齒輪箱振動的故障診斷與分析

安 妮，徐建民

(1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074；2.武鋼股份公司設備維修總廠，湖北 武漢 430080)

0 引 言

齒輪箱作為主要機械傳動設備，被廣泛應用于現代冶金、化工、動力等工業領域[1-3].在冶金行業中，軋機齒輪箱長期在高速、重載荷條件下連續工作,容易出現故障，甚至引起生產事故，對生產有很大的影響.設備運行中，齒輪箱振動為常見故障之一，導致其部件疲勞破壞[4-7].本文以某酸軋機組齒輪箱故障為例，通過對軋機齒輪箱振動信號的頻譜分析進行故障診斷，并對斷裂螺栓的力學特性進行研究，找到螺栓斷裂的根本原因.

1 齒輪箱振動特征分析

軋機作為酸軋機組的核心設備，其運行狀態直接影響到產品的質量和產量.2010年5月，軋機4#機架齒輪箱連接螺栓斷裂事故，嚴重影響到該產線的正常生產，其后，齒輪箱螺栓斷裂事故頻頻發生，4#機架齒輪箱在1～5架中振動最為明顯，造成長時間停機搶修，給企業生產帶來了一定的影響.因此，公司在4#機架安裝在線監測系統，實現對4#機架齒輪箱的實時監控，從齒輪箱運行狀態著手，分析引起振動的因素和螺栓斷裂的根本原因.

齒輪箱故障診斷的常見方法是振動信號的頻譜分析法[6]，根據監測結果，軸承座軸向、徑向和水平方向(即軋制方向)振動信號的頻譜圖如圖1～3所示.

對比齒輪箱上各測點振動的頻域變化可以看出，振動信號在349.807 7 Hz、699.462 9 Hz以及其倍頻處能量集中且數值較大.根據齒輪箱各類零件損壞比例的統計，齒輪失效占60％，其次依次為軸承19％、軸10％、箱體7％、緊固件3％、油封1％.因此，確定進一步的研究方向為齒輪振動信號分析.

圖1 測點1(徑向)加速度頻譜圖

圖2 測點2(軸向)加速度頻譜圖

圖3 測點3(軋制方向)加速度頻譜圖

齒輪振動信號中包含多種頻率成分[8]，主要為以下3種：

(1)嚙合頻率為fm

式中：fz為齒輪回轉頻率，z為齒輪齒數，n為齒輪轉速(r/min).

(2)固有頻率

齒輪固有頻率一般為1～10 kHz，而且該齒輪箱的兩對齒輪質量大，這種包含固有頻率的高頻振動振幅較小，當經過曲折途徑傳到齒 輪箱時一般已經衰減了，多數情況只能測得齒輪的嚙合頻率.

(3)邊頻帶

齒輪的邊頻帶是判斷齒輪故障非常有價值的信息.齒輪的制造缺陷和安裝誤差都可能成為振動的激勵源，故障齒輪的振動信號表現為回轉頻率對嚙合頻率及其倍頻的調制，對于其頻譜而言，其譜線是以嚙合頻率fm為中心，以故障齒輪的轉頻fz為間距呈對稱分布的，一對邊頻可表示為fm±fz；如果有若干對邊頻，則可表示為mfm±nfz.邊頻帶反映了故障源信息，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，幅值的變化反映了故障的程度.

圖4 齒輪箱轉速信號

表1齒輪箱頻率對比

Table 1 Frequency comparison of gearbox

軸序號傳動比轉速轉頻/r·min-1嚙合頻率/Hz對應特征頻率/Hz齒輪1齒輪2齒輪1齒輪2齒輪1齒輪2Ⅰ輸入軸/3.558.499 4145.55348.475 4146.093 4349.807 7Ⅱ下輸出軸41304.8511.615 8145.55348.475 4174.6418.168 8//Ⅲ上輸出軸36364.8511.615 8174.6418.168 8//

從表1中可知，Ⅰ軸41齒同Ⅱ軸30齒齒輪的嚙合頻率均有對應特征頻率，說明該對齒輪嚙合存在一定的故障.圖5為測點1頻譜的頻率細化圖.觀察可知，在特征頻率349.807 7 Hz的兩側均有邊頻，間隔約為8.5 Hz；而這些邊頻均同Ⅰ軸41齒齒輪的轉頻(8.499 4 Hz)相近，因此可以判斷Ⅰ軸41齒齒輪可能出現故障，在嚙合過程中形成振動的激勵源.

圖5 測點1放大后的頻譜圖

2 螺栓力學特性分析

在找到引起齒輪箱振動的振源后，進一步對螺栓斷裂的原因進行分析.模擬工況建立力學分析模型[9-10]，在模型的下端面施加軸向約束，在其下螺紋面施加徑向約束，在上端面再施加958 kN拉力.按照實際的約束情況對螺栓加載預緊力,得出螺栓預緊力工況下模態的前5階振型圖(如圖6所示).

圖6 螺栓的前5階振型圖

由圖6可以得到螺栓預緊力工況下模態的前5階固有頻率值如表2所示.

表2 螺栓預緊力模態的前5階固有頻率

從螺栓預緊力工況下模態的分析結果(見表2)及其受力方式可知，螺栓的第3階固有頻率(685 Hz)與箱體振動特征頻譜(699.462 9 Hz)相當接近，螺栓長期在相近振動頻譜的工作環境下，極易發生機械共振,加速其失效斷裂.

根據各階固有頻率的振型圖,清楚地說明了齒輪箱振動時,螺栓上各個部分的振動幅度大小變化,以及每階振型的最大變形.

3 結 語

齒輪在制造、安裝過程中產生的誤差往往引起系統振動，在齒輪箱振動信號的頻譜圖上，這些故障信息反映在邊頻帶中，邊頻帶的間隔與故障齒輪的轉頻相吻合，通過頻譜分析法快速、準確的找到故障源.

文中所采用ANSYS模態分析方法，建立螺栓在模擬工況下的力學模型，計算出螺栓第3階固有頻率與齒輪箱振動主頻率相近，產生共振是導致螺栓斷裂的主要原因.這種方法也為今后解決此類工程問題提供了一種新思路.

參考文獻：

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