大型磨机齿轮箱常见故障振动的频域特征与故障诊断

发表时间:2019/3/27   来源:《基层建设》2018年第35期   作者:程娟丽
[导读] 摘要:齿轮箱是汽轮机、发电机等船舶机械设备的重要组成部分,其在机械设备中通常负责力的传递,是当前各种机械中最为常见和关键的构件,通常情况下,齿轮箱能否正常工作,将直接影响到相关的机械设备能否正常工作。

        南京高精齿轮集团有限公司  江苏南京  211100
        摘要:齿轮箱是汽轮机、发电机等船舶机械设备的重要组成部分,其在机械设备中通常负责力的传递,是当前各种机械中最为常见和关键的构件,通常情况下,齿轮箱能否正常工作,将直接影响到相关的机械设备能否正常工作。因此对于齿轮箱故障的检测和排除至关重要,基于此,本文主要对大型磨机齿轮箱常见故障振动的频域特征与故障诊断进行分析探讨。
        关键词:大型磨机齿轮箱;常见故障振动;频域特征;故障诊断
        1、前言
        齿轮箱中齿轮传动所产生的振动信号普遍存在着调制现象,其调制原因较为复杂,齿轮的种种缺陷和故障均可产生调制现象,主要是调幅和调频。因此,在振动信号频谱图中齿轮啮合频率及其谐波分量附近出现调制作用的边频带,由边频带间距代表的调制频率可以是各轴转频(输入轴、输出轴、中间轴);外部转速或负荷的波动频率;波动啮合频率,即(啮合频率)(/主动齿轮与被动齿轮转速的最小公倍数);如果同时存在两种以上故障,则故障频率之和或差也可以成为调制频率,称为中间频率。
        2、齿轮均匀与非均匀磨损
        目前,大型球(管)磨机多采用边缘传动,其齿轮减速箱的低速输出齿轮外露,而工作环境粉尘较多,灰尘、杂质易进入箱体;另外,虽然齿轮减速箱采用油站强制润滑,若换油不及时,或者滤油器清洗更换不及时,导致润滑不良,都会造成非正常均匀磨损。此时,其轴承座或箱体振动信号中一般没有冲击信号成分,不会出现明显的调制现象。当磨损发展到一定程度时,从其频谱图中可以看出,啮合频率及其各阶谐波分量幅值明显增大,而且阶数越高,谐波增大的幅度越大。其机理在于:若没有磨损,各轮齿是渐开线形状,啮合产生的振动主要是频率为齿轮啮合频率的单频率谐波,其频谱成分是啮合基频幅值最大,倍频、三倍频幅值很小;出现均匀磨损后,各轮齿的渐开线形状发生平稳的变化,运行产生的振动是基频为齿轮啮合频率的周期信号;磨损越严重,振动的时域曲线越接近于方波,此时随啮合频率(即基频)幅值的增大,高阶谐波(2倍、3倍、4倍基频)幅值的增加幅度更大,甚至会出现倍频幅值大小超过啮合基频幅值的情况。若齿轮减速箱中齿轮发生非均匀磨损,即全部轮齿都发生磨损,但部分轮齿磨损的程度较另一部分轮齿严重的多时,还会产生以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率,故障齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象,频谱图上在啮合频率及其谐波频率附近产生幅值小且稀疏的边频带。
        3、滚动轴承疲劳剥落、点蚀
        在齿轮减速箱中,滚动轴承也是引起齿轮箱故障的主要原因,常见的滚动轴承故障是内、外环和滚动体工作面出现点蚀、疲劳剥落。在其频谱的中高频区外环固有频率附近出现明显的调制峰群,产生以外环固有频率为载波频率,以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象。目前,人们多采用10~20kHz频段作为诊断频带,滚动轴承元件的固有频率就在这个频带。一个有效的诊断方法是共振解调技术,即将轴承座上所测振动加速度信号经过中心频率为轴承外环固有频率的带通滤波器,进行窄带滤波,滤波后的信号经解调处理得到它的包络(即调制信号),再对之作频谱分析得到包络谱,由该包络谱中是否有轴承通过频率分量及幅值大小,可判断出现点蚀、疲劳剥落故障的轴承元件及损伤程度。该技术特别适用于轴承故障的早期诊断,其关键是预先确定轴承外环固有频率,滚动轴承外环在自由状态下,径向弯曲振动的固有频率fe可按以下简化公式计算:
 
