有關(guān)軋機(jī)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(yè)而言，變速箱是必不可少的一個設(shè)備，但變速箱自身的工作特點(diǎn)決定了它在長時間高負(fù)荷的工作條件下容易發(fā)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(shí)例，詳細(xì)介紹了用信號分析法提取故障特征的診斷方法，為實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：變速箱；振動；故障；診斷

1 變速箱振動故障診斷的發(fā)展趨勢闡述

自20世紀(jì)70年代起，國外一些專門研究齒輪故障的專家學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向變速箱，開始著手研究變速箱的特性和故障機(jī)理，研究內(nèi)容包括對變速箱噪聲、油液、能耗等參數(shù)的分析?；谶@些研究，專家學(xué)者給出了多項(xiàng)故障診斷方法。其中一些研究人員發(fā)現(xiàn)變速箱在工作時內(nèi)部的零件會產(chǎn)生一定頻率和振幅的振動，當(dāng)變速箱發(fā)生某些故障時，原來固定的振動就會發(fā)生變化。我們可以通過監(jiān)聽采集變速箱振動參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)不停機(jī)狀態(tài)下的診斷，分析當(dāng)前變速箱的狀態(tài)，找到故障發(fā)生的部位，提前預(yù)估變速器故障的嚴(yán)重程度和可能帶來的后果。這種方法發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)形成了一套嚴(yán)謹(jǐn)、可靠的理論體系，具有診斷準(zhǔn)確、操作方便、經(jīng)濟(jì)性好、對生產(chǎn)影響小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國內(nèi)外廣泛使用。本世紀(jì)以來，隨著信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，變速箱振動故障診斷法的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析都可以利用計(jì)算機(jī)完成，正在逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、智能診斷。

本文以酸軋機(jī)組軋機(jī)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(jìn)行診斷分析，是振動故障診斷信息化的一次嘗試。

2 軋機(jī)變速箱振動故障的診斷

2.1軋機(jī)變速箱的技術(shù)參數(shù)

本文所研究的變速箱位于冷軋酸軋工藝生產(chǎn)線的串列式連軋機(jī)上。

2.2 變速箱故障表現(xiàn)

現(xiàn)有一臺軋機(jī)4#主傳動的變速箱故障。起初故障現(xiàn)象表現(xiàn)為4#上工作輥軸發(fā)生斷裂，且該變速箱的輸出軸一端四個螺栓都產(chǎn)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(jìn)行更換，但故障仍舊兩次復(fù)發(fā)。這說明輥軸和螺栓的開裂不是因?yàn)榱慵匣蚺既灰蛩貙?dǎo)致的，有必要對變速箱進(jìn)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(jìn)行了細(xì)致檢查。設(shè)備運(yùn)行維護(hù)記錄顯示，該變速箱首次發(fā)生故障時，變速箱輸出軸的四個壓蓋螺栓同時出現(xiàn)不同程度的開裂，且輸出軸的齒輪存在細(xì)微的磨損。首次更換壓蓋螺栓三個月后，檢查發(fā)現(xiàn)兩根螺栓又發(fā)生開裂；再次更換兩個月后，又發(fā)現(xiàn)有三根螺栓斷裂。截至目前已更換螺栓9根。

根據(jù)對現(xiàn)場保留的斷裂螺栓的觀察，不難發(fā)現(xiàn)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(qū)都出現(xiàn)在壓蓋螺栓的螺紋根部或者倒角處。另外根據(jù)設(shè)備操作人員反饋得知，事故發(fā)生前后4#主傳動的變速箱振動變得更加明顯，聲音發(fā)生變化。根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果，決定采用振動信號頻譜分析法在不停機(jī)的狀態(tài)下對變速箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測診斷。

2.3變速箱現(xiàn)場振動測試

針對上文調(diào)查的結(jié)果，對振動測試的內(nèi)容和實(shí)施方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1測試內(nèi)容

由于選用的診斷方法是振動信號頻譜分析法，應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)。具體需要采集的參數(shù)如下：螺栓拉力：需要采集四個壓蓋螺栓所受拉力的信號?？傆?jì)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?？傆?jì)四個振動信號；軸承座振動：需要采集電機(jī)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?？傆?jì)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?？傆?jì)兩個扭矩信號；轉(zhuǎn)速：需要采集輸入軸的轉(zhuǎn)速信號，總計(jì)一個轉(zhuǎn)速信號。

2.3.2 測點(diǎn)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(jī)的輸入端安裝了4個振動傳感器，對應(yīng)1#至4#號測量通道，具體測點(diǎn)分布見圖1所示。在電機(jī)的輸出端我們安裝了2個振動傳感器，對應(yīng)5#至10#號測量通道.

