振動診斷技術在鑄造起重機主起升機構減速器狀態監控的應用

馬廣程 李 坦 褚雙學 王會明

寶鋼股份武鋼有限條材廠 武漢 430080

0 引言

近年來振動診斷技術廣泛應用于重要機械設備的監控、預報和故障識別判斷等方面，極大地提高了機械設備的維護效率和運行可靠性。減速器廣泛應用于各種機械設備，以實現降低轉速和增加轉矩的目的。減速器常見故障有齒輪故障、軸承故障、聯軸器安裝不對中等，故障點多、故障現象隱蔽,早期不易發現。運用振動診斷技術實施減速器狀態監控得到了越來越多設備維護方的認可。

1 振動診斷技術的原理

機械設備運行過程中存在不同程度的振動，振動是反映其運行狀態比較敏感的參數，即使發生微小的變化也往往能從振動信號中反映出來。不同轉速的機械設備會產生不同頻率、不同能量的振動，同一臺設備中，不同故障部件所產生的振動頻率和振動能量也不相同。設備振動信號中包括多種頻率成分，它們與設備的各種故障類型一一對應。識別出振動能量占主導地位的頻率能揭示設備故障的主因。大部分機械設備都適合采用振動測量方法進行狀態監控和故障診斷。機械振動診斷就是對設備的振動信號（振幅、頻率、相位）進行檢測、分析處理、故障識別和預報的技術，是一種現代化的設備管理方法。

2 測點布置的基本原則

齒輪及其負載是靠軸承支撐和傳遞的，軸承是反映設備振動情況的敏感點，同時也是損壞經常發生的部位。振動測量時，傳感器要盡量靠近軸承的承載區域，通常情況下軸承座是實施減速器振動測量最理想的部位。水平和軸向測點設置在軸承座中分面的下半部分為宜，垂直方向測點一般布置在軸承座的下部90°范圍內，軸承正下方敏感度最好。

測點布置應遵循傳遞路徑最短，剛性最大原則。即測點選擇要盡可能靠近振源，并減少信號在傳遞路徑上的空腔和隔層，以減少信號在傳遞過程中的能量損失。此外測點部位還應有足夠的剛度，保證傳感器與待測設備良好的接觸。

由于現場振動測量是在減速器運轉的情況下進行的，故在安置傳感器時必須考慮是否能夠保證檢測人員的人身安全。

減速器的振動特征有明顯的方向性，不同方向的振動信號包含著不同的故障信息。各種故障引起的振動在不同的方向上敏感性是不同的，因此每一個測點一般均應測量水平方向（H）,垂直方向(V)和軸向（A）3個方向。確定測點后應做好標記。

3 減速器振動信號的頻率特征

實施振動檢測前，應對所測減速器的振動信號頻率范圍做預估和計算，為選擇傳感器和測量儀器提供依據。為了防止漏檢故障信號而造成漏診，采樣頻率要高于最高頻率的2.56倍，一般5倍為宜，采樣長度至少包含1個以上的最低頻率信號周期，一般應包含2個以上最低頻率周期。

3.1 齒輪振動信號的頻率特征

3.1.1 齒輪嚙合頻率

齒輪嚙合頻率是由齒輪的嚙合運動產生，數值上等于齒輪的齒數乘以齒輪的旋轉頻率，1對運行中的齒輪，嚙合頻相同且總是存在的[1]。

式中：GMF為齒輪的嚙合頻率，Fr為齒輪轉頻，n為齒輪的轉速，Z為齒輪的齒數。

3.1.2 齒輪自振頻率

凡是有缺陷的齒輪，在運行中將激起齒輪的固有頻率。固有頻率的出現是齒輪失效的一個關鍵性指標，齒輪的固有頻率一般為1～10 kHz[2]。

3.1.3 齒輪邊頻帶

當齒輪存在故障時，因載荷波動產生幅值調制，因轉速波動產生頻率調制，由此在嚙合頻率或固有頻率兩旁產生一簇簇邊頻。

3.2 滾動軸承振動信號的頻率特征

滾動軸承回轉頻率即軸承內外圈的旋轉頻率為

式中：fr為軸承轉頻，n為齒軸承內圈或外圈的轉速。

內圈故障頻率即內圈上的某一損傷點與滾動體接觸產生的頻率為

可簡化計算為

式中：BPFI為軸承內圈故障頻率，fr為軸承轉頻，d為軸承滾動體的直徑，D為軸承節徑，α為軸承的接觸角，z為軸承滾動體的數量。

外圈故障頻率即外圈上的某一損傷點與滾動體接觸產生的頻率為

可簡化計算為

滾動體故障頻率即滾動體上某一損傷點與內外圈接觸產生的頻率為

保持架故障頻率為

可簡化計算為

4 減速器狀態異常分析

4.1 時域波形和時域指標分析

時域波形分析是較直觀的診斷方法，對于存在明顯特征的故障，可利用時域波形做初步和直觀的判斷。主要觀察信號的平穩性，幅值的變化范圍以及分析時域信號有無明顯的沖擊和異常。峭度為無量綱參數，反映了沖擊能量的大小，是故障診斷的常用時域指標[4]。正常情況下峭度一般不超過3.5，若峭度值過大表明減速器運行過程中存在較大的沖擊，存在故障的可能性較大。

4.2 減速器聯軸器不對中故障分析

如圖1所示，頻域波形在轉頻正弦波的基礎上附加了2倍轉頻的諧波。平行不對中情況在頻譜上徑向2倍轉頻、4倍轉頻振幅最大。存在角度不對中時軸向轉頻振幅較大，且隨著負荷的增大，振動幅值隨之增大。而轉速變化對幅值影響不大。

