基于高頻振動信號的齒輪箱滑油壓力突降故障診斷

高洪濱，李城華，王艷武

(1.92601部隊，廣東 湛江 524009；2.91878部隊，廣東 湛江 524000；3.武漢東湖學院，湖北 武漢 430212)

高頻沖擊信號對于故障定位很有意義，振源一定在高頻沖擊信號最強烈的測點附近[1]。在振動位移、速度和加速度信號中，加速度信號更能突出高頻信號，因此一般采集高頻振動加速度信號來反映這種沖擊[2]。作為傳遞動力并進行轉速改變的傳動部件，齒輪箱廣泛應用于各類船舶主動力裝置中，也是最常發生故障而影響整個系統運行的一個部件[3]，因此開展主動力裝置齒輪箱故障診斷研究對保障船舶安全可靠運行具有重要意義。

由于齒輪箱應用廣泛，為保障各系統運行的可靠性，當前對齒輪箱故障診斷的研究較多。如運紅麗[4]、楊鵬[5]等人利用潤滑油監測技術，對風電機組齒輪箱故障診斷技術進行研究；王棟璀等針對最近鄰算法的缺陷提出了基于小波包和改進核最近鄰算法的風機齒輪箱故障診斷方法，為齒輪箱智能診斷技術的研究提供新思路[6]。劉漫等人針對風電機組齒輪箱故障頻發，采用基于小波降噪和BP神經網絡相融的方法開展風電機組齒輪箱故障診斷與研究[7]。楊明莉等人利用基于多尺度小波分析和希爾伯特變換的實時齒輪箱故障診斷方法，分析能量包絡譜相應的波形參數值來判定預測故障的類型[8]。李宏坤等人針對低速齒輪箱頻率特點，提出了基于參數優化的變分模態分解和循環自相關函數結合的故障診斷方法，并進行了仿真和實驗研究[9]。李娟等人針對齒輪箱振動信號背景噪聲問題，提出了基于群分解和平均差值形態算子的齒輪箱復合故障診斷方法，并進行了仿真實驗研究，為齒輪箱故障診斷提供了一種新方法[10]。周宇在對齒輪箱振動機理及故障類型分析的基礎上，開展多維向量特征提取方法研究，為列車齒輪箱故障診斷提供理論依據[11]。趙曉平等人針對大數據背景，提出了一種基于多任務深度學習模型的診斷方法，對齒輪箱的軸承及齒輪這2種目標的故障同時進行診斷研究，實驗結果表明，該方法實現了在多種工況、大量樣本下對齒輪箱內軸承和齒輪不同故障的準確診斷[12]。徐啟圣等人對風電齒輪箱狀態監測和故障診斷的研究現狀及發展趨勢進行研究預測，針對風電齒輪箱故障診斷提出 “五性三化” 的解決思路[13]。

上述針對齒輪箱故障診斷的研究成果，為齒輪箱故障診斷提供了堅實的理論基礎。對于船舶主動力齒輪箱的故障診斷，也可以借鑒相關研究成果。但是由于實際工況的改變，相關理論并不能直接在工程實踐中進行應用。本文則針對某船主動力裝置的2臺齒輪箱，在分析其具體結構的基礎上，基于實際特點開展基于振動測試的故障診斷分析，為工程實際中齒輪箱的故障診斷提供工程借鑒和參考。

1 初始檢測數據分析

該船主動力裝置2臺齒輪箱正常運行時采用軸帶滑油泵供油，該泵是三螺桿泵。如果滑油低壓導致降速故障，將自動啟動電動備用滑油泵供油。在不到2周時間內，左齒輪箱2次發生在線監控系統滑油低壓報警問題。對該齒輪箱的滑油管路、閥門和濾器進行了排查，未見異常。在齒輪箱額定轉速下，對軸帶滑油泵和滑油溢流閥進行了多次振動監測，最終找到了故障原因。

第一次在線監測系統壓力突降報警時，沒有來得及進行振動監測。據值班人員描述和查閱在線監控記錄，當時齒輪箱在額定轉速運行，在線監控系統突然顯示左齒輪箱滑油低壓報警。值班人員進行排查時，滑油壓力出現一個先上升、再進一步降低的過程，導致主動力系統故障降速。排查左齒輪箱滑油管路、閥門和濾器，未見異常。排查完畢后加速到額定轉速，油壓正常。連續多天運行正常。

恢復到額定轉速，油壓正常時，采用VIBXPERT Ⅱ振動頻譜分析儀采集了2臺齒輪箱軸帶滑油泵和滑油溢流閥的振動信號。泵測點在泵體非驅動端，測量方向為橫向(水平徑向)，溢流閥測點在溢流閥頂部，方向為垂向。對同一設備、不同狀態下的高頻振動信號進行比較，或者對同一型號的幾臺設備的高頻振動信號進行比較時，要盡量保證4個“一致”：被測設備工況一致,測點位置和測量方向一致,測量參數設置一致,傳感器固定方式一致。做到4個“一致”，高頻振動信號的比較才更有說服力。

