某核電海水循環(huán)泵齒輪箱振動(dòng)分析

靳曉樂(lè)

（中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東 深圳518124）

0 引言

齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)頻譜中的主要頻率成分包含齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻，這些嚙合頻率周?chē)念l率分布稱(chēng)為邊頻帶。由于齒輪運(yùn)行時(shí)有多個(gè)激勵(lì)源，在齒輪嚙合頻率及其諧波或齒輪固有頻率及其諧波周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)邊頻帶。一般情況下，當(dāng)齒輪箱發(fā)生某些故障時(shí)，故障的特征頻率及其諧波會(huì)對(duì)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制，在頻譜圖上齒輪箱嚙合頻率及其諧波兩側(cè)會(huì)有一系列邊頻帶，這些邊頻帶中包含豐富的齒輪狀態(tài)信息，通常作為齒輪故障診斷的重要依據(jù)。

齒輪故障診斷技術(shù)最早起源于美國(guó)，它是現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一門(mén)新興科學(xué)。齒輪故障的診斷方法包括兩類(lèi)：一種是通過(guò)處理分析齒輪運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)信號(hào)來(lái)進(jìn)行齒輪故障診斷；另一種是以摩擦磨損理論為依據(jù)，對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑油中的磨屑進(jìn)行研究分析，從而判斷齒輪的運(yùn)行狀態(tài)。國(guó)外的齒輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，并領(lǐng)先國(guó)內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)主要側(cè)重于對(duì)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的軍事方面的研究，而日本則側(cè)重于一些民用工業(yè)。齒輪的故障或失效形式多樣，這就使得對(duì)它進(jìn)行故障診斷難度較大，而目前國(guó)內(nèi)外已有的故障診斷系統(tǒng)還不完善，大多應(yīng)用于定性分析，存在一定的局限性。

某核電采用立式行星齒輪箱作為海水循環(huán)泵減速機(jī)構(gòu)，每臺(tái)機(jī)組配備4臺(tái)海水循環(huán)泵，每臺(tái)泵均配置一臺(tái)行星齒輪箱作為減速機(jī)。第1臺(tái)齒輪箱首次滿(mǎn)載啟動(dòng)時(shí)，使用便攜式測(cè)振設(shè)備測(cè)量行星齒輪箱軸向振動(dòng)超過(guò)限值，垂直方向達(dá)到6.1 mm/s。針對(duì)該齒輪箱振動(dòng)偏高問(wèn)題，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采樣。測(cè)量得到該齒輪箱振動(dòng)幅值低于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，由于齒輪組嚙合的復(fù)雜性，為進(jìn)一步判斷是否存在局部故障，基于邊頻帶理論對(duì)其頻譜圖進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明該齒輪箱不存在局部故障，其振動(dòng)烈度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1 齒輪箱參數(shù)及振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

齒輪箱的參數(shù)如下：

類(lèi)型：行星齒輪/外齒圈固定

齒數(shù)：太陽(yáng)輪26，行星輪51，內(nèi)齒圈130

行星輪數(shù)量：4

轉(zhuǎn)速：995.6 rpm/165.9 rpm

根據(jù)齒輪箱參數(shù)計(jì)算得到齒輪箱各部件的轉(zhuǎn)速和頻率如表1。

表1 齒輪箱轉(zhuǎn)速和頻率

該齒輪箱由供應(yīng)商依據(jù)ANSI/AGMA 6123-B06和ANSI/AGMA2001-D04進(jìn)行設(shè)計(jì)，其振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)有供應(yīng)商依據(jù)AGMA2000及其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定義。齒輪箱的振動(dòng)報(bào)警值為5.1 mm/s RMS[10-1000]Hz，停機(jī)值為7.9 mm/s RMS[10-1000]Hz。

2 數(shù)據(jù)采集

振動(dòng)測(cè)量：

齒輪箱共安裝2個(gè)三軸加速度傳感器，見(jiàn)圖1，測(cè)點(diǎn)1為齒輪箱輸入端，測(cè)點(diǎn)2為齒輪箱輸出端。

圖1 加速度傳感器布置

齒輪箱滿(mǎn)載穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)幅值見(jiàn)表2。測(cè)量得到齒輪箱振動(dòng)幅值均低于限值，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 振動(dòng)測(cè)量值（單位mm/s）