圖1 減速器聯軸器不對中故障特征

4.3 齒輪故障分析

齒輪是減速器的重要部件，其運行狀態的好壞直接影響到減速器的正常工作。鑄造起重機主起升機構減速器結構復雜，有多對齒輪同時運行，振源多。在振動頻譜中包含多個齒輪嚙合頻率及其調制轉速頻率，譜線密集且難以分辨，使故障識別難度較大。本文主要通過分析嚙合頻率幅值的消長和嚙合頻率諧波的分布判別齒輪狀態。

4.3.1 齒輪輪齒折斷

對減速器定期監測，將測得的振動信號頻譜與基準譜進行比較，分析譜圖中原有頻率的消長和新生頻率的萌生，斷齒故障通常會伴隨振幅的增加和譜圖的變化。

4.3.2 齒輪磨損

嚙合頻率幅值的變化，反映了輪齒均勻磨損引起的齒形變化，會產生嚙合頻率的諧波信號，甚至激起齒輪的固有頻率。齒形的變化使得嚙合頻率成分發生明顯的畸變,表現在諧波成分幅值的變化上，其高次諧波幅值增長高于嚙合頻率幅值的增長。齒輪在嚙合運轉時產生調制作用，在齒輪振動信號的頻譜上形成邊頻帶結構。齒輪故障與邊帶結構密切相關，齒輪故障會引起振動能量的增加，該情況通常反映在邊頻分量的變化上。故分析邊頻帶的存在和變化是現場診斷齒輪故障重要而有效的方法。

圖2 齒輪磨損故障頻率特征

4.3.3 齒輪不對中

齒輪不對中會激發2倍或更高階的嚙合頻，且都有邊頻。往往1倍嚙合頻較小，而2倍、3倍嚙合頻較大。

圖3 齒輪不對中故障頻率特征

4.4 滾動軸承故障分析

滾動軸承是齒輪軸的支承部件，基本結構包括內圈、外圈、滾動體和保持架。滾動軸承的振動頻率成分非常豐富，每一個元件都有各自的故障特征頻率。故通過振動分析可判斷軸承有無故障和具體損壞的元件。

滾動軸承的故障頻率分布往往在低頻和高頻2個頻段內都有表現。低頻段分析的頻率范圍在1 000 Hz以下,覆蓋軸承故障頻率。高頻段分析的頻率范圍在1 000～20 000 Hz，主要是固有頻率及其高次諧波[2]。在故障的早期，高頻段反映比較敏感，一般只能判別其總體狀態，即做出有無故障及其嚴重程度的結論，而低頻段分析一般可確定故障部位。

1）軸承外圈故障 軸承外圈有缺陷時在解調頻譜上可見軸承外圈故障頻率BPFO及其高次諧波。

2）軸承內圈故障 軸承內圈有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承內圈故障頻率BPFI及其高次諧波。對于內圈轉動的軸承，可能出現其轉頻的邊頻。

3）軸承滾動體故障 軸承滾動體有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承滾動體故障頻率BSF及其高次諧波，以及出現轉頻的邊頻。此外由于滾動體對外圈的碰撞強于對內圈的碰撞，在頻譜上還會存在BSF的半諧波。

4）軸承保持架故障 軸承保持架有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承保持架故障頻率FTF及其高次諧波。此外由于軸承潤滑不良也會引起保持架與滾動體直接接觸而出現保持架故障頻率。

5 診斷實例

如圖4所示，某廠280 t鑄造起重機主起升機構采用整體減速器結構形式，2臺電機通過制動盤聯軸器分別驅動減速器的2個輸入軸，減速器2個輸入軸通過2個同步齒輪聯接，保證2套傳動裝置的剛性同步，且這2套傳動裝置均安裝在1個箱體內。電控方面采用PLC、定子調壓裝置和編碼器等實現電機閉環控制。

圖4 280 t鑄造起重機主起升機構示意圖

減速器共有10根軸從左向右依次編號1～10，在10個軸承座位置分別設置垂直方向測點，用軸編號+V表示，水平方向測點用軸編號+H表示，軸向測點用軸編號+A表示。左側電機編號1號，右側電機編號2號。電機側為驅動端，另一側為自由端。使用容知RH1000振動檢測儀對減速器的振動加速度進行檢測。出于設備和人身安全考慮，測點布置在自由端軸承座位置。振動分析所需要的相關數據整理如表1所示。

表1 故障診斷所需的齒輪和軸承振動參數

現場檢測如圖5所示，在加速度2～20 K多時域波形中，沖擊信號比較明顯，且加速度最大值以測點6 V（第3行）為中心向兩側衰減，判斷沖擊源來自6 V測點位置，即電機2號同步軸自由端。

圖5 5～8測點長時域信號

圖6為垂直方向時域波形中有2倍滾動體故障特征頻率沖擊信號。圖7為電機2號同步軸自由端在2 000～5 000 Hz包絡解調，可解調出滾動體特征21.826 Hz及大量諧波，滾動體并帶有保持架邊帶3.271 Hz。

圖6 6V測點長時域信號

圖7 6V測點包絡分析

結論判斷電機2號對應齒輪箱同步軸6的軸承（型號：22332）滾動體發生剝落。打開減速器軸承端蓋檢查，發現同步軸6軸承多個滾動體存在表面剝落，與診斷結論一致。

6 結語

應用振動診斷技術能在減速器故障發生的早期發現異常，通過對異常的持續跟蹤，根據量化數據并結合相關經驗判斷故障發生的具體位置以及評估故障的嚴重程度，用以確定維修時機，降低停機損失和故障本身對減速器的損傷，確保減速器安全穩定的運行。同時可通過對同型設備、相同測量位置長時間的數據采集分析，建立該型減速器的診斷數據庫，通過設置合適的報警閾值實現在線監測、故障自動報警、智慧運維，進一步提升起重設備管理水平。