得到了應(yīng)力波能量圖、頻譜圖、直方圖等。

圖1 應(yīng)力波在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)Fig.1 Online stress wave monitoring and diagnosis system

2 工程試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 復(fù)合行星齒輪箱故障特征計(jì)算

復(fù)合行星齒輪箱傳動(dòng)如圖 2 所示，主要由定軸齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)組成。其故障特征頻率主要包括各級(jí)齒輪的嚙合頻率以及對(duì)應(yīng)每個(gè)齒輪的局部故障頻率。

圖2 復(fù)合行星齒輪箱傳動(dòng)Fig.2 Transmission of composite planetary gearbox

定軸齒輪傳動(dòng)由 2 個(gè)相互嚙合的圓錐齒輪組成。由于定軸齒輪在運(yùn)行過(guò)程中各齒輪的軸線相對(duì)于機(jī)架的位置都是固定的，所以定軸齒輪的特征頻率計(jì)算較為簡(jiǎn)便。在該傳動(dòng)模型中，以圓錐齒輪 Z1與電動(dòng)機(jī)輸入端通過(guò)聯(lián)軸器相連，定軸齒輪的故障特征頻率計(jì)算如下：

式中：i14為定軸齒輪傳動(dòng)比；ω1、ω2、ω3、ω4、z1、z2、z3、z4分別為齒輪的轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)齒輪的齒數(shù)，其中ω2=ω3；f12為一級(jí)定軸錐齒輪嚙合頻率；f34為二級(jí)定軸齒輪嚙合頻率。

行星輪系在傳動(dòng)過(guò)程中，行星輪存在自轉(zhuǎn)以及跟隨行星架一起的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故傳動(dòng)比的計(jì)算不能直接用定軸齒輪傳動(dòng)計(jì)算公式。在求解行星傳動(dòng)比時(shí)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，人為給行星傳動(dòng)系加上一個(gè)公轉(zhuǎn)速度“-ωH”，使得該轉(zhuǎn)速圍繞行星架的回轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，此時(shí)各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)仍然保持，而行星架的轉(zhuǎn)速變?yōu)?0，行星架就靜止不動(dòng)，從而將行星傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為定軸齒輪傳動(dòng)。針對(duì)原料磨中行星傳動(dòng)部分，太陽(yáng)輪-行星輪、行星輪-內(nèi)齒圈 2 種齒輪副中的嚙合頻率完全相等，只是齒輪的局部故障頻率會(huì)存在差異。因此根據(jù)行星輪系的轉(zhuǎn)換傳動(dòng)系統(tǒng)及定軸輪系傳動(dòng)比計(jì)算公式，得到行星齒輪傳動(dòng)系傳動(dòng)比及嚙合頻率。

根據(jù)上式得到了行星齒輪系的齒輪嚙合頻率及輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步求取各齒輪的局部故障頻率。齒輪的局部故障點(diǎn)會(huì)引起齒輪嚙合的異常沖擊，其異常沖擊的頻率等于在單位時(shí)間內(nèi)故障齒輪與其他齒輪的嚙合次數(shù)。定軸齒輪箱、齒輪的局部故障頻率等于齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率，對(duì)于行星輪系，各齒輪的局部故障頻率不僅與齒輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和太陽(yáng)輪齒數(shù)、行星輪齒數(shù)、內(nèi)齒圈齒數(shù)以及行星輪數(shù)量有關(guān)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到行星傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪局部故障頻率[7]：

式中：f5、f6、f7分別表示太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒圈的局部故障頻率，Hz；N為行星輪數(shù)量，個(gè)。

根據(jù)式 (1)～ (10) 計(jì)算得到原料磨復(fù)合行星齒輪箱特征頻率，如表 1 所列。

表1 復(fù)合行星齒輪箱特征頻率Tab.1 Characteristic frequency of composite planetary gearbox

2.2 特征數(shù)據(jù)識(shí)別與匹配

結(jié)合某水泥廠實(shí)際運(yùn)行情況及日常設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，基于應(yīng)力波的技術(shù)原理及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和量化旋轉(zhuǎn)式，根據(jù)往復(fù)式設(shè)備內(nèi)部不同部件間的摩擦和沖擊情況，在原料磨行星傳動(dòng)部分的齒圈測(cè)點(diǎn)外部間隔90°方向均勻布置了 4 個(gè)應(yīng)力波傳感器，在減速機(jī)輸入軸布置了 1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)布置如圖 3 所示。

圖3 原料磨減速機(jī)測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of testing points of reducer in raw material mill

按照上述測(cè)點(diǎn)安裝應(yīng)力波傳感器，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，調(diào)試軟硬件。最終經(jīng)過(guò)測(cè)試，得到該設(shè)備齒圈 4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖 4 所示。

圖4 應(yīng)力波監(jiān)測(cè)頻譜Fig.4 Stress wave monitoring spectra

對(duì)比原料磨減速機(jī)齒圈 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)和輸入軸測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波頻譜，結(jié)果顯示輸入軸測(cè)點(diǎn)頻譜無(wú)明顯異常，而齒圈 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出非常明顯 53.71 Hz 的特征譜線，且都存在倍頻信號(hào)，該信號(hào)占據(jù)所有故障信號(hào)的主導(dǎo)地位。故障信號(hào) 53.71 Hz 與表 1 中的行星傳動(dòng)的嚙合頻率 54.03 Hz 吻合，表明該故障來(lái)源于行星傳動(dòng)系統(tǒng)，推測(cè)行星輪系存在嚙合不良問(wèn)題。最終用戶檢修時(shí)，拆解了該減速機(jī)，發(fā)現(xiàn)行星輪軸承問(wèn)題導(dǎo)致行星輪和太陽(yáng)輪、內(nèi)齒圈之間的嚙合間隙發(fā)生變化，從而導(dǎo)致行星傳動(dòng)系統(tǒng)嚙合不良。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水泥行業(yè)原料磨減速機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在故障監(jiān)測(cè)與診斷時(shí)，該減速機(jī)故障信號(hào)微弱，且存在較多外界干擾，難以精確提取故障信號(hào)。通過(guò)采用一種基于應(yīng)力波技術(shù)的設(shè)備故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，完成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原料磨減速機(jī)故障診斷，成功提取出故障信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析，精準(zhǔn)定位到該故障信號(hào)的來(lái)源，最終通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了有效驗(yàn)證。通過(guò)該案例，有效驗(yàn)證了應(yīng)力波技術(shù)相比振動(dòng)技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確地提取復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備的故障信號(hào)，從而對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位與有效診斷，對(duì)原料磨減速機(jī)這類設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷，提供了一種有效的方法。