一種起重機減速器故障診斷試驗臺及測試方法*

黃浩奇，邱雪芳，胡勝江，龐 濤

（1. 浙江協成起重機械有限公司， 浙江嘉興 314112；2. 嘉興市特種設備檢驗檢測院， 浙江嘉興 314000）

0 引言

減速器是起重機械的重要零部件，工作頻繁，承受載荷大，負載變化多樣，加上一些不規范的操作（如打反車制停等），導致故障時有發生，需要經常檢查，保證安全運行。對減速器的全面檢查需要相應的吊裝工具打開減速器，這樣拆裝不便，費時費力，并存在一定的危險性，導致很少會對減速器進行全面檢查，使得一些問題難以及時發現和排除，易形成安全隱患。

振動和噪聲是評價減速器性能的重要指標，典型的故障診斷技術有：（1）簡易診斷，包括振平診斷和判定參數診斷，簡單地與正常信號作比較[1]；（2）時域分析，敏感性強，可突出故障特征信息特點，用于定性分析可能出現的故障[2]；（3）頻域分析，一般適用于平穩信號的分析，在高速、非平穩狀態下易出現混頻現象[3]；（4）時頻分析法，結合時域與頻域優點，全面描述和反映信號時頻聯合特征[4]，判定減速器某些故障的位置等信息[5]。這些方法仍以理論研究居多，且針對起重機減速器的研究多是對穩態環境下開展的，但這種減速器的故障往往是在升速或降速過程中較為明顯，上述分析方法不能很好地適用。

本文通過檢測減速器時域非穩態振動信號并轉換為角域穩態信號，采用變時基譜分析獲取豐富的振動狀態信息，運用時頻域的能量分布算法和能譜熵對起重機械的減速器振動特征信息進行提取，基于自適應學習算法可以實現減速器故障的智能識別與分析診斷，符合故障診斷技術的發展方向——基于多種模型算法結合的診斷技術[6-7]。這種方法需要建立一個試驗臺，將不同故障的減速器在試驗平臺上進行試驗，檢測振動信號、提取振動特征信息，并進行故障類型分類及程度判別，建立豐富的樣本庫。以后實際中檢測得到的減速器振動特征信息與樣本庫進行對比，判斷該減速器的故障類型、位置及嚴重程度。這種無需打開減速器就能夠判斷減速器是否存在故障的檢測手段，對減速器的日常檢查及檢驗檢測工作具有重要意義[8]。

1 試驗臺結構

試驗臺的結構示意圖如圖1所示，其長寬高為3350 mm×2360 mm×3800 mm，設計額定起重量為5 t，適配ZQ500、ZQ650等多個常見型號的減速器，起升高度2.75 m，最大起升速度6 m/min，滿足對采樣時長的要求。

控制柜1包含了PLC控制系統、繼電器、接觸器、電動機保護、短路保護等電氣設備。操作手柄2與控制柜相聯，控制機構的升降停止等。試驗臺本體由工字鋼及鋼板通過焊接或螺栓聯接而成，可以分為底座3、斜撐4、立柱5、橫梁6等幾部分。電動機7安裝在底座3上，輸出軸通過聯軸器8與制動器9 的制動輪盤相聯。減速器10 的輸入軸也與制動輪盤聯接，其輸出軸與卷筒11聯接。鋼絲繩12的一端纏繞固定在卷筒11上，另一端繞過橫梁6上面的定滑輪與吊鉤13上的動滑輪后，固定在橫梁6上。吊鉤13用以吊取試驗載荷。加速度傳感器14 通過磁鋼吸附在減速器10 箱體上，位置位于軸承上方。圖1 中有3 個齒輪軸，共計6 個軸承，對應安裝6 個加速度傳感器。數據采集卡15 接收加速度傳感器14 輸入的振動信號，經過抗混濾波等處理后，傳輸給上位機16。上位機根據相應的算法提取振動特征信息，并把相關信息分類入庫，也可以與原有的振動特征信息進行比較，判定該臺減速器的故障特性。

圖1 試驗臺結構

電動機7、制動器9、減速器10 及卷筒11 均安裝在試驗臺本體上，且可以在水平和垂直方向上進行調整，以適應不同型號的減速器尺寸，達到一機多用的目的。試驗臺樣機如圖2所示。

圖2 試驗臺樣機

2 試驗方法

試驗針對有故障及無故障兩類減速器樣本進行相同工況下的對比測試，其中無故障減速器樣本，采用起重機生產廠家未使用過的減速器；有故障減速器樣本主要來自于起重機維修廠家及起重機使用單位更換下來的舊減速器。測試步驟如下。

（1）將各個部件在試驗臺上安裝牢固，并將試驗臺金屬結構接地，防止漏電及工頻干擾。正式測試前，先控制起升機構空載上下運行，正常后，吊鉤上掛5 t 試驗載荷上下運行，確保正常使用。

（2）清潔減速器軸承上方的殼體位置，以利于加速度傳感器緊密吸附，減少安裝對測試精度的影響。將6個加速度傳感器分別吸附在各個軸承座外殼位置處并與數據采集系統相聯。

（3）機構空載起升下降3次，起吊5 t額定載荷起升下降3次，采集各個通道振動信號，用于后期變時基譜分析，以便能夠準確獲取減速器振動特征信息。

（4）對已測減速器進行開箱檢查、測量，分析減速器故障類型、嚴重程度、位置等，依據GB 6067.1-2010 《起重機械安全規程第1 部分：總則》 等相關標準對該故障分類標識，建立振動特征信息庫，作為今后判定減速器故障的參考樣本。至今已經建立兩種減速器型號、30 多個不同故障的樣本，可初步對這兩種型號減速器常見故障進行診斷。

