基于頻譜分析的天車主起升減速機故障診斷

呂艷春

（北京首鋼機電有限公司遷安機械修理分公司，河北 遷安 064400）

基于頻譜分析的天車主起升減速機故障診斷

呂艷春

（北京首鋼機電有限公司遷安機械修理分公司，河北 遷安 064400）

介紹了頻譜分析在齒輪箱故障診斷中的應用，闡述了齒輪箱故障診斷中的邊頻帶分析方法，列舉了齒輪箱的典型故障形式及故障特征頻譜。

頻譜分析；邊頻帶；減速機；故障診斷

一、頻譜分析在齒輪箱故障診斷中的應用

1.頻譜分析

頻譜分析是現代信號處理技術中最常用的重要方法之一，在現代工業實際應用及科學領域中都有廣泛的應用。振動信號的頻譜分析是齒輪故障信息的最基本、最重要的方法之一。

齒輪箱振動信號的頻譜成分十分復雜，除了明顯的嚙合頻率及其高階諧頻的譜線外，還有許多按一定規律分布的小譜線，這就是齒輪箱振動的邊頻帶譜。其產生是由于幾種動載同時作用在元件上，相互疊加產生了調制的結果。通常載頻為嚙合頻率及其高階諧頻或其他高頻成分，而軸的轉動頻率及其高階諧頻則為調制信號。

2.齒輪故障診斷中的邊頻帶分析

齒輪嚙合產生的振動信號的功率譜或頻譜中的主要頻率成分應當包含齒輪軸轉頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻。轉頻計算公式為：

式（1）中:

n——齒輪轉速，r/min。

定軸轉動齒輪嚙合頻率計算公式為：

式（2）中：

典型的齒輪嚙合振動信號頻譜圖包括：齒輪轉頻fr，齒輪嚙合頻率fg，以及齒輪嚙合頻率的2倍頻。齒輪在運轉時存在多個激勵源，所采集到的振動信號往往是以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調制頻率的已調制信號。在頻譜中則表現為在齒輪嚙合頻率及其諧波或齒輪各階固有頻率及其諧波周圍出現邊頻帶。

3.齒輪箱的典型故障及頻譜特點

在齒輪箱的部件失效中，齒輪、軸承所占的比重約為60%和19%，所以齒輪箱振動的故障診斷主要是齒輪和軸承的故障診斷。齒輪運行的主要故障有：齒輪磨損、齒面點蝕、齒面接觸疲勞和斷齒等。軸承的主要失效形式分為正常失效及非正常失效：正常失效形式包括疲勞剝落和磨損；非正常失效形式包括早期疲勞實效、早期磨損實效、燒傷、蠕動、零件的損壞等。

（1）齒輪磨損

由于長時間使用及受力不均勻等原因，齒輪的齒面容易發生磨損等現象。根據齒面磨損狀況的不同，磨損可分為均勻磨損和非均勻磨損。均勻磨損時，齒形無明顯的局部改變，運轉過程中不會出現明顯的沖擊，無明顯的調制現象，振動頻譜圖主要表現為嚙合頻率及其倍頻的幅值的增大。如果磨損繼續嚴重時，齒輪各階嚙合頻率幅值會明顯增大，且階數越高幅值增大越明顯，振動的幅值也會增大。磨損不均勻時，齒面出現明顯的局部改變，此時會出現嚙合頻率調制現象。

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（2）齒面點蝕

齒面輕微點蝕的頻譜結構表現為嚙合頻率及其倍頻附近存在數量少且分布稀疏的邊頻帶。點蝕較為嚴重時會出現較大的凹坑，齒輪在運轉過程中會出現較大的周期性沖擊，由于大的沖擊作用，可能會激起齒輪固有頻率的調制現象。

（3）滾動軸承故障

齒輪箱中滾動軸承故障也較為常見。滾動軸承由內圈、外圈、滾動體及保持架4部分組成。當滾動軸承的任一部分出現故障時，在頻譜圖上都會表現出一定的故障特征頻率，根據特征頻率即能準確定位軸承故障部位。無論外圈、內圈或滾動體故障時，通常都會產生以外圈固有頻率為載波頻率，以軸承通過頻率為調制頻率的滾動軸承外圈固有頻率調制現象。齒輪箱中滾動軸承故障時的激振能量要比齒輪或者軸系故障時的激振能量小的多，因此其故障振動信號也較難識別。

二、故障診斷實例

煉鋼350t天車作為煉鋼工藝的關鍵設備，該設備能否穩定運行直接關系到煉鋼生產穩定及現場生產、設備和人員的安全。由于350t天車結構型式及生產節奏的特殊性，不能按照更換周期進行更換和檢查，為了更好地監測其運行狀態，對350t天車進行了狀態監測及故障診斷。