圖1 輸出端測點(diǎn)位置及詳解

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

圖2變速箱頂部及軸上測點(diǎn)布置及說明

扭矩傳感器，在輸入側(cè)軸承、輸出側(cè)上軸承上安裝共2個扭矩傳感器，對應(yīng)通道15#、16#。具體測點(diǎn)分布見圖2所示。

應(yīng)力傳感器，在兩根壓蓋螺栓上安裝共2個應(yīng)力傳感器，對應(yīng)通道17#、18#，具體測點(diǎn)分布見圖2所示。

轉(zhuǎn)速傳感器，在輸入側(cè)軸承上安裝1個轉(zhuǎn)速傳感器，對應(yīng)通道19#，具體測點(diǎn)分布見圖2所示。

2.3.3測試前注意事項(xiàng)

在測點(diǎn)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(shù)據(jù)精確、具有參考價值。正如本次測試?yán)镂覀冞x擇了螺栓、軸承座和電機(jī)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(shù)據(jù)不會產(chǎn)生較大偏差。

2.4變速箱振動測試結(jié)果與分析

下面開始對變速箱進(jìn)行振動測試，對采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這里分別對每個信號進(jìn)行了時域分析和頻域分析。由于篇幅有限，這里僅詳細(xì)介紹振動信號和應(yīng)力信號的測量結(jié)果，每種信號我們僅選擇一處測點(diǎn)進(jìn)行闡述。

2.4.1振動信號

電機(jī)輸入端振動信號，這里選擇1#通道的測點(diǎn)1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對1#到10#十個測點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)：十個測點(diǎn)的結(jié)果都表明變速箱體發(fā)生顯著的振動現(xiàn)象；十個測點(diǎn)的時域信號幅值都與轉(zhuǎn)速呈正比例相關(guān)；十個測點(diǎn)的振動信號都在350Hz和它的倍頻處能量集中，產(chǎn)生峰值。

螺栓振動信號，這里我們選擇11#測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測點(diǎn)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(diǎn)11的振動時域及其頻域圖

通過對11#到14#四個測點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)：四個測點(diǎn)的振動信號都在350Hz和它的倍頻處能量集中，產(chǎn)生峰值；

2.4.2 應(yīng)力信號

這里我們選擇17#測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過對17#、18#兩個測點(diǎn)的測量結(jié)果進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)：螺栓所受到的拉伸應(yīng)力測量結(jié)果與螺栓的預(yù)緊力十分接近，且應(yīng)力值隨轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生變化；拉伸應(yīng)力的變化幅度較小，該幅度不大于1t；根據(jù)對頻域圖的分析，可知螺栓所受的拉伸應(yīng)力變化頻率極高，但能量較小。

2.5 分析結(jié)果

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，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(jī)械共振的影響而發(fā)生斷裂的。變速器電機(jī)輸入端軸承齒輪嚙合部位處的振動頻率恰好出現(xiàn)該特征頻率，經(jīng)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)此部位齒輪嚙合存在問題，嚙齒面接觸面積不夠大。

3 結(jié)語

針對所舉的故障實(shí)例，本文詳細(xì)介紹了振動故障診斷法方案設(shè)計(jì)、測點(diǎn)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(xiàn)：

[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(xué)學(xué)報(bào).2011（01）：65-70.

[3] 岳桂杰，保承軍，谷莉.齒輪傳動失效分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備.

2011（01）：29-30.

[4] 周久華，米林，尹文杰.齒輪箱機(jī)械振動信號調(diào)制分析及其應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì).2011（15）：76-78.

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

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

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

[8] 崔剛.時域分析的多數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)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(xué)大眾.2008

（10）：133-134.

[11] 張力.基于Labview的旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版.2008（03）：67-69.

[12] 魏秀業(yè)，潘宏俠.齒輪箱故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào).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(yīng)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(jì)算機(jī)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(jī)械.2005（08）：136-138.