基于倒頻譜分析的礦用重型減速器故障診斷研究

張禮才

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030032）

0 引言

礦用重型減速器是井下設(shè)備的關(guān)鍵傳動(dòng)部件， 其可靠性直接影響煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程[1]。 一方面，礦用重型減速器服役環(huán)境復(fù)雜惡劣， 工作過(guò)程中受到交變的動(dòng)態(tài)載荷，甚至沖擊載荷作用，其環(huán)境耐受力要求較高。 另一方面，礦用重型減速器振動(dòng)信號(hào)復(fù)雜，存在多分量調(diào)制，甚至?xí)r變調(diào)制，故障診斷難度較大。 為此，本文以某型號(hào)礦用減速器為研究對(duì)象，構(gòu)建了振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，分析了減速器振動(dòng)信號(hào)倒頻譜，診斷了減速器故障并分析了原因，提出了優(yōu)化改進(jìn)措施。 為礦用減速器可靠性提升奠定了基礎(chǔ)。

1 礦用重型減速器的故障診斷難點(diǎn)

與普通的定軸齒輪箱相比， 礦用重型減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含著多級(jí)傳動(dòng)副和行星機(jī)構(gòu)，受到隨機(jī)載荷、交變載荷，甚至沖擊載荷作用，載荷幅值較大而且波動(dòng)劇烈[2]。

礦用重型減速器在自身復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)本質(zhì)以及多變的環(huán)境激勵(lì)綜合作用下， 其振動(dòng)信號(hào)的成分復(fù)雜性、時(shí)變性以及調(diào)制特征非常明顯，減速器故障特征頻率淹沒(méi)在復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)里，故障診斷難度較大。

2 倒頻譜分析方法

倒頻譜又稱(chēng)為對(duì)數(shù)功率譜、二次頻譜等。 倒頻譜分析是一種二次分析技術(shù)， 可以提取關(guān)注的頻率成份并降低了信號(hào)的信噪比， 它可以通過(guò)對(duì)功率譜對(duì)數(shù)值采用傅里葉逆變換得到。針對(duì)功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，使用倒頻譜分析非常有效，因此廣泛應(yīng)用于信號(hào)的故障診斷。

倒頻譜最原始的定義為對(duì)數(shù)功率譜的功率譜，在出現(xiàn)快速傅里葉變換（FFT）算法后，被重新定義為對(duì)數(shù)頻譜的傅里葉反變換。 設(shè)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)為x（t），則復(fù)倒譜為

信號(hào)的頻譜和對(duì)數(shù)頻譜為

式中：ln（A（f））是偶函數(shù)； φ（f）是奇函數(shù)。 故式（1）所定義的復(fù)倒譜實(shí)際上是實(shí)值函數(shù)。 在此基礎(chǔ)上，只取對(duì)數(shù)頻譜的幅值信息，得到實(shí)倒頻譜的定義

計(jì)算復(fù)倒頻譜時(shí)，要求對(duì)數(shù)頻譜是共軛偶函數(shù)，且實(shí)部、虛部都連續(xù)。 實(shí)際振動(dòng)信號(hào)中，離散頻率之間的相位無(wú)定義，隨機(jī)信號(hào)成分的相位本身不連續(xù)，無(wú)法進(jìn)行相位展開(kāi)，以至復(fù)倒頻譜編輯無(wú)法實(shí)現(xiàn)[3]。

3 重型減速器振動(dòng)測(cè)試

3.1 重型減速器加載試驗(yàn)

礦用重型減速器包括高速箱、低速箱，高速箱為輸入端，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，低速箱為輸出端，采用行星機(jī)構(gòu)輸出。采用雙電機(jī)對(duì)拖方式做減速器加載試驗(yàn)，加載試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖1。

圖1 減速器加載試驗(yàn)

圖中：1 表示拖動(dòng)電機(jī)，2 表示聯(lián)軸器，3 表示軸承座臺(tái)架，4 表示傳動(dòng)軸，5 表示減速器安裝架，6 表 示 減 速 器，7 表 示 負(fù)載電機(jī)，8 表示軸承座。

