頻譜分析法在齒輪故障診斷中的應用

潘 林

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

作為一種變速及扭矩傳動機構，齒輪箱因結構緊湊、傳遞動力大、輸出效率高、運行穩定而在眾多機器或機組中得到廣泛的應用。對于大型設備及連續生產設備，齒輪箱一旦發生故障，對于整臺機器或者機組的正常運行都是災難性的打擊。因此，為確保齒輪箱運行的可靠性及穩定性，對其工況進行狀態監測及故障診斷是十分必要的。

據有關數據統計，齒輪在齒輪箱各零部件的故障中所占比例高達60%以上【1】，在實際工業生產過程中，齒輪運行狀態的振動監測和故障診斷對于降低設備維修費用、預防突發性事故具有重要的實際意義，并得到了廣泛關注和深入研究。目前齒輪故障診斷最主要的方式是對齒輪振動頻譜信息進行分析，以判斷齒輪的運行狀況。齒輪的振動頻譜圖中包含了豐富故障源信息【2】，它能迅速、真實、全面地反應齒輪的運行狀態及故障的性質范圍，因此對齒輪運行狀態的頻譜圖進行分析，可確定故障及其原因。

1 頻譜分析法

頻譜分析法是對設備的振動信號進行采集，并將采集信號分解轉換成由各種頻率信號及其強弱程度組成的頻譜圖。通過計算、分析和篩選，找出頻譜圖中與機械零部件工作特性有關的頻率，例如，齒輪的嚙合頻率、轉子的旋轉頻率、軸承的運轉頻率等，以尋找故障源和故障原因。齒輪原因導致的振動主要是由于齒輪的制造與安裝誤差、磨損、剝落、斷齒和點蝕等故障引起的。這些故障源通常是齒輪軸旋轉的同周期振動。振動頻譜中通常包含齒輪軸的轉頻及其諧波，因此故障齒輪的振動頻譜圖往往表現為故障齒輪嚙合頻率及其諧波受到齒輪旋轉頻率的調制，通常會在頻譜圖上形成以齒輪嚙合頻率及其諧波為中心、以齒輪軸轉頻為間隔均勻分布的邊頻帶。圖1是典型的齒輪嚙合振動信號頻譜圖，圖1中fr是齒輪軸轉頻，fz是齒輪嚙合頻率，2fz是嚙合頻率二次諧波。

圖1 典型齒輪嚙合振動信號頻譜

在嚙合頻率及其諧波兩側存在一定的頻率峰值，這些峰值之間的距離(a，b，c)正好與轉頻fr相等。這些嚙合頻率周圍分布的頻率稱為邊頻帶。其中嚙合頻率反映了故障齒輪所在位置，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，幅值的高低反映了故障的嚴重程度【3】。

2 典型齒輪故障的頻譜特征

在實際應用過程中，齒輪故障的形式主要有齒輪磨損、斷齒、齒面剝落、點蝕、膠合等，并且每種故障形式都有典型頻率特征及其諧波、以及邊頻帶的關系，這些頻譜特征為齒輪故障診斷過程中的頻譜分析提供了依據。

2.1 齒的磨損、過載

齒輪的均勻性磨損、 齒輪載荷過大等原因引起的故障，都會在輪齒之間產生很高的沖擊力， 此時會產生以嚙合頻率的諧波頻率為載波的頻率， 其中嚙合頻率的幅值相對正常狀態將明顯增大， 但在嚙合頻率及其諧波周圍不產生邊頻帶。隨著齒輪磨損劣化， 嚙合頻率及諧波幅值會繼續增長。

2.2 斷齒、齒面剝落

斷齒、 齒面剝落等屬于齒輪集中缺陷的局部性故障， 在齒輪運行至缺陷部位時， 會激發瞬時的沖擊， 產生一個高幅值的波峰。此時， 嚙合頻率將受到旋轉頻率的調制， 在嚙合頻率其及諧波兩側產生一系列的邊頻帶， 其頻譜特點是邊頻帶數量多、 范圍廣、 分布均勻且較為平坦。隨著此類缺陷的擴大， 邊頻帶在寬度范圍及幅值上也會增大。

2.3 點蝕、膠合

點蝕、膠合等分布比較均勻的缺陷，同樣也將產生周期性沖擊脈沖和調幅、調頻現象。但是，與斷齒等局部性故障不同的是，由于點蝕、膠合都屬于淺表缺陷，在齒輪嚙合時不會激發瞬態沖擊，因此在嚙合頻率及其諧波兩側分布的邊頻帶階數少且集中，其頻譜特點是邊頻帶數量分布范圍窄、幅值起伏變化大。

3 頻譜分析在齒輪故障診斷中的應用實例

在對儀化聚酯裝置16單元17R01低粘端減速箱的例行巡檢過程中發現，自2015年年初開始，該齒輪箱存在周期約為0.5 s的振動沖擊，但減速箱本身振動值沒有明顯變化。該減速箱是聚酯生產的大機組核心設備，一旦該設備出現問題停運，整條生產線將被迫停車，造成巨大的經濟損失。鑒于現場減速箱無明顯振動，通過聽棒聽診及振動檢測等常規方式均無法判斷出振動沖擊的部位及形成原因，故對該減速箱進行現場振動信號采集和故障診斷。該齒輪箱部分運行參數如表1 所示。

表1 齒輪箱參數

計算可得：

第三軸轉頻

第三軸與第四軸嚙合頻率

f34嚙=f3×Z3主=2.01×14=28.15 Hz

第三軸旋轉周期

查看頻譜圖，并與各種故障狀態下的典型特征對比發現，其明顯存在第三軸和第四軸四級嚙合頻率(f34嚙=28.15 Hz)，諧波頻率已經遠超過基波頻率。振動能量的緩慢增加，說明磨損在緩慢增長。隨著狀態惡化，振動值緩慢增長，三級與四級嚙合頻率幅值增長明顯，同時嚙合頻率周圍開始產生以第三軸轉頻(f3=2.01 Hz)為間隔的邊頻，而且邊頻帶體現的特征為數量多、范圍廣(24～60 Hz)、分布均勻且較為平坦，如圖2所示。通過時域波形圖可以發現，時域信號明顯存在著周期約為0.5 s的尖峰沖擊，與第三軸旋轉周期T3相等，如圖3所示。

根據頻譜圖和時域波形圖判斷，齒輪箱第三軸主動齒輪故障是造成沖擊能量的根源，齒輪箱第三軸主動齒輪已磨損劣化且可能局部磨損變重或局部齒輪剝落。

裝置立即安排降低反應器運行轉速，對第三軸主動齒輪展開針對性檢查。檢查發現，齒輪箱第三軸主動齒中有一齒的2/3已斷沒(見圖4)，問題已很嚴重。但由于此齒輪箱無備臺更換，裝置立即著手購買，在此期間，減速箱只能通過降低轉速并每天進行狀態監測分析監控運行。通過降低轉速，振動值略有下降，狀態監測頻譜顯示齒輪無明顯惡化跡象，直至購回備臺齒輪箱并更換后，隱患消除。

圖2 頻譜

圖3 時域波形

4 結語

多年的實踐應用表明： 頻譜分析法是一種建立在多學科基礎上的實用技術， 此診斷方法具有技術基礎可靠、 故障源判斷精確、 工程應用性強等特點。以上實例證明， 頻譜分析法能準確判斷出齒輪的故障位置及故障的嚴重程度， 以便結合實際的運行狀態采取最佳的維修策略， 有效遏制非計劃停機帶來的損失， 以達到節約人力、 物力、 財力和時間的目的， 給企業帶來顯著的經濟回報。

圖4 斷齒