減速機(jī)故障診斷實(shí)例分析

張升華 王奉濤 徐 勇 張 濤 陳旭濤 王 貝

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院振動(dòng)工程研究所 遼寧大連 2.大連西太平洋石油化工有限公司 遼寧大連）

對(duì)減速機(jī)采取預(yù)防性維修，即周期性開(kāi)箱檢測(cè)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線停產(chǎn)。主動(dòng)維修是在不對(duì)減速機(jī)解體的情況下進(jìn)行精確性維修，這依賴于準(zhǔn)確的振動(dòng)信號(hào)采集和正確的信號(hào)處理方法。

減速機(jī)主要由軸承、齒輪、軸及箱體組成，其中軸承和齒輪為易發(fā)故障部件。對(duì)石化廠1臺(tái)減速機(jī)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的診斷分析，并應(yīng)用LabVIEW開(kāi)發(fā)針對(duì)軸承和齒輪的診斷分析系統(tǒng)，取得較好效果。

一、減速機(jī)常見(jiàn)故障

1.軸承常見(jiàn)故障

軸承由4部分構(gòu)成，內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體與保持架。軸承故障一般是這4種部件中的某個(gè)部件損壞所致。常見(jiàn)故障形式包括疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂、膠合以及保持架損壞。齒輪常見(jiàn)故障形式，輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合及齒面磨損。

2.減速機(jī)診斷方法

（1）幅值域分析。首先對(duì)采集得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值域分析，包括RMS、峭度、峰值、峰峰值等。其中RMS和峭度值應(yīng)用較多，ISO 10816給出用振動(dòng)信號(hào)的RMS評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。Antoni J指出當(dāng)振動(dòng)信號(hào)峭度值＞3時(shí)，說(shuō)明機(jī)組中有沖擊信號(hào)存在。當(dāng)被診斷機(jī)組機(jī)殼較大時(shí)，采集得到的振動(dòng)信號(hào)是經(jīng)過(guò)衰減的，僅用振動(dòng)烈度指標(biāo)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)做評(píng)價(jià)是不完善的，頻譜分析是故障診斷的必備技術(shù)。

（2）頻譜分析。頻譜分析是減速機(jī)故障診斷最常用的方法之一。軸承發(fā)生某種故障時(shí)，頻譜圖中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的故障特征頻率。齒輪發(fā)生故障時(shí)，頻譜圖中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的圖譜。齒面點(diǎn)蝕、斷齒、不均勻磨損時(shí)，頻譜圖中嚙合頻率附近伴有軸頻的邊頻帶，應(yīng)用解調(diào)技術(shù)可解調(diào)出軸頻。齒輪均勻磨損時(shí)，頻譜圖中無(wú)明顯沖擊、調(diào)制現(xiàn)象，嚙合頻率及其倍頻的幅值增大。

二、實(shí)例分析

減速機(jī)是石化廠的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)。采用DH5901動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，速度傳感器及加速度傳感器采集減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率fs=2560 Hz，每通道采樣點(diǎn)數(shù)4096。應(yīng)用振動(dòng)速度信號(hào)表征減速機(jī)振動(dòng)大小，應(yīng)用振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

（1）測(cè)點(diǎn)布置。為了采集到準(zhǔn)確的振動(dòng)信號(hào)，首先要做到正確的測(cè)點(diǎn)布置，將傳感器放置到軸承座上采集信號(hào)，減速機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 減速機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

減速機(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖 2 所示，1、2、3、4、5、6、7、8 為對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)，此減速機(jī)為3級(jí)減速，共4根軸，最左側(cè)為輸入軸，最右側(cè)為輸出軸。

圖2 減速機(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

（2）減速機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在進(jìn)行診斷分析前，要明確分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)及工況。此減速機(jī)中共有6個(gè)齒輪，按照從輸入到輸出的嚙合順序，各齒輪齒數(shù)如表1所示。按照上圖2所示測(cè)點(diǎn)，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)的軸承型號(hào)如表2所示。

減速機(jī)中各軸軸頻。已知，減速機(jī)減速比16.26，輸出軸轉(zhuǎn)速n4=35 r/min，軸頻=轉(zhuǎn)速/60。根據(jù)齒輪齒數(shù)計(jì)算出各軸間的傳動(dòng)比，計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速及軸頻，設(shè)輸入軸至輸出軸轉(zhuǎn)速依次為n1，n2，n3，n4，軸頻依次為 f1，f2，f3，f4，各軸轉(zhuǎn)速及軸頻如表 3 所示。

表1 齒輪齒數(shù)

表2 軸承型號(hào)

表3 各軸轉(zhuǎn)速及軸頻

減速機(jī)中齒輪嚙合頻率。已知，齒輪嚙合頻率=軸頻×齒數(shù)，減速機(jī)中共3對(duì)齒輪嚙合，嚙合頻率分別為f12，f23，f34，計(jì)算得f12=253.1 Hz，f23=57.5 Hz，f34=19.72 Hz。

減速機(jī)中軸承故障特征頻率。查詢資料，計(jì)算減速機(jī)中各軸承故障特征頻率，各故障特征頻率如表4所示。

表4 軸承故障特征頻率 Hz

三、診斷結(jié)果

1.測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

表5為測(cè)試數(shù)據(jù)表，由于篇幅限制在此僅展示部分測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)。

表5 測(cè)試數(shù)據(jù)表

2.分析過(guò)程

在發(fā)現(xiàn)減速機(jī)斷齒故障前，已對(duì)此減速機(jī)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)期的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做出振動(dòng)趨勢(shì)圖，如圖3所示。

直至2014.12.16發(fā)現(xiàn)減速機(jī)振動(dòng)顯著增大，并在采集信號(hào)的時(shí)域圖中出現(xiàn)了較大的沖擊成分，判定減速機(jī)有某種故障存在。首先對(duì)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，比對(duì)軸承的故障特征頻率，在各頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)軸承的故障特征頻率，排除軸承故障的存在。其次判斷齒輪是否有故障存在。

圖3 減速機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)圖

分析2號(hào)測(cè)點(diǎn)VG202-V振動(dòng)加速度信號(hào)（圖4），振動(dòng)時(shí)域波形中存在較大沖擊（圖5），振動(dòng)頻譜圖形中嚙合頻率256.3 Hz處出現(xiàn)以第一根軸軸頻9.3 Hz的調(diào)制現(xiàn)象（圖6），信號(hào)Hilbert包絡(luò)譜中解調(diào)出9.375 Hz的軸頻及其倍頻，很明確地判定出第1根軸上齒輪斷齒。打開(kāi)減速機(jī)機(jī)箱進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)第1根軸上齒輪有斷齒，驗(yàn)證了診斷的正確性。

圖4 振動(dòng)時(shí)域波形

圖5 振動(dòng)頻譜圖形

圖6 信號(hào)Hilbert包絡(luò)譜

圖7 轉(zhuǎn)速-振動(dòng)圖

在診斷出減速機(jī)斷齒后，對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行了跟蹤測(cè)試分析。跟蹤測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減速機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速超過(guò)50 r/min時(shí)，減速機(jī)振動(dòng)顯著增大，而在＜50 r/min時(shí)，振動(dòng)在可控范圍內(nèi)，圖7為不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)值。提出將減速機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速定在50 r/min之內(nèi)，廠方采取了此建議，將其定在35 r/min左右。

四、結(jié)論

綜合應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷知識(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)減速機(jī)故障存在，精確定位故障源，給出設(shè)備合理運(yùn)行工況，留給廠方足夠的購(gòu)買備件的時(shí)間，避免設(shè)備發(fā)生重大停機(jī)事故。