        式中h─套圈宽度(mm),b─套圈厚度(mm),见图3;k─固有频率的振动阶数,k为正整数。
        一水泥厂管磨机齿轮减速箱输入轴滚动轴承内、外环通过频率分别为158Hz、103Hz。以式(1)计算的外环1阶弯曲振动固有频率(约12kHz)为中心频率,对所测振动加速度信号窄带滤波、解调得到包络解调谱在152.34Hz及2、3阶倍频处存在突出的峰值,而152.34Hz很接近内环通过频率(即内环局部损伤特征频率)158Hz,说明该轴承内环出现局部损伤。
        4、实例分析
        某厂 6 #组管磨机的齿轮减速箱出现箱体振动异常 ,并伴有较大噪声 ,减速箱箱顶振动速度监测传感器检测到振动速度有效值远超过设置的报警停机上限值 。我们对该齿轮减速箱进行振动信号测试分析及故障诊断 , 厂方拆卸检查的结果证实了我们的判断 。
        图1是6#组磨减速箱传动示意图,减速箱各轴转频和啮合频率如表1:振动测试采用的仪器分别为:YJ9A压电加速度传感器(频率范围1―10kHz),北京东方振动和噪声研究所INV306型智能信号采集处理分析系统,它由四通道电荷/电压放大积分滤波器、十六通道数据采集器和内装DASP动态信号分析软件的笔记本电脑组成。本次测试取采样频率2000Hz,采样时间为20秒。36#组磨齿轮减速箱振动测试分析。
 
        图 1 6 # 组磨减速箱传动示意图及测点的布置图
        (①②为测点 , ①点在轴 Ⅱ上方箱顶上 ;②点在轴 Ⅰ 非电机端轴承座垂直径向上)
        3.1测试数据与分析
        通过对相应测点的振动加速度信号进行幅值谱分析,以及某些频段的细化谱:
        (1)由减速箱箱体上垂直向振动加速度幅值谱可以看出,其频谱成分单纯,箱体顶部振动加速度信号中占绝对主导的是331Hz,及其倍频、三倍频成分(662、993Hz)。这与轴Ⅰ、Ⅱ上齿轮啮合频率(330Hz)及其倍频、三倍频相当一致。说明箱体顶部振动主要是由轴Ⅰ、Ⅱ上一级传动齿轮啮合激励起的强迫振动。
        (2)在轴Ⅰ非电机端轴承座垂直向振动加速度幅值谱中,谱线非常丰富,在分析的频率范围从低到高都有表现。幅值从大到小的主要频率成分分别
        是661.30、991.71、644.68、330.41和16.62Hz等,显然,仍是轴Ⅰ、Ⅱ上齿轮啮合频率(330Hz)及其倍频、三倍频成分占主导,而且倍频、三倍频幅值已远高于啮合基频,说明一级啮合齿轮出现较严重磨损。因为正常齿轮啮合振动,其频谱成分是啮合基频幅值最大,倍频、三倍频次之;随齿轮磨损加剧,三倍频、倍频幅值增大程度会超过基频。另外,在这些频率附近可见幅值较小的边频带。
        (3)由轴Ⅰ非电机端轴承座垂直向振动加速度幅值谱在啮合频率(330Hz)、倍频(660Hz)附近的细化谱可以看出,在啮合频率及其倍频两旁存在幅值小且稀疏的边频带,边频间距约为8.31Hz,与轴Ⅱ的转频8.05Hz基本一致。说明轴Ⅱ上的一级啮合大齿轮存在较严重的磨损。
        4.2测试分析总结
        总结以上分析可以得出:6#组磨齿轮减速箱一级啮合齿轮出现较严重磨损,特别是轴Ⅱ上的一级啮合大齿轮;轴Ⅰ的非电机端轴承座内机件存在径向配合松动故障。另外,由于箱体上部振动水平较高,倍频、三倍频成分(662、993Hz)的幅值较大,箱体上部实际起着“共鸣箱”的作用,导致现场噪音增大。
        5、结束语
        粉磨设备的安全、平稳、可靠、无故障地运行是现代水泥厂提高经济效益的关键条件,大型磨机齿轮减速箱仍是易发生故障的设备,运用振动信号的频域分析,包括频谱、细化谱和解调谱分析来判定齿轮的啮合状态,是防止突发事故,保障设备安全;减少停机时间,避免停产损失;提高设备可靠性,延长设备使用寿命;优化维修决策,合理安排维修的重要手段。
        参考文献:
        [1]周宗和,杨自春.基于分形关联维数的水位调节器故障诊断方法[J].舰船科学技术,2008,30(5):50-53.
        [2]岳应娟,孙钢,蔡艳平.基于小波包振动谱图的柴油机在线故障诊断方法[J].舰船科学技术,2016,38(17).

 

 

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