由 圖1 得 知， 減 速器加載試驗(yàn)臺(tái)為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)軸如圖1 豎直中心線所示。 減速器低速箱為圓柱體，對(duì)稱(chēng)軸如圖1 下部橫向中心線所示。減速器6通過(guò)螺栓、定位鍵安裝在試驗(yàn)臺(tái)架5 上，臺(tái)架5 固定在試驗(yàn)臺(tái)面上，拖動(dòng)電機(jī)1 通過(guò)聯(lián)軸器2、傳動(dòng)軸4 與減速器6 輸入端聯(lián)接，傳動(dòng)軸4 安裝在軸承座8 內(nèi)，軸承座8通過(guò)螺栓固定在臺(tái)架3 上， 臺(tái)架3 固定在試驗(yàn)臺(tái)面上，負(fù)載電機(jī)7、減速器6 聯(lián)接方式與拖動(dòng)電機(jī)1、減速器6聯(lián)接方式一致[4]。

測(cè)控臺(tái)通過(guò)指令控制拖動(dòng)電機(jī)按照減速器額定輸入轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸給減速器施加負(fù)載。

3.2 重型減速器振動(dòng)測(cè)試

重型減速器振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、信號(hào)線、多通道測(cè)試儀、工控機(jī)及上位機(jī)軟件組成。

美國(guó)工程木協(xié)會(huì)(Engineered Wood Association，APA)已經(jīng)適應(yīng)了人造板行業(yè)的變化，同時(shí)堅(jiān)持其核心原則。

采用壓電式加速度傳感器， 拾取測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度信號(hào)，壓電式加速度傳感器是一種可逆型換能器，由壓電材料制成，通過(guò)壓電效應(yīng)，將測(cè)點(diǎn)振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能信號(hào)輸出。

鑒于礦用重型減速器左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在其高速箱、低速箱分別布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖中1 表示高速箱測(cè)點(diǎn)，2 表示低速箱測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)1 布置在高速箱輸入軸的軸承座上， 測(cè)點(diǎn)2 布置在低速箱大錐齒輪軸承座上，工控機(jī)上安裝了振動(dòng)測(cè)試上位機(jī)軟件，通過(guò)上位機(jī)軟件，控制多通道振動(dòng)測(cè)試儀，完成振動(dòng)信號(hào)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)。

4 減速器振動(dòng)信號(hào)倒頻譜分析

振動(dòng)信號(hào)倒頻譜分析包括三步函數(shù)轉(zhuǎn)換， 第一步對(duì)振動(dòng)信號(hào)作傅里葉變換，獲得振動(dòng)信號(hào)頻譜。第二步對(duì)傅里葉變換后的頻譜進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換， 獲得dB 形式的功率譜，把卷積之后的頻譜之積轉(zhuǎn)換成頻譜之和。 第三步對(duì)功率譜作傅里葉逆變換， 將故障周期信號(hào)以頻率的倒數(shù)即倒頻率的形式呈現(xiàn)。

采集高速箱測(cè)點(diǎn)1、 低速箱測(cè)點(diǎn)2 振動(dòng)加速度信號(hào)，運(yùn)算得到測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 高速箱測(cè)點(diǎn)頻譜

圖4 低速箱測(cè)點(diǎn)頻譜

由圖3、圖4 可知，高速箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主要頻率成分包括：445.3Hz、890.5Hz、1157Hz、1603Hz， 低速箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主要頻率成分包括：24.69Hz、121.4Hz、267Hz、445.3Hz、890.5Hz、1157Hz。 由減速器設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算各級(jí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，齒輪嚙合頻率，與減速器測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜做對(duì)比分析。減速器振動(dòng)特征頻率成分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 減速器振動(dòng)特征頻率

由減速器振動(dòng)頻譜得知， 減速器主要振動(dòng)頻率成分在頻譜圖上均有體現(xiàn)，究竟哪種特征頻率是故障成分，不能清晰分辨。此外，上述減速器測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜還包含了復(fù)雜的邊頻成分，以及噪聲干擾成分。

