減速機故障診斷實例分析

張升華 王奉濤 徐 勇 張 濤 陳旭濤 王 貝

（1.大連理工大學機械工程學院振動工程研究所 遼寧大連 2.大連西太平洋石油化工有限公司 遼寧大連）

對減速機采取預防性維修，即周期性開箱檢測，不但費時費力，而且會導致整個生產線停產。主動維修是在不對減速機解體的情況下進行精確性維修，這依賴于準確的振動信號采集和正確的信號處理方法。

減速機主要由軸承、齒輪、軸及箱體組成，其中軸承和齒輪為易發故障部件。對石化廠1臺減速機進行振動信號的診斷分析，并應用LabVIEW開發針對軸承和齒輪的診斷分析系統，取得較好效果。

一、減速機常見故障

1.軸承常見故障

軸承由4部分構成，內環、外環、滾動體與保持架。軸承故障一般是這4種部件中的某個部件損壞所致。常見故障形式包括疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂、膠合以及保持架損壞。齒輪常見故障形式，輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合及齒面磨損。

2.減速機診斷方法

（1）幅值域分析。首先對采集得到的振動信號進行幅值域分析，包括RMS、峭度、峰值、峰峰值等。其中RMS和峭度值應用較多，ISO 10816給出用振動信號的RMS評價設備運行狀態的標準。Antoni J指出當振動信號峭度值＞3時，說明機組中有沖擊信號存在。當被診斷機組機殼較大時，采集得到的振動信號是經過衰減的，僅用振動烈度指標對機組運行狀態做評價是不完善的，頻譜分析是故障診斷的必備技術。

（2）頻譜分析。頻譜分析是減速機故障診斷最常用的方法之一。軸承發生某種故障時，頻譜圖中會出現相應的故障特征頻率。齒輪發生故障時，頻譜圖中會出現相應的圖譜。齒面點蝕、斷齒、不均勻磨損時，頻譜圖中嚙合頻率附近伴有軸頻的邊頻帶，應用解調技術可解調出軸頻。齒輪均勻磨損時，頻譜圖中無明顯沖擊、調制現象，嚙合頻率及其倍頻的幅值增大。

二、實例分析

減速機是石化廠的關鍵設備，對其進行長期狀態監測。采用DH5901動態信號分析儀，速度傳感器及加速度傳感器采集減速機振動信號，采樣頻率fs=2560 Hz，每通道采樣點數4096。應用振動速度信號表征減速機振動大小，應用振動加速度信號進行頻譜分析。

（1）測點布置。為了采集到準確的振動信號，首先要做到正確的測點布置，將傳感器放置到軸承座上采集信號，減速機振動測點布置如圖1所示。

圖1 減速機振動測點布置

減速機測點布置示意圖如圖 2 所示，1、2、3、4、5、6、7、8 為對應測點，此減速機為3級減速，共4根軸，最左側為輸入軸，最右側為輸出軸。

圖2 減速機測點布置示意圖

（2）減速機結構參數。在進行診斷分析前，要明確分析對象的結構及工況。此減速機中共有6個齒輪，按照從輸入到輸出的嚙合順序，各齒輪齒數如表1所示。按照上圖2所示測點，相應測點號對應的軸承型號如表2所示。

減速機中各軸軸頻。已知，減速機減速比16.26，輸出軸轉速n4=35 r/min，軸頻=轉速/60。根據齒輪齒數計算出各軸間的傳動比，計算各軸轉速及軸頻，設輸入軸至輸出軸轉速依次為n1，n2，n3，n4，軸頻依次為 f1，f2，f3，f4，各軸轉速及軸頻如表 3 所示。

表1 齒輪齒數

表2 軸承型號

表3 各軸轉速及軸頻

減速機中齒輪嚙合頻率。已知，齒輪嚙合頻率=軸頻×齒數，減速機中共3對齒輪嚙合，嚙合頻率分別為f12，f23，f34，計算得f12=253.1 Hz，f23=57.5 Hz，f34=19.72 Hz。

減速機中軸承故障特征頻率。查詢資料，計算減速機中各軸承故障特征頻率，各故障特征頻率如表4所示。

表4 軸承故障特征頻率 Hz

三、診斷結果

1.測試數據匯總

表5為測試數據表，由于篇幅限制在此僅展示部分測試結果數據。

表5 測試數據表

2.分析過程

在發現減速機斷齒故障前，已對此減速機進行了較長時期的狀態監測，根據歷史數據做出振動趨勢圖，如圖3所示。

直至2014.12.16發現減速機振動顯著增大，并在采集信號的時域圖中出現了較大的沖擊成分，判定減速機有某種故障存在。首先對各測點數據進行頻譜分析，比對軸承的故障特征頻率，在各頻譜圖中未發現軸承的故障特征頻率，排除軸承故障的存在。其次判斷齒輪是否有故障存在。

圖3 減速機振動趨勢圖

分析2號測點VG202-V振動加速度信號（圖4），振動時域波形中存在較大沖擊（圖5），振動頻譜圖形中嚙合頻率256.3 Hz處出現以第一根軸軸頻9.3 Hz的調制現象（圖6），信號Hilbert包絡譜中解調出9.375 Hz的軸頻及其倍頻，很明確地判定出第1根軸上齒輪斷齒。打開減速機機箱進行拆解，發現第1根軸上齒輪有斷齒，驗證了診斷的正確性。

圖4 振動時域波形

圖5 振動頻譜圖形

圖6 信號Hilbert包絡譜

圖7 轉速-振動圖

在診斷出減速機斷齒后，對該減速機進行了跟蹤測試分析。跟蹤測試中發現，當減速機輸出軸轉速超過50 r/min時，減速機振動顯著增大，而在＜50 r/min時，振動在可控范圍內，圖7為不同轉速下對應的振動值。提出將減速機輸出軸轉速定在50 r/min之內，廠方采取了此建議，將其定在35 r/min左右。

四、結論

綜合應用狀態監測和故障診斷知識能及時發現減速機故障存在，精確定位故障源，給出設備合理運行工況，留給廠方足夠的購買備件的時間，避免設備發生重大停機事故。