基于振動信號分析的齒輪箱工況診斷

黨彩霞

(上海寶華國際招標有限公司安徽分公司 安徽馬鞍山 243000)

預測性維護以設備持續性的工況參數為基礎，涉及對故障基本原因的監控和管理，實現延長設備使用壽命。在幾乎所有工業領域，主動維護方法目前每年可顯著節省機械維護成本。預測性維護需要監測機器狀態，即檢測可能出現故障的癥狀。該方法使用技術診斷儀器，可在工廠內所有機器上實施技術診斷。過程包括振動診斷、摩擦學、熱診斷、缺陷檢查等[1]、[2]。

振動被認為是可用于評估低頻動態條件的最佳操作參數，例如不平衡、不對中、軸承機械游隙、結構共振、基礎剛度不足、軸變形、軸承過度磨損或轉子葉片斷裂。由于旋轉機器的大多數故障都會導致過度振動，因此振動信號被用作檢測機器運行狀況的指標[3]、[4]。

不同機械故障或缺陷都會產生特定的振動曲線。例如，有局部缺陷的軸承，會以一定的頻率產生沖擊，振動曲線表現為復雜的調幅振動，振動特性與局部缺陷的位置相關[5]。為了能夠確定原因并選擇適當的補救措施，有必要確定故障類型。振動信號的分析側重于兩個分量，振幅和頻率。振動頻率是特定時間段內特定事件發生頻率的指示。故障類型可以通過振動頻率來表示。確定振動頻率后，可以更清楚地了解振動的原因[6]。

1 齒輪箱的主要診斷方法

1.1 波峰系數

波峰系數代表了滾動軸承診斷中使用的基本方法，該方法基于有效振動和峰值振動的測量以及振動峰值(PEAK)與均方根(RMS)之比的計算(圖略)。由于分析了這兩個值的比率，因此該方法與軸承類型和主軸速度無關。

1.2 高頻發射

高頻發射的測量基于振動能量在所有頻率范圍內隨著損壞的增加而增加的特征，該方法對潤滑失效較為敏感。發射的高頻能量根據有效值進行分析，并以重力加速度g為單位表示(圖略)。

1.3 包絡分析

振動信號和包絡分析的融合方法，可以在對振動信號降噪后提取出故障的特征頻率，將提取的故障特征頻率與真實特征進行交叉對比，由此來判定軸承不同位置的故障類型。由于設備不同部件相對主軸有不同的相對線速度，因此包絡分析與FFT(快速傅里葉變換)分析結合后，還可確定軸承的損壞部位，如內圈、外圈、滾動體或保持架。

2 齒輪箱預測性維護實驗

2.1 被測齒輪箱參數

本文對固定式工業齒輪箱(圖略)的運行狀況進行了振動信號采集和分析。該齒輪箱工況如下：變速箱類型：兩級，錐齒輪；輸入速度：最大2400 RPM ；小齒輪齒數：20；潤滑方式：通過齒輪泵油循環，向每個潤滑點(軸承、齒輪)供油；小齒輪軸承：SKF 32317 J2 Q(齒輪側)，SKF 32314 J2 Q(聯軸器側)；齒隙范圍： 0.22 mm-0.23 mm；小齒輪的一對圓錐滾子軸承軸向預緊，摩擦力矩 0.5 Nm-0.7 Nm。輸出軸徑向變形 0.01 mm/1000 N。

初步計算了小齒輪軸承外圈、內圈、滾動體和軸承保持架的失效頻率，如表1所示。

表1 小齒輪軸承組件失效頻率

2.2 故障類型分析

在停機期間，安裝變速箱并開始正常運行，齒輪出現故障后從機器上拆下并對出現故障的軸承進行分析，發現小齒輪軸承 SKF 32314 J2 Q(在聯軸器處)損壞(圖略)。根據分析結果，可以得出以下結論：支撐軸向載荷的表面硬度顯著降低，隨后由于熱傳遞，也在軸向方向上壓扁軸承材料。在機器運行的最初幾個小時內出現的典型損壞跡象，即所謂的“發藍”。軸承部件在失效期間軸向載荷點的估計工作溫度，溫度超過 350 ℃。軸承保持架 SKF 32314 J2 Q 的擋邊出現嚴重磨損(圖略)，保持架擋邊的材料損失直至斷裂，滾動體傾翻。保持架承受的力過大，超過了為正常情況所設計的軸承的承受值。

2.3 振動信號分析

在齒輪箱維修后進行診斷檢測，采集小齒輪的振動信號與運行溫度，在1080 rpm和1448 rpm兩種轉速模式下分別測量。表2顯示了在穩定狀況下運行6小時后小齒輪的測量溫度。

通過加速度傳感器采集兩種轉速模式下齒輪箱的速度、加速度、和振動加速度包絡線 (EnvAcc) 時域曲線(圖1)，并對該6組時域曲線進行比較分析。在1080rpm模式下，可以在小齒輪2倍頻率770 Hz附近明顯觀察到共振“峰值”。在1448rpm模式下測量時，可以觀察到頻率 2.5 kHz 附近的共振。通過觀察振動加速度包絡值，發現在共振峰值處信號電平明顯增加，接近極限值。

圖1 兩種模式下速度、加速度、EnvAcc 時域曲線

表2 在穩定模式下運行 6 小時后測量的小齒輪溫度

變速箱維修后進行的診斷分析結果可概括為：①32314J2Q 處的軸承溫度高，接近推薦限值。油溫高，接近推薦限值。②軸承和油底殼之間的溫度梯度高。高頻的動態信號，尤其是在超過 2 kHz 的頻率范圍內。③FFT 分析表明軸承的運行存在問題，尤其是滾動體/保持架的部分。

動態參數和溫度的測量值(維修后)與故障軸承(從故障齒輪箱拆卸后)中發現的狀況相關。軸承過熱超過允許溫度可能會導致用于制造軸承的材料(鋼)的原始硬度降低。這會導致軸承質量下降和故障。這通過滾動體、環和保持架的顏色變化來證明。該問題可以通過使用達到黏度要求的潤滑劑來解決。

通過以上測試數據，對該齒輪箱部署預測性維護的建議：在各種運行模式下對齒輪箱進行測量。確定參考信號電平，觀察所選參數的增加情況。進行趨勢分析，包括分析變速箱油(油中鐵磨損顆粒的含量、固體含量、水和腐蝕性顆粒的含量、熱氧化降解、元素含量損失等)。

3 結論

本文研究了動態信號分析在鋼鐵廠運行的兩級錐齒輪正齒輪箱中的應用。所有分析的結果與變速箱維修期間的主要部件(如小齒輪、軸承)本身狀況相關，因此可為操作人員提供建議，從而調整變速箱運行參數。在預測性維護實驗中，通過觀察到的速度、加速度、振動加速度包絡線等曲線特征，可為維護人員提供的建議如下：

徑向間隙、預緊力，潤滑油的摩擦條件，特別是與固體(鐵磨損顆粒)摩擦等異常情況，可以通過溫度與振動信號曲線特征表征。

可以通過測量和分析動態信號來監測齒輪箱在推薦模式下的穩定運行偏差，并確定齒輪箱運行安全性是否到達閾值。