有關軋機變速箱振動故障的診斷分析

樊振龍

摘 要：對于制造、冶金等行業而言，變速箱是必不可少的一個設備，但變速箱自身的工作特點決定了它在長時間高負荷的工作條件下容易發生故障。故障診斷的手段有很多種，本文借助一個變速箱振動故障實例，詳細介紹了用信號分析法提取故障特征的診斷方法，為實際應用提供指導。

關鍵詞：變速箱；振動；故障；診斷

1 變速箱振動故障診斷的發展趨勢闡述

自20世紀70年代起，國外一些專門研究齒輪故障的專家學者把目光轉向變速箱，開始著手研究變速箱的特性和故障機理，研究內容包括對變速箱噪聲、油液、能耗等參數的分析。基于這些研究，專家學者給出了多項故障診斷方法。其中一些研究人員發現變速箱在工作時內部的零件會產生一定頻率和振幅的振動，當變速箱發生某些故障時，原來固定的振動就會發生變化。我們可以通過監聽采集變速箱振動參數的方法實現不停機狀態下的診斷，分析當前變速箱的狀態，找到故障發生的部位，提前預估變速器故障的嚴重程度和可能帶來的后果。這種方法發展到現在已經形成了一套嚴謹、可靠的理論體系，具有診斷準確、操作方便、經濟性好、對生產影響小等優點，已經被國內外廣泛使用。本世紀以來，隨著信息技術與計算機技術的不斷發展，變速箱振動故障診斷法的數據采集、數據處理與分析都可以利用計算機完成，正在逐步實現遠程診斷、智能診斷。

本文以酸軋機組軋機變速箱故障為例，使用振動信號頻譜分析的方法對變速箱故障進行診斷分析，是振動故障診斷信息化的一次嘗試。

2 軋機變速箱振動故障的診斷

2.1軋機變速箱的技術參數

本文所研究的變速箱位于冷軋酸軋工藝生產線的串列式連軋機上。

2.2 變速箱故障表現

現有一臺軋機4#主傳動的變速箱故障。起初故障現象表現為4#上工作輥軸發生斷裂，且該變速箱的輸出軸一端四個螺栓都產生了不同程度的開裂。后兩次對斷裂的主傳動工作輥軸和壓蓋螺栓進行更換，但故障仍舊兩次復發。這說明輥軸和螺栓的開裂不是因為零件老化或偶然因素導致的，有必要對變速箱進行全面分析，診斷根本原因所在。因此我們首先對該變速箱進行了細致檢查。設備運行維護記錄顯示，該變速箱首次發生故障時，變速箱輸出軸的四個壓蓋螺栓同時出現不同程度的開裂，且輸出軸的齒輪存在細微的磨損。首次更換壓蓋螺栓三個月后，檢查發現兩根螺栓又發生開裂；再次更換兩個月后，又發現有三根螺栓斷裂。截至目前已更換螺栓9根。

根據對現場保留的斷裂螺栓的觀察，不難發現這些螺栓的斷口存在疲勞輝紋，是明顯的疲勞斷裂情況。而且斷裂區都出現在壓蓋螺栓的螺紋根部或者倒角處。另外根據設備操作人員反饋得知，事故發生前后4#主傳動的變速箱振動變得更加明顯，聲音發生變化。根據以上調研結果，決定采用振動信號頻譜分析法在不停機的狀態下對變速箱的狀態進行監測診斷。

2.3變速箱現場振動測試

針對上文調查的結果，對振動測試的內容和實施方法進行設計。

2.3.1測試內容

由于選用的診斷方法是振動信號頻譜分析法，應選擇最具代表性的振動部位，采集分析變速箱輸出軸壓蓋螺栓斷裂的關鍵參數。具體需要采集的參數如下：螺栓拉力：需要采集四個壓蓋螺栓所受拉力的信號。總計四個力信號；螺栓振動：需要采集四個壓蓋螺栓頂部振動情況的信號。總計四個振動信號；軸承座振動：需要采集電機輸入軸承上軸承座的軸向、徑向振動信號，下輸入軸承座的軸向振動信號，以及上下輸出軸軸承座的軸向、徑向以及水平向振動信號。總計十個振動信號；扭矩：需要采集輸入軸與上輸出軸的扭矩信號。總計兩個扭矩信號；轉速：需要采集輸入軸的轉速信號，總計一個轉速信號。

2.3.2 測點布置

振動傳感器布置，本次振動測試所采用的振動傳感器為單向壓電式加速度傳感器。振動傳感器的具體位置分布見圖1-圖2所示。在電機的輸入端安裝了4個振動傳感器，對應1#至4#號測量通道，具體測點分布見圖1所示。在電機的輸出端我們安裝了2個振動傳感器，對應5#至10#號測量通道.

