軋機齒輪箱多通道振動監測系統設計與研究

魏協奔

(汕頭職業技術學院機電工程系，廣東汕頭 515000)

0 前言

齒輪變速箱是機械設備中非常重要的變速機構，它作為機械設備的變速傳動部件，一旦出現故障，必將影響到設備的正常運作。現代的故障診斷利用先進的傳感技術與現代可靠性理論等為基礎進行數據采集、狀態監測與故障診斷[1-3]。此研究旨在當齒輪箱輕微故障時能夠及時發現并維護，以及診斷出故障的原因，便于后續的維修工作。

機械設備在線監測及故障診斷技術在設備管理中的成功應用和由此技術帶來的巨大經濟效益促使學者們對新的理論和技術不斷地進行研究。近40年來，隨著傳感器技術、機械設備故障診斷技術、測控技術等知識領域的不斷發展，設備振動監測及故障診斷技術不斷吸取現代科學技術的新成果，從理論到實際應用都有迅速的發展，至今發展成為集數學、力學、振動分析、信號處理、人工智能、電子技術等各種現代科學技術于一體的新興交叉學科。

當前，對于齒輪變速箱進行故障診斷的方法有很多，如噪聲分析與振動監測、扭振分析、油液分析、聲發射、溫度及能耗監測等[4]。其中，振動診斷是一種最常見和有效的設備振動與故障診斷方法，且在我國及世界范圍內得到了廣泛應用。齒輪變速箱振動診斷的原理是在設備運轉中，齒輪箱中的齒輪、軸承、軸等零件會產生相應的振動，采集各零部件工作時的振動信號并分析可獲得其狀態，如文獻[5]設計了基于振動信號的船用齒輪箱故障診斷系統。

本文作者以軋機齒的齒輪箱為研究對象，結合齒輪箱的結構與運作特征，采集軋機齒輪箱在鋼鐵軋機運行時產生的振動信號，再借助振動信號分析技術分析其運行狀態。

1 齒輪箱失效的振動特征分析

齒輪箱的各類零件包括軸承、軸、齒輪、箱體、緊固件與油封等。其中，齒輪產生的故障比例最大，據統計其故障率達60%，其余零件的故障率占比為軸承19%、軸10%、箱體7%、緊固件3%、油封1%[6]。由于齒輪箱中齒輪和軸承的故障比例占較大，本文作者主要分析齒輪和軸承的故障。

軋機齒輪箱在設備運行過程中引起的振動比較復雜，由于齒所受的激勵不同，在齒輪箱檢測到的振動信號類型也各不相同。例如，軋機齒輪箱齒輪磨損后，在齒輪箱運轉時，齒輪嚙合過程中由于周節誤差、齒形誤差或均勻磨損等原因，都會使齒間發生撞擊，此時，撞擊產生振動的頻率就是它的嚙合頻率[7]。齒輪變速箱在設備的運行中產生受迫振動，振動頻率為百赫茲到千赫茲的數量級。一旦齒輪的齒發生變形，在齒輪箱運行時，就會產生嚙合振動，振動頻率與齒輪嚙合頻率一致。

軸承主要失效類型為疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂、膠合。從振動頻率上看，軸承的失效程度可以分為4個階段：第一階段是自然頻率階段，其振動尖峰能量約為2.5 m/s2(實際值與測量位置和機器的轉速有關)；第二階段為輕微故障階段，振動尖峰能量的總量增大，從2.5 m/s2增大到5.0 m/s2；第三階段是滾動軸承的磨損擴展階段，出現滾動軸承故障頻率及其諧波頻率，振動尖峰能量的總量繼續增大(例如從5.0 m/s2增大到10 m/s2)；第四階段為損壞前階段，該階段的頻率幅值增大，振動尖峰能量和高頻加速度值通常為異常極大幅值[8]。

2 齒輪箱振動特征頻率計算

高線軋機由兩部分組成：第一部分是由6個齒輪組成的增速箱，一端是輸入齒輪，另一端是2個輸出齒輪，如圖1所示；第二部分是由8個機架組成的預精軋機，如圖2所示，通過8次軋滾推線材行預精軋，同時每一次軋輥都是一次提速的過程。根據齒輪箱的結構、公式(1)與齒輪傳動比公式(2)，即可計算出各齒輪正常的工作頻率。

圖1 增速箱結構

圖2 軋機齒輪組分布

f=N×z÷60

(1)

(2)

3 齒輪箱振動檢測系統設計

3.1 監測點的分布

軋機齒輪箱振動檢測檢測點的選擇和布置是獲得有效振動數據的首要環節，所以在實驗中必須選用最合適的位置安裝傳感器，即最能反映齒輪箱工作狀態的部位，一般選擇安裝在齒輪箱的軸承座上。考慮到測量效率及經濟性，應根據機械容易產生的異常情況確定重點測量方向。在監測中一般都需要從軸向、水平和垂直3個方向測量，考慮到測量效率及經濟性，應根據機械容易產生的異常情況確定重點測量方向[9-10]。

軋機齒輪箱由于現場情況與箱體外殼的原因，每個軸承座上只在垂直方向上放置一個傳感器。而精軋機的8個機架的每一個機架傳感器安放如圖3所示，1～3位置為振動傳感器的安裝測點位置。