3 試驗分析

選取同型號QZ500_31.5_3CA的新、舊兩臺減速器進行測試和分析。#1為使用過的舊減速器，出廠日期為1992年；#2為新減速器，2021年出廠，庫存樣品未使用。減速器相關參數如表1所示。

表1 減速器齒數和模數參數

減速器外殼安放加速度傳感器，測點位置如圖3 所示。測點1～6 分別位于輸入軸（軸1）、中間軸（軸2）、輸出軸（軸3）的軸承座外殼上表面。為避免由于振動信號在結構體內遠距離傳遞衰減而造成特征信息提取困難的不利因素，選擇測點1、2用于一級齒輪副Z1小齒輪故障診斷；測點3、4用于一級齒輪副Z2大齒輪以及二級齒輪副Z3小齒輪故障診斷；測點5、6用于二級齒輪副Z4大齒輪故障診斷。

圖3 振動傳感器測點位置

采用多通道同步數據采集系統，對各通道的振動信號和輸入軸轉速信號進行同步采集，基于變時基重采樣和離散傅里葉變化的算法[9]，計算獲得各測點位置處振動加速度的階比譜圖[10]，如圖4所示。圖中f軸1、f軸2和f軸3分別為軸1、軸2和軸3 的轉速對應的基頻。從測點1 和測點2 基于軸1 的階比譜（Z=14），以及測點3和測點4基于軸2的階比譜（Z=85）可以明顯看到，#1減速器與#2減速器相比，在Z、2Z、3Z、4Z…nZ階次處有較大的振動幅值。

圖4 各測點的階比譜

為了進一步分析各個齒輪的狀態，齒輪Z1對應測點1、2基于軸1 的階比譜，齒輪Z2和Z3對應測點3、4 基于軸2 的階比譜，齒輪Z4對應測點5、6 基于軸3 的階比譜。在階比譜中篩選n倍齒數的譜線，基于能量疊加原理，按下式計算等效振動幅值[11]，評價各個齒輪的振動沖擊程度。

式中：N為階比倍數；C1為某齒輪評價振動沖擊程度的測點號最小索引；Cn為某齒輪評價振動沖擊程度的測點號最大索引。

齒輪Z1對應測點號C1=1、C2=2，n=2；齒輪Z2對應測點號C1=3、C2=4，n=2；齒輪Z3對應測點號C1=3、C2=4，n=2；齒輪Z4對應測點號C1=5、C2=6，n=2。

表2 所示為#1 和#2 減速器樣本齒輪沖擊程度的計算結果。表中將舊減速器各齒輪的振動幅值與新減速器對應的各齒輪的振動幅值做對比可以看出，舊減速器兩組齒輪副的振動沖擊程度明顯大于新減速器，且Z1、Z2齒輪副表現更加突出，初步判斷舊減速器兩組齒輪副均存在缺陷，Z1、Z2齒輪副更加嚴重。同時與已建立的特征信息庫樣本的特征信息進行智能比對，初步判斷為齒面磨損。

表2 各減速器樣本齒輪沖擊程度評價表

拆開#1和#2減速器進行檢查、測量，發現#1舊減速器的箱體、軸、軸承無明顯缺陷，但齒輪均有不同程度的磨損，如圖5～6所示，轉動時齒輪嚙合存在間隙，小齒輪齒厚相較于未嚙合處有明顯變薄。#2新減速器無磨損及其他明顯缺陷。表3所示的實測值為#1減速器齒輪齒厚的實測值[12]（小齒輪跨2齒測量，大齒輪跨10齒測量），設計值為該減速器生產廠家提供的齒厚設計值（小齒輪跨2 齒，大齒輪跨10 齒，略去公差），設計值與實測值的差值設為齒厚磨損量。考慮到一級齒輪副模數為4，二級齒輪副模數為6，結合表3數據可以看出，小齒輪磨損大于大齒輪磨損，而且一級齒輪副的磨損程度遠大于二級齒輪副磨損程度，一級齒輪副產生的振動應大于二級齒輪副。

圖5 一級傳動小齒輪磨損

圖6 二級傳動小齒輪磨損

表3 齒厚測量數據mm

上述結果表明，通過檢測分析得到的振動信號階比譜圖及振動沖擊程度對減速器故障做出的診斷，與對減速器開箱檢查得到的內部實際故障是一致的，這種減速器故障診斷方法是切實有效的。

4 結束語

該起重機減速器故障診斷試驗臺，能夠模擬起重機減速器實際工作狀況，提出的測試方法結合變時基譜、離散傅里葉變化等分析方法能夠準確獲取減速器振動特征信息。依據建立的振動特征信息庫做出的故障診斷信息，與實際開箱檢查測量的結果一致，驗證了該方法的有效性。采用這種方法，無需對減速器進行開箱檢查，就可以對使用現場的減速器進行準確的故障診斷。方便、快捷的檢測方法可以促進起重機的使用、維保單位對減速器進行經常性的全面檢查，也為起重機檢驗單位提供了新的檢測手段，對保障起重機安全運行具有重要意義。