左齒輪箱軸帶滑油泵振動烈度為10.4 mm/s，溢流閥振動烈度為40.7 mm/s；右齒輪箱軸帶滑油泵振動烈度為8.6 mm/s，溢流閥振動烈度42.7 mm/s。烈度值相差不明顯。壓力正常時，齒輪箱軸帶滑油泵加速度信號如圖1和圖2所示，均有明顯高頻沖擊，沖擊出現的頻率為螺桿泵2倍轉頻。這是因為主動螺桿為雙頭螺紋，每轉排油2次，沖擊是排油造成的，是正常現象[14]。壓力正常時，齒輪箱滑油溢流閥加速度信號如圖3和圖4所示，閥體上都沒有沖擊，說明此時溢流閥都沒有泄油。2臺齒輪箱軸帶滑油泵和滑油溢流閥振動信號無明顯差別，未見異常。

圖1 左齒輪箱軸帶滑油泵加速度信號(正常)

圖2 右齒輪箱軸帶滑油泵加速度信號(正常)

圖3 左齒輪箱滑油溢流閥加速度信號(正常)

圖4 右齒輪箱滑油溢流閥加速度信號(正常)

沒有進行任何檢修處理，設備自行恢復正常。說明故障是偶發性的，可能原因有：軸帶滑油泵問題、壓力傳感器誤報警、滑油溢流閥誤動作、管路進氣。查閱說明書，該齒輪箱安裝了5個滑油壓力傳感器，其中1個用于低壓報警，1個用于控制故障降速，這2個傳感器同時出現誤報警的概率不高。因此，軸帶滑油泵故障、溢流閥故障或者管路進氣的可能性較大。但是沒有采集到故障時的振動信號，無法準確判斷。

2 第二次故障數據分析

第一次故障12天后，在線監控系統再次顯示左齒輪箱滑油低壓報警。使用振動頻譜分析儀采集了低壓報警時左齒輪箱軸帶滑油泵和滑油溢流閥的振動信號。

低壓報警時，左齒輪箱軸帶滑油泵振動烈度為5.5 mm/s，滑油溢流閥振動烈度為19.5 mm/s，相比正常時明顯下降，但是振動烈度值穩定，泵體上的排油沖擊仍然正常。如果是管路進氣，振動一般不穩定，因此管路進氣的可能性不大[15]。泵體振動烈度明顯降低，可能是泵存在問題，也可能是滑油壓力低造成的，無法確定一定是泵的問題。

低壓報警時，左齒輪箱滑油溢流閥加速度信號如圖5所示。比較圖3和圖5，左齒輪箱滑油溢流閥正常時和故障時振動信號差別明顯。比較圖4和圖5，左齒輪箱滑油溢流閥故障時和右齒輪箱滑油溢流閥(正常)振動信號差別明顯。左齒輪箱滑油溢流閥振動加速度波形中存在明顯的高頻沖擊，沖擊出現的頻率不規律。說明即使壓力很低，左齒輪箱滑油溢流閥仍然在泄油，這正是壓力低報警的根本原因。

未進行檢修，壓力恢復正常水平后，再次測量軸帶泵和溢流閥振動。左軸帶泵振動烈度為10.0 mm/s，溢流閥振動烈度為28.1 mm/s，右溢流閥振動烈度為36.4 mm/s。振動加速度信號中仍然有高頻沖擊信號，但是沖擊出現的頻率明顯增加，且仍然不規律。這是因為壓力升高，溢流閥動作更為頻繁。說明左齒輪箱滑油溢流閥存在問題，導致非正常泄油。

圖5 左齒輪箱滑油溢流閥加速度信號(報警)

對故障滑油溢流閥進行了更換。更換后在同樣工況下再次測量溢流閥振動，結果如圖6所示。振動烈度為26.4 mm/s，加速度信號無沖擊。可以看出，左齒輪箱滑油溢流閥振動恢復正常。更換溢流閥后，左齒輪箱的滑油壓力一直正常。對換下來的故障溢流閥進行拆檢，發現內部有鐵屑，內部零件存在磨損。

圖6 左齒輪箱滑油溢流閥加速度信號(修理后)

3 結束語

針對某船舶主動力裝置齒輪箱出現滑油壓力突降并引發故障報警現象，采用VIBXPERT Ⅱ振動頻譜分析儀分別對初始狀態和故障狀態下齒輪箱振動加速度信號進行測量分析，發現齒輪箱溢流閥故障是系統故障主要原因，并建議進行更換。通過對檢修后振動信號監測分析發現結論正確。

1)齒輪箱高壓滑油突然排出，會在流經的設備零部件上激發出明顯的高頻沖擊響應，是否具有這個沖擊信號，以及沖擊信號的出現是否規律，對于滑油泵和滑油溢流閥的狀態判斷具有重要意義。此時測量高頻加速度波形最能反映這種沖擊。

2)設備振動的變化，不管是變大還是變小，都可能是故障的征兆，都要引起關注。與流體有關的故障尤其是這樣。

3)同一設備不同時刻振動信號的比較，同一型號設備之間振動信號的比較，對于基于振動信號的狀態監測與故障診斷意義重大。因此，重要設備正常情況下的振動波形和頻譜也要采集和保存，以便今后相對比較。高頻振動信號進行比較時，要盡量保證2次測量的工況一致、測點位置和測量方向一致、測量參數設置一致、傳感器固定方式一致。