張力拉矯機的二自由度行星齒輪減速箱故障診斷

簡彥成，張國新

（馬鞍山馬鋼華陽設備診斷工程有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

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張力拉矯機的二自由度行星齒輪減速箱故障診斷

簡彥成，張國新

（馬鞍山馬鋼華陽設備診斷工程有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

摘要：張力拉矯機是生產帶鋼非常重要的關鍵性設備，某鋼廠冷軋酸洗線的張力拉矯機主減速箱是二自由度差動輪系結構，行星包中的太陽輪、行星輪和大齒圈、行星架都同時運轉，其運行軌跡復雜。為研究1#錐齒減速箱和主減速箱振動大的原因，對其進行振動信號測試和頻譜分析，分析結論得出，引起主減速箱和1#錐齒減速箱振動大的主要原因是主減速箱中行星包中齒輪嚙合不良，并且推測出行星輪有嚴重損傷。實際檢測結果表明，基于傳統的頻譜分析能夠識別出行星齒輪箱的故障。

關鍵詞：振動與波；主減速箱；行星齒輪箱；二自由度；行星齒輪；太陽輪；故障診斷

在冷軋帶鋼的酸洗軋制工藝中,為了提高帶鋼表面酸洗質量和獲得良好的板形,通常普遍使用拉伸彎曲矯直機，以下簡稱為張力拉矯機。張力拉矯機是利用拉應力和彎曲應力的疊加作用而使帶材產生彈塑性變形的，在酸洗線的入口段布置張力拉矯機用于破鱗,其目的是疏松并清除表面氧化層鐵皮和其他雜質，同時消除板面的瓢曲和浪邊、浪形，從而獲得改良板形和更好的產品質量，可見機組的正常運行對生產至關重要[1]。

某鋼廠冷軋酸軋線張力拉矯機主減速箱屬于集中驅動加二自由度差動輪系結構，圖1為張力拉矯機傳動結構簡圖，小電機經過小減速箱減速后，最終變為主減速箱行星包中太陽輪的輸入轉速；主電機經過主減速箱減速后，可以得出行星包中大齒圈的轉速，行星架的轉速是以太陽輪轉速和大齒圈轉速合成的，并輸入到1#錐齒輪減速箱，又經過1#直齒減速箱減速后傳遞到1#、2#入口張力輥。同理，3#、4#出口張力輥的轉速是經過主減速箱、2#錐齒輪減速箱、2#直齒輪減速箱依次遞進減速確定的。這樣，通過一套差速機構（二自由度行星包）連接到傳動鏈中，保證了入口和出口張力輥組間輥子轉速的同步性，從而穩定了帶鋼內部的張力和精準的延伸率。

行星齒輪箱通常在實際的工業生產過程中，不僅承受重載負荷，而且運行工況交替變化頻繁，它是整個傳動系統鏈中最為薄弱環節，其中太陽輪、行星輪、齒圈等關鍵零部件容易出現損傷故障，因此對行星齒輪箱開展振動監測診斷對于機組安全高效穩定運行至關重要。

圖1　張力拉矯機傳動結構示意簡圖

目前國內外科研機構對于定軸齒輪箱故障進行過深入研究，并提出了一系列卓有成效的研究方法，但是對于行星齒輪箱故障研究較少，行星齒輪箱獨特的結構和各部件復雜的運行軌跡，使得其振動信號比定軸齒輪箱更為復雜，行星齒輪箱故障仍然存在很多問題值得深入研究。國內外相關文獻研究都是針對單自由度行星齒輪箱各部件的故障進行模擬、仿真的理論性研究或實驗驗證，同時在理論上取得了一定的進展[2–9]，但在工程實際中，由于行星齒輪箱特殊結構和工況的復雜性，很難對其進行精確的建模并推導出各行星包中各部件的故障特征頻率公式。

本文分析對象為2自由度行星輪系結構的減速箱，其行星包中的太陽輪、行星輪、大齒圈都在同時運轉，其運動軌跡復雜，目前國內外文獻尚未出現針對2自由度行星齒輪箱各部件故障的理論和實驗研究，同時也未出現在實際工業生產中的2自由度行星齒輪箱故障診斷方面的研究。本文從工程實際應用出發，對張力拉矯機的2自由度行星齒輪減速箱進行故障診斷分析。

