低速重載齒輪箱軸承故障振動檢測與診斷實例

梁振東

（蘇州普迪美檢測技術有限公司，江蘇蘇州 215011）

0 引言

低速重載齒輪箱軸承一般承受較大的負荷和扭矩，在其運行過程中經常會出現局部點蝕、剝落以及滾子破碎等嚴重故障，一般此類齒輪箱通常用在一些大型的關鍵設備上，一旦發生故障，維修起來不但要花費大量的時間和費用，還會嚴重影響生產。案例所診斷的糧油大豆壓榨廠脫溶機減速機，通常維修需要（7～10）d。通過振動監測手段，能很好地掌握齒輪箱的運行健康狀態，合理安排檢修時間，避免重大停車事故。

低速重載齒輪箱軸承除了受軸承質量、安裝水平等影響外，通常還受設備帶重載頻繁啟動、潤滑油污染、高振動等因素的影響。軸承的疲勞、腐蝕、壓痕和膠合等隨著故障發展，通常會演變成磨損故障。

低速重載齒輪箱通常齒輪級數多、軸承多，運行過程中可能會產生各級齒輪嚙合頻率、各軸承故障特征頻率、各轉軸的轉動頻率等。頻率成分較復雜，在這些頻率中，通常高速軸齒輪缺陷嚙合產生的沖擊能量較大，產生的振動幅值也較大；低速軸軸承、齒輪缺陷產生的沖擊能量往往較小，產生振動幅值較小，這就往往容易被忽視而造成漏判。通過對振動頻譜和波形的分析，可以很好地找出故障源所在。對振動趨勢的監測，能較好地掌握故障的惡化情況。

1 低速重載齒輪箱振動檢測方法

低速重載齒輪箱的測點位置的選擇，最好能布置在承載區，以獲得最強的齒嚙合和軸承狀態信號。測量參數的選擇對故障的發現尤為重要，本文采用的是振動速度通頻振動和加速度長時間波形相結合。

對滾動軸承監測，可以用長時間波形監測異常沖擊。重點用振動速度來監測低速重載軸承損壞的中后期階段，當速度譜中出現了軸承故障特征頻率成分并伴隨邊帶時，軸承狀態已經非常糟糕。針對滾動軸承，速度譜最大頻率范圍可以參考10×BPFI（Ball Pass Frequency Inner Race，軸承內圈故障頻率），但不管選擇什么樣的頻率范圍，分辨率一定要足夠大。長時間波形持續的時間至少取測點所在轉軸轉動10轉所用的時間，當然持續時間越長越好，但數據量會比較大。

2 故障診斷實例

脫溶機是糧油大豆壓榨廠的關鍵設備，該設備能否正常運行，直接關系到全廠生產的持續進行。2013年12月26日對該臺設備包括電機和減速機進行了第一次振動檢測，經過分析，存在的問題除了聯軸器對中不良外，其他正常。2014年5月15日進行第二次振動檢測，齒輪箱的狀態與上次檢測時相比發生了明顯變化。經分析，是齒輪箱GB 2S軸上部軸承和GB 3S軸上部軸承出現了明顯故障，軸承內圈出現嚴重磨損，需計劃安排更換軸承。在加強監測下，監控運行到2014年6月28日按計劃返廠檢修，解體發現GB 2S軸上部軸承內圈磨損嚴重，GB 3S軸上部軸承內圈磨損嚴重，內圈在軸向上有一道整齊的斷裂裂痕，驗證了診斷的準確性。

脫溶機設備技術參數：電機型號YB2-400M-4，額定功率400 kW，額定轉速 1486 r/min，電機前軸承 NU322（SKF），電機后軸承 6322/C3（SKF）；減速機型號 4PKC 750NE（SEW），減速機額定功率400 kW，減速機速比145.686，傳動形式為蛇形彈簧聯軸器，設備安裝基礎類型為水泥剛性基礎。傳動結構和軸承型號見圖1。