對(duì)減速器測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，得到dB形式的功率譜，將功率譜再次進(jìn)行傅里葉逆變換，將故障周期信號(hào)以頻率的倒數(shù)即倒頻率的形式呈現(xiàn)[5]。 減速器測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)倒頻譜見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 高速箱測(cè)點(diǎn)倒頻譜

圖6 低速箱測(cè)點(diǎn)倒頻譜

由圖5、圖6 得知，減速器高速箱、低速箱測(cè)點(diǎn)倒頻譜突出的頻率成分為0.12s、0.25s、0.36s、0.62s、1.16s，經(jīng)換算對(duì)應(yīng)的頻率為：8.33Hz、4Hz、2.78Hz、1.61Hz、0.86Hz。 由減速器設(shè)計(jì)參數(shù)得知，8.33Hz 為高速箱至低速箱傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，4Hz、2.78Hz 為該頻率的分?jǐn)?shù)倍頻。0.86Hz 為減速器輸出端行星架轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，1.61Hz為該頻率成分的倍頻。

由減速器使用信息得知， 故障部位發(fā)生在高速箱至低速箱傳動(dòng)軸、行星架軸承部位。與倒頻譜分析結(jié)果基本一致。

5 減速器故障原因分析及改進(jìn)建議

該礦用重型減速器高速箱體積較小， 低速箱體積較大，高速箱與低速箱聯(lián)接部較長(zhǎng)，減速器工作過(guò)程中，高速箱端面固定，低速箱存在受到豎直方向作用力的情況，見(jiàn)圖7。

圖中：1 表示高速箱體，2 表示聯(lián)接部，3 表示傳動(dòng)軸，4 表示低速箱體。 由圖7 可知，該礦用減速器可以簡(jiǎn)化為力學(xué)懸臂梁模型，見(jiàn)圖8。

圖7 礦用重型減速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 礦用重型減速器力學(xué)模型

減速器在豎直載荷F 作用下， 發(fā)生撓曲，導(dǎo)致傳動(dòng)軸發(fā)生彎曲，傳動(dòng)軸上安裝的軸齒輪與高速箱齒輪、 低速箱齒輪嚙合精度下降， 產(chǎn)生不平衡力，導(dǎo)致傳動(dòng)軸、齒輪發(fā)生故障[6]。

低速箱為輸出端，行星機(jī)構(gòu)布置在低速箱， 礦用減速器工作過(guò)程中， 行星機(jī)構(gòu)直接承受復(fù)雜的交變載荷以及沖擊載荷作用，引起行星機(jī)構(gòu)故障。

綜上所述，建議優(yōu)化減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮短懸臂段長(zhǎng)度，提高聯(lián)接部強(qiáng)度，從而減小聯(lián)接部撓曲變形量。 建議提高行星機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，提高行星機(jī)構(gòu)可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型號(hào)礦用重型減速器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了加載振動(dòng)測(cè)試，采集了振動(dòng)加速度信號(hào)并進(jìn)行了倒頻譜分析，獲得了減速器故障特征頻率，分析了減速器故障原因，并提出了改進(jìn)建議，得出結(jié)論如下：

（1）礦用減速器振動(dòng)信號(hào)成分復(fù)雜，僅依靠傅里葉頻譜分析查找故障特征頻率是不充分的，倒頻譜分析，通過(guò)對(duì)信號(hào)的頻譜做加權(quán)運(yùn)算，將微弱的邊頻成分顯現(xiàn)出來(lái)，能夠有效診斷故障。

（2）通過(guò)倒頻譜分析，識(shí)別出該礦用重型減速器傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)頻、行星機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)頻為故障特征頻率，診斷結(jié)果與減速器實(shí)際使用故障基本一致。

（3）該礦用減速器可以簡(jiǎn)化為力學(xué)懸臂梁模型，建議縮短懸臂段長(zhǎng)度，提高聯(lián)接部強(qiáng)度、行星機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高減速器可靠性。