1　張力拉矯機傳動結構簡圖及參數

圖1為酸洗線張力拉矯機傳動結構簡圖，張力拉矯機由主電機、主減速箱、小電機、小減速箱、1#和2#錐齒減速箱、1#和2#直齒減速箱和1、2、3、4張力輥等組成，圖中1—9數字代表機組振動測點位置。

1.1張力拉矯機電機主要參數

主電機和小電機都為變頻電機。

主電機功率：900 kW；主電機最大轉速：1 350 r/min

小電機功率：30 kW；小電機最大轉速：1 750 r/min

1.2機組減速箱齒輪齒數

表1　機組減速箱齒輪齒數

2　張力拉矯機振動問題描述

張力拉矯機1#錐齒輪減速箱和主減速箱的振動值上升，對部分測點進行了振動測試。由于主電機小電機轉速是變化的，平穩時間較短，在過帶鋼（規格：1 200 mm×2.2 mm，線速度200 m/min）時、主電機轉速在1 039.5 r/min和小電機轉速在1 490.2 r/ min時，進行振動測試，測試結果顯示主減速箱軸向振動很大，其中5測點軸向振動速度為15.71 mm/s、7測點軸向振動速度為13.75 mm/s；同時1#錐齒減速箱9測點水平方向振動也很大，振動速度為11.73 mm/s，具體見表2所示。

表2　機組各測點振動值（振動值為速度有效值）

振動值超出了正常運行時的國際振動標準，根據振動測試結果并從頻譜圖顯示可知，這些測點的主要頻率成分為198.5 Hz，并且198.5 Hz存在大量的邊頻帶5.94 Hz，但由于主減速箱是二自由度差動輪系結構，要明確主減速箱和1#錐齒輪減速箱的頻率成分是比較困難的，需要進一步研究分析。

3　周轉輪系（行星齒輪結構）原理

周轉輪系根據自由度數目可以作進一步劃分，若自由度為1，則稱其為行星輪系。自由度為2，則稱其為差動輪系[10]，圖2為差動輪系結構簡圖。

圖2　差動輪系結構簡圖

行星齒輪機構的自由度公式為：F=3n-(2pL+ph)，由圖2從而易求得F=3×4-(2×4+2×1)=2。即機構的原動件數目必須為2時，其機構才有確定的運動形式。

差動輪系屬于周轉輪系，周轉輪系和定軸輪系之間的根本區別在于前者中有轉動的行星架，對于行星齒輪來說，由于它本身不僅圍繞自身的軸線自轉，而且還繞著太陽輪公轉，因此行星齒輪傳動比的計算方法與普通的定軸輪系計算方法不同。但是，根據相對運動原理，設若給整個周轉輪系加上一個公共角速度“-ωH”,使之繞行星架的固定軸線回轉，這時各構件之間的相對運動仍將保持不變，而行星架的角速度變為零，原運動中的行星架從運動變為靜止狀態。三個齒輪相對于行星架H的角速度，即為它們在轉化輪系中的角速度，從而轉化輪系的傳動比可以按照定軸輪系來計算，即為

若ω1、ω2、ω3及ωH中有兩者是已知的（包括大小和方向），就可以求得第三者（包括大小和方向）。

太陽輪與行星輪以及行星輪與大齒圈相嚙合的節點線速度相等，所以由式（1）、式（2）可得式（3）從而可以求得行星包的嚙合頻率。

4　減速箱特征頻率計算及其譜圖

當主電機在轉速1 039.5 r/min、小電機轉速在1 490.2 r/min時：

（1）輸入軸1軸的轉頻為

（2）輸入軸1軸和輸出軸2軸齒輪的嚙合頻率為

（3）輸出軸2軸的轉頻為

（4）大齒圈的轉頻為

（5）太陽輪的轉頻為

由于太陽輪與大齒圈、行星架的旋轉方向相反，可記作太陽輪的旋轉方向為“+”，則大齒圈、行星架的轉向都為“-”，

（8）行星包的嚙合頻率為

（9）1#錐齒輪減速箱的嚙合頻率為

圖3、圖4、圖5可知，主減速箱5、7測點軸向振動頻譜主要頻率成分為行星包的嚙合頻率198.5 Hz、二倍頻397 Hz以及三倍頻595.5 Hz和四倍頻，且以行星架輸出為轉頻（5.940 Hz）的邊頻帶較豐富，其為調制頻率。輸入軸1軸和輸出軸2軸齒輪的嚙合頻率796.5 Hz能量非常弱，同時7測點軸向波形圖有明顯的沖擊信號，其沖擊間隔即為5.940 Hz，也即為行星架輸出轉頻。