2014年5月15日振動檢測時，發現減速機各測點頻譜中均出現22.45 Hz多諧頻振動成分，并伴隨2.09 Hz邊頻帶束，經過計算，22.45 Hz與GB 2S軸的支承軸承 NSK 23238CA在轉速124.4 r/min時內圈故障特征頻率相擬合，在軸承內圈故障特征頻率兩邊出現其所在轉軸（GB 2S）轉頻2.088 Hz的邊帶束（圖2），長時間波形圖中有明顯的轉頻沖擊信號(圖3）。說明軸承內圈損壞比較嚴重或出現了明顯磨損。

圖2 轉軸GB 2S頻譜

圖3 轉軸GB 2S長時間波形

在GB 3S軸上同時也檢測到5.588 Hz及多倍諧頻的振動成分，經過計算，此頻率與GB 3S軸的支承軸承SKF22348CC在轉速36 r/min時內圈故障特征頻率相擬合。但信號非常弱，如果分析時不小心可能會忽略掉。經過頻譜細化放大后可以清楚了解軸承故障特征頻率成分，并伴隨有GB 3S軸轉頻0.6 Hz的邊頻帶束（圖4），雖然信號很弱，考慮到該軸承所在處的轉速較低，結合以往的經驗，可以肯定該軸承內圈同樣出現了嚴重的故障。

圖4 GB 3S軸轉頻0.6 Hz的邊頻帶束

由于生產不允許停機，對齒輪箱進行監控運行，通過振動趨勢的監測發現，GB 2S T和GB 3S T軸承測點振動值在不斷抬升（圖5、圖6），說明軸承狀態在不斷惡化，在做好檢修的充分準備工作后于2014年6月28日按計劃停機檢修。

圖5 GB 2S T軸承振動趨勢

圖6 GB 3S T軸承振動趨勢

停機后減速機返廠檢修，解體檢查發現，GB2S上部和 GB3S上部軸承內圈均損壞嚴重，見圖7和圖8。

由于該工廠對狀態監測工作的高度關注以及密切配合，使得監測工作能夠準確掌握設備的運行狀況，給出合理的檢修時間建議，避免突發意外停車事故。然而，另一個大豆壓榨廠的脫溶機減速機軸承故障，提供了一個反面案例。2013年7月檢測時發現了GB2S軸軸承（SKF22328CC）出現了內圈故障特征頻率成分，并伴隨GB 2S軸轉頻的邊頻帶（圖9），建議停機檢查。但由于一直沒有采取行動，也沒有采取任何加強監測的手段，到9月由于軸承嚴重損壞導致齒輪嚴重損傷的二次破壞停車事故（圖10），對生產造成了嚴重的影響。

圖7 GB2S上部軸承內圈

圖8 GB3S上部軸承內圈

圖9 GB 2S軸軸承（SKF22328CC）頻譜

圖10 SKF22328CC軸承嚴重損壞

3 結束語

對于低速重載齒輪箱軸承用振動的方法進行監測，中前期故障是比較難發現的，所以重點監測軸承故障中后期。隨著故障的發展，到了故障中后期，振動加速度和包絡解調對故障特征的指示同樣不明顯，但可以作為趨勢跟蹤進行監測。在故障中后期，振動速度卻是一個非常有效的測量參數，當速度譜中出現了軸承故障特征頻率，可以說軸承的缺陷可以用肉眼能看得到了，此時就必須引起足夠的重視，當故障發展到速度頻譜中出現了軸承故障特征頻率并伴隨有邊頻帶，即使是振動幅值很小，換句話說就是建議必須盡快計劃更換軸承了，上述2個案例就是很好的說明。通過實際檢測案例發現，當在軸承內圈故障特征頻率兩邊出現轉軸轉頻的邊頻帶時，則是此類低速重載軸承損壞的一個比較明顯的特征。低速重載滾動軸承一旦出現故障，故障發展得較快，這就需要制定合適的檢測周期，特別是發現故障后更是如此。