1.振動測試參數的選取及測點的布置

測試過程中，分別對主起升減速機箱體的軸承位進行振動測試及沖擊脈沖測試。上升過程中測試垂直方向的振動及沖擊脈沖，下降過程中測試軸向振動。所采用的檢測儀器為“設備振動綜合分析儀”。振動測試參數包括：加速度、速度和位移，測點布置如圖1所示。

2.特征參數

被監測的天車主起升減速機齒輪箱的中心距α、模數mn、齒數z如表1所示。電機額定轉速為595r/min，總傳動比54.345。一軸、二軸的傳動比3.125。

（2）軸承型號及其故障特征頻率

被監測天車的主起升減速機的軸承型號如表2所示。

測試過程中，電機轉速約為575r/ min。根據軸承型號及軸的轉速算得的一、二軸軸承故障特征頻率如表3所示（表3中，FTF表示保持架故障通過頻率；BPFI表示內圈故障通過頻率；BPFO表示外圈故障通過頻率；BSF表示滾動體故障通過頻率）。

圖1 煉鋼350t天車主起升減速機測點位置示意圖

表1 齒輪箱技術特性參數表

表2 煉鋼350t天車主提升減速機軸承型號

表3 一軸、二軸上23036CC/W33軸承各部件的1倍通過頻率對照表

表4 各軸轉頻及軸上齒輪嚙合頻率的計算結果

3.嚙合頻率及邊頻的計算

測試過程中，電機轉速大約為575r/min。各對嚙合齒輪傳動比、各軸轉速及轉頻、各嚙合齒輪的嚙合頻率計算結果如表4所示。

4.測試工況及測試結果

圖2 測點1垂直方向振動測試結果

圖3 測點20垂直方向振動測試結果

圖4 測點2垂直方向振動測試結果

圖5 測點19垂直方向振動測試結果

圖6 一軸齒輪不均勻磨損照片

圖7 二軸大齒輪磨損照片

圖8 齒輪裂紋

文中信號均取自136#天車，測試工況為吊一空包（約110t），典型測點的測試結果如圖2～5所示。

5.測試結果分析

在該齒輪箱左側一軸、二軸的電機側及外側的頻譜結構中，均出現齒輪的嚙合頻率（約231Hz）及其倍頻，在嚙合頻率周圍出現邊頻（約9.5Hz），且邊頻間距大約為該軸（一軸）的轉頻，嚙合頻率幅值隨階數的增大而增大。因嚙合頻率邊頻的出現及嚙合頻率幅值隨階數增大而增大現象，判斷該軸上的齒輪存在磨損現象。在檢修過程中重點檢查齒輪的磨損情況以及齒輪箱內部各部件的連接、嚙合松動情況。

6.診斷結果驗證

煉鋼作業部及時對減速機齒輪箱進行了解體檢查，檢查時發現齒輪存在不均勻磨損現象（圖6～7）及裂紋（圖8）。

7.檢修后的測試結果對比

檢修后，測試結果如圖9～12所示。

由以上測試結果的振動頻譜圖可以看出，頻譜結構中以齒輪嚙合頻率為主，倍頻幅值隨階數增大而減小，未出現明顯的邊頻成分及其它明顯的特殊頻率成分。

三、結語

通過對煉鋼350t天車主起升減速機的監測及診斷，準確地判斷出被監測減速機中的齒輪存在齒面磨損現象，通過對齒輪箱解體檢查，驗證了診斷結果的準確性。實踐證明，機械故障特征頻率周圍的邊頻帶譜及其諧波理論是進行齒輪箱故障診斷的重要依據，通過對振動信號進行頻譜分析能快速、準確地確定故障部位，為設備的日常檢修及維護提供了參考性意見，科學地指導維修作業。頻譜分析法能夠準確定位齒輪箱的故障部位，是一種有效的故障診斷方法。

事實上，天車測試難度大，影響測試結果因素多，僅通過一次測試即確定其運轉狀態有一定的難度。為了更好地監測其運行狀態，安裝在線監測及故障診斷系統是行之有效的方法，該方法既能實現實時的監測，準確記錄測試數據，避免測試過程中因人為原因造成的誤差，又解決了現場測試過程中給采集員帶來的安全問題。

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圖9 測點1垂直方向振動測試結果

圖10 測點20垂直方向振動測試結果

圖11 測點2垂直方向振動測試結果

圖12 測點19垂直方向振動測試結果

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1671-0711（2015）02-0036-04

2014-07-26）