圖3　主減速箱5測點軸向頻譜圖

圖4　主減速箱7測點軸向頻譜圖

圖5　主減速箱7測點軸向波形圖

由圖6可知，1#錐齒減速箱9測點水平方向振動頻譜的主要頻率成分為行星包的嚙合頻率198.5 Hz及其二倍頻，且所占能量較大；同時該頻譜也顯示了1#錐齒減速箱的嚙合頻率168.4 Hz及二倍頻337.3 Hz，但能量較小。

圖6　1#錐齒減速箱9測點水平方向頻譜圖

綜合以上測試分析，可以判斷主減速箱的主要頻率成分為行星包的嚙合頻率，且以行星架轉頻為調制頻率，其邊頻帶非常豐富，可以推斷主減速箱的振動大是由于行星包的嚙合不良導致的。同時推斷出1#錐齒減速箱水平振動大是由于主減速箱的振動經過行星架輸出傳遞給1#錐齒減速箱的。波形圖和頻譜圖都非常清晰的顯示了以行星架輸出（5.940 Hz）為調制的邊頻帶，又由于行星輪是安裝在行星架上定位的，可以推斷行星架中的某行星齒輪有嚴重損傷，從而導致行星包嚙合不良，這是導致主減速箱和1#錐齒輪減速箱振動大的最主要原因。

5　診斷結論驗證

通過停機對張力拉矯機主減速箱中行星包揭蓋檢查（如圖7、圖8、圖9所示）發現，行星包中的太陽輪有輕微損傷、而行星輪有嚴重損傷，其中行星齒輪齒面出現了嚴重的脫落和點蝕，如圖10、圖11所示，診斷結論得到驗證。

6結　語

（1）對于自由度為2的差動輪系相關頻率計算時（如行星包的嚙合頻率）需要弄清楚各個旋轉部件的旋轉方向，例如本文案例中需要弄清楚主電機和小電機旋轉方向從而確定大齒圈和太陽輪的旋轉方向。由于主電機和小電機的轉速是變化的，在對主電機和小電機振動測試時，要在兩個電機轉速穩定時同時進行測試，以保證測試的同步性，只有這樣理論上才能準確地計算出行星包的嚙合頻率，這為行星齒輪減速箱的準確診斷提供重要的理論依據；

圖7　主減速箱中的行星包

圖8　主減速箱中的行星包

圖9　太陽輪

圖10　太陽輪齒面輕微損傷

圖11　行星輪齒面嚴重損傷

（2）由于行星包的特殊結構，導致行星包的低頻特征頻率成分污染嚴重，而行星包的故障特征頻率往往都是低頻，行星包的嚙合頻率能量通常也是非常微弱的，信號特征很不明顯，有效地識別行星包的各種頻率成分非常重要，對于行星包嚙合頻率能量較大時要引起足夠重視，有時為行星包內部某些齒輪損傷造成的。

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中圖分類號：O422.6

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.037

文章編號：1006-1355(2016)01-0173-04+191

收稿日期：2015-07-03

作者簡介：簡彥成(1986-)，男，河南省淮濱縣人，碩士研究生，研究方向為旋轉機械故障狀態監測與故障診斷。E-mail:jianyancheng@126.com

通信作者：張國新(1970-)，男，安徽省馬鞍山市人，本科，工程師，研究方向為旋轉機械故障狀態監測與故障診斷。

Faults Diagnosis for the 2-DOF Planetary Gearbox
of a Tension Leveller

JIAN Yan-cheng,ZHANG Guo-xin

(Huayang-Ma Steel Equipment Diagnosis Engineering Co.Ltd.,Maanshan 243000,Anhui China)

Abstract:Tension leveller is very important equipment for strip production.The main gearbox of the tension leveller of the cold-rolling mill of a steel plant is a 2-DOF difference gear-system.In the system,the sun gear,the planet gears,gear ring and planetary frame operate simultaneously.Their trajectories are very complex.In order to study the vibration causes of the 1#bevel gearbox and the main gearbox,their vibration signals were tested and analyzed.The results show that there exists poor gear meshing and the severe damage of the planet gears in the planetary gearbox.By inspecting the gearbox,the severe damage of the planet gears and weak damage of the sun gear were discovered.It is shown that the faults of planetary gearbox can be diagnosed based on traditional spectral analysis.

Key words:vibration and wave;main gearbox;planetary gearbox;2-DOF;planet gear;sun gear;faults diagnois