圖1 輸出端測點位置及詳解

在蓋板螺栓頂部安裝了4個振動傳感器，對應11#至號14#測量通道，具體測點分布見圖2所示。

圖2變速箱頂部及軸上測點布置及說明

扭矩傳感器，在輸入側軸承、輸出側上軸承上安裝共2個扭矩傳感器，對應通道15#、16#。具體測點分布見圖2所示。

應力傳感器，在兩根壓蓋螺栓上安裝共2個應力傳感器，對應通道17#、18#，具體測點分布見圖2所示。

轉速傳感器，在輸入側軸承上安裝1個轉速傳感器，對應通道19#，具體測點分布見圖2所示。

2.3.3測試前注意事項

在測點安裝傳感器時，首先我們要選取振動最明顯的部位，保證傳感器所采集的數據精確、具有參考價值。正如本次測試里我們選擇了螺栓、軸承座和電機軸承處安裝傳感器，能夠保證振動測試的成功。另外，在安裝傳感器時，要盡量選擇合適的表面。一般來說，傳感器在光滑、剛度高的平面上安裝更加牢固，振動能量損失小，測得數據不會產生較大偏差。

2.4變速箱振動測試結果與分析

下面開始對變速箱進行振動測試，對采集獲得的數據進行分析。這里分別對每個信號進行了時域分析和頻域分析。由于篇幅有限，這里僅詳細介紹振動信號和應力信號的測量結果，每種信號我們僅選擇一處測點進行闡述。

2.4.1振動信號

電機輸入端振動信號，這里選擇1#通道的測點1的數據進行分析，通過對1#到10#十個測點結果進行分析，我們發現：十個測點的結果都表明變速箱體發生顯著的振動現象；十個測點的時域信號幅值都與轉速呈正比例相關；十個測點的振動信號都在350Hz和它的倍頻處能量集中，產生峰值。

螺栓振動信號，這里我們選擇11#測點的數據進行分析。測點11#信號（壓蓋螺栓1#頂部正中部的振動信號）的時域圖和頻域圖如圖3所示：

圖3 測點11的振動時域及其頻域圖

通過對11#到14#四個測點結果進行分析，我們發現：四個測點的振動信號都在350Hz和它的倍頻處能量集中，產生峰值；

2.4.2 應力信號

這里我們選擇17#測點的數據進行分析，經過對17#、18#兩個測點的測量結果進行分析，我們發現：螺栓所受到的拉伸應力測量結果與螺栓的預緊力十分接近，且應力值隨轉速變化而發生變化；拉伸應力的變化幅度較小，該幅度不大于1t；根據對頻域圖的分析，可知螺栓所受的拉伸應力變化頻率極高，但能量較小。

2.5 分析結果

經過分析發現，壓蓋螺栓的固有頻率686Hz與箱體振動頻率699.5Hz非常接近，說明螺栓極有可能是受到機械共振的影響而發生斷裂的。變速器電機輸入端軸承齒輪嚙合部位處的振動頻率恰好出現該特征頻率，經進一步分析，發現此部位齒輪嚙合存在問題，嚙齒面接觸面積不夠大。

3 結語

針對所舉的故障實例，本文詳細介紹了振動故障診斷法方案設計、測點布置、測量與分析的完整過程，并找出了故障的根本原因，為工作人員徹底排除這一故障提供了有力幫助。

參考文獻：

[1] 陳濤，李林.基于振動信號分析的齒輪故障診斷方法研究[J].科技廣場.2011（09）：29-33.

[2] 賀文杰，Bajole Jtulien，Yoann Plassard，等.基于EMD和FFT的齒輪箱故障診斷[J].武漢工程大學學報.2011（01）：65-70.

[3] 岳桂杰，保承軍，谷莉.齒輪傳動失效分析[J].現代制造技術與裝備.

2011（01）：29-30.

[4] 周久華，米林，尹文杰.齒輪箱機械振動信號調制分析及其應用[J].內蒙古科技與經濟.2011（15）：76-78.

[5] 徐愛喜，王細洋，王敏.基于倒頻譜法在齒輪箱故障診斷中的應用[J].機械工程師.2011（02）：88-89.

[6] 陳漢新，王慶均，陳緒兵，等.基于解調振動信號特征提取齒輪箱的故障診斷[J].武漢工程大學學報.2010（09）：67-77.

[7] 申大勇.頻譜分析法在齒輪箱故障診斷中的應用[J].石油和化工設備.2010（03）：34-35.

[8] 崔剛.時域分析的多數據融合故障診斷方法[J].山東冶金.2009（06）：

62-63.

[9] 周曉鋒，史海波，尚文利，等.基于階次分析理論的變速器故障判別實現方法[J].計算機應用研究.2012（08）：2967-2969.

[10] 宋慶華.淺論齒輪箱中零部件的常見失效形式[J].科學大眾.2008

（10）：133-134.

[11] 張力.基于Labview的旋轉編碼器轉角及轉速測量儀的設計[J].三峽大學學報： 自然科學版.2008（03）：67-69.

[12] 魏秀業，潘宏俠.齒輪箱故障診斷技術現狀及展望[J].測試技術學報.2006（04）：368-376.

[13] 康海英，欒軍英，田燕，等.階次跟蹤在齒輪磨損中的應用[J].振動與沖擊.2006（04）：112-113.

[14] 萬德安，孫東繼，趙永杰.汽車變速箱故障診斷中的時域同步階次分析法的分析研究[J].計算機測量與控制.2006（03）：299-300.

[15] 丁保華，李占芳.齒輪箱故障診斷中振動信號處理方法綜述[J].煤礦機械.2005（08）：136-138.