圖3 振動傳感器安放點

3.2 傳感器的選擇

在軋機齒輪箱振動檢測及故障診斷系統研究中，常用的振動傳感器有電容式加速度傳感器、電渦流式位移傳感器、壓電式加速度傳感器等。壓電式加速度傳感器具有動態范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界影響小以及壓電材料受力自產生電荷信號不需要任何外界電源等特點,是廣泛使用的振動測量傳感器。具體傳感器的選擇在于具體的監測需求，文中選擇ENTEK公司型號為9200(General Purpose)的加速度傳感器。該加速度傳感器的靈敏度為100 mV·s2/(10 m)，加速度范圍為500 m/s2(peak)，測振頻率為0.9～8 000 Hz，能夠滿足文中的需求。

3.3 監測系統總體設計

采用Emonitor Odyssey狀態檢測軟件搭建齒輪箱的監測信息系統。系統總體結構如圖4所示。

圖4 監測系統總體結構

信號由9200傳感器采集，信號線經過端子排連接到Enwatch的通道上，網線從Enwatch輸出，連接到集線器上，再連接到計算機上。當計算機的Odyssey程序向Enwatch發出信號采集任務時，信號被傳感器采集，再通過信號線，經過Enwatch，最終通過網線與集線器被發送到計算機上。至此，用戶可通過Odyssey軟件系統記錄分析數據信號。

4 齒輪箱振動信號檢測與分析

采用多功能振動實驗臺(MDT-3A)進行振動信息采集與系統測試。多功能振動實驗臺齒輪箱內部示意及振動監測點如圖5所示。

圖5 箱內部示意及振動監測點

測點分別位于軸承位置和齒輪箱頂,分別對正常齒輪及保持架故障、斷齒及滾動體故障、齒面磨損及滾動體故障這3種故障形式進行數據采集。齒輪齒數分別為z=21、z′=38，經計算得出：軸承的滾動體故障頻率為f滾動體=1.996N/60=1.996×745/60=24.8 Hz

軸承的保持架故障頻率為

f保持架=1.996N/60=0.382×760/60=4.8 Hz

工況1：正常齒輪(760 r/min)及保持架故障，得到數據如表1與圖6—圖9所示。

圖9 軸承頻譜圖(工況2)

表1 工況1監測結果 單位：m·s-2

圖6 軸承頻譜圖(工況1)

圖7 軸承gSE頻譜圖(工況1)

從表1、圖6—圖8可知：在齒輪箱齒輪嚙合的頻譜圖中，明顯沒有出現波峰現象，可知此時的齒輪箱沒產生故障；在280 Hz處，出現一個小峰值，跟齒輪的運動頻率一致，這從軸承振動尖峰能量(gSE)圖中可以明顯看出。由于齒輪箱的輸出軸后有負載，在100 Hz和200 Hz位置產生的尖端波峰幅值不高，這是由于鋼材壓榨機器陳舊(實際情況)和轉子振動臺產生共振(模擬實驗)所導致。通過總結，機械振動的幅值還是比較低的，圖中部分頻率中出現的白噪聲，是由于振動臺中部分螺紋緊固件產生松動而造成的。

圖8 齒輪箱頻譜圖(工況1)

工況2：斷齒(745 r/min)及滾動體故障，得到數據如表2與圖10—圖13所示。

表2 工況2監測結果 單位：m·s-2

圖10 軸承gSE頻譜圖(工況2)

圖11 齒輪箱頻譜圖(工況2)

從表2、圖9—圖12可知：根據計算的齒輪的故障頻率為260 Hz，齒輪箱的振動尖峰能量(gSE)頻譜圖上峰值較大，波峰比較多，更能反映齒輪箱齒輪的狀態，在260 Hz的位置有一個峰值，而且對比前一種狀態(正常無故障齒輪)其幅值增大較多，可以判斷為齒輪磨損，在齒輪嚙合頻率及其諧波兩側形成一系列邊帶，邊帶的階數多而分散，可以判斷為齒輪斷齒。在24 Hz的位置也有一個波峰，這是軸承滾動體故障的信號。軸承的故障信號在頻譜中并不明顯，但在gSE圖中可以比較清晰地看見，說明gSE尖峰能量在故障診斷的應用中作用較大，對故障的診斷和預測有比較大的優勢，但并不能判斷故障的類型。

圖12 齒輪箱gSE頻譜圖(工況2)

工況3：齒面磨損(720 r/min)及滾動體故障，結果如表3與圖13—圖16所示。

表3 工況3監測結果 單位：m·s-2

圖13 軸承頻譜圖(工況3)

圖14 軸承gSE頻譜圖(工況3)

圖15 齒輪箱頻譜圖(工況3)

圖16 齒輪箱gSE頻譜圖(工況3)

從表3、圖13—圖16可知：速度有輕微的降低，幅值也隨著降低了一點，在嚙合頻率及其諧波兩側分布的邊帶階數少而集中，從振動尖峰能量(gSE)頻譜圖上看，在嚙合頻率一倍頻上顯示出來的振動幅值比較大，高階諧波的幅值增加比較多，符合齒輪磨損的故障振動特征[11]。

5 結語

軋機齒輪箱在軋機中有著十分重要的作用，本文作者采用 Odyssey軟件、振動傳感器及Enwatch采集器等設計了一套針對軋機齒輪箱運行過程中產生的振動監測系統。針對多種故障工況，通過實驗測試了該監測系統的功能，結果表明：該系統能夠達到檢測齒輪箱運行狀態的要求。