3 振動(dòng)分析

3.1 與振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較

測(cè)量得到的齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)限值以?xún)?nèi)，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，齒輪箱的振動(dòng)相比首次啟動(dòng)有較大差異，分析原因有以下兩點(diǎn)：

（1）首次滿(mǎn)載期間的測(cè)振點(diǎn)定位于齒輪箱殼體的最外側(cè)，該處距離軸承較遠(yuǎn)，由于局部形變導(dǎo)致測(cè)量值較高；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦，測(cè)點(diǎn)應(yīng)該盡可能靠近軸承，本次測(cè)振點(diǎn)選取靠近軸承位置。

（2）首次滿(mǎn)載測(cè)量所用儀表為一體式便攜測(cè)振儀，測(cè)振探頭與本體為整體，易受使用者影響，導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)。本次測(cè)振采用強(qiáng)力膠將傳感器固定在測(cè)點(diǎn)表面，通過(guò)電纜連接到拾取器，消除了人為因素導(dǎo)致的測(cè)量偏差。

由于齒輪組嚙合過(guò)程十分復(fù)雜，振動(dòng)強(qiáng)度不能完全準(zhǔn)確的反應(yīng)齒輪組的運(yùn)行情況，因此需要對(duì)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，下面基于邊頻帶理論從不同角度對(duì)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。

3.2 基于邊頻帶理論的無(wú)故障頻譜特征分析

齒輪箱嚙合產(chǎn)生的頻譜中，主要頻率成分包含齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻。嚙合頻率周?chē)念l率分布稱(chēng)為邊頻帶。

文獻(xiàn)[2]中提出了一種簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述無(wú)故障狀態(tài)下行星齒輪組邊頻帶的產(chǎn)生機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型，該模型適用于普遍的行星齒輪結(jié)構(gòu)。

本文分析的齒輪箱的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其行星輪數(shù)量為4，行星齒輪等間距分布。

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)行星輪數(shù)量為4的等間距行星齒輪結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)頻譜及邊頻帶的理論模型如圖3所示[2]。

圖3 等間距行星齒輪理論頻譜

泵組穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下齒輪箱的振動(dòng)頻譜如圖4所示。其主要能量集中在360 Hz和720 Hz附近，由嚙合頻率及其二次諧波引起的。因此僅需對(duì)360 Hz和720 Hz附近區(qū)域進(jìn)行分析。

圖4 頻譜圖

將Z方向300～400 Hz，670～770 Hz的區(qū)間放 大，得到細(xì)化譜圖5。

圖5 細(xì)化譜

細(xì)化譜中并未出現(xiàn)理論嚙合頻率，僅能看到嚙合頻率的二次諧波。其頻譜特征符合該類(lèi)行星齒輪箱結(jié)構(gòu)的理論頻譜模型（見(jiàn)圖3）。在圖5中可以看到嚙合頻率和二次諧波兩側(cè)有少量邊頻帶，間隔分別為5.5 Hz和11 Hz，但其幅值并不大。11 Hz的邊頻帶反應(yīng)了行星齒輪的通過(guò)頻率，5.5 Hz則與齒輪箱低速側(cè)的二次諧波頻率相吻合。因此這些邊頻帶反應(yīng)了行星通過(guò)頻率和低速側(cè)轉(zhuǎn)軸頻率對(duì)齒輪箱振動(dòng)頻率和幅值的調(diào)制。

以上現(xiàn)象完全符合圖3的理論振動(dòng)頻譜模型，因此該齒輪箱的頻譜特征符合典型的無(wú)故障等間距行星齒輪組特征。

3.3 基于邊頻帶理論的局部故障特征分析

文獻(xiàn)[3]提出了行星齒輪箱局部故障特征頻率的通用公式：

太陽(yáng)輪局部故障特征頻率為

行星輪局部故障特征頻率為

外齒圈局部故障特征頻率為

其中fm為嚙合頻率，ZS為太陽(yáng)輪齒數(shù)，Zp為行星輪齒數(shù)，Zr外齒圈齒數(shù)，N為行星輪數(shù)量。

計(jì)算得到本文齒輪箱局部故障特征頻率見(jiàn)表3。

表3 齒輪箱故障特征頻率

太陽(yáng)輪故障邊頻帶的峰值將出現(xiàn)在

行星輪故障則邊頻帶的峰值將出現(xiàn)在

外齒圈故障則邊頻帶的峰值將出現(xiàn)在

fc為行星架旋轉(zhuǎn)頻率，k為正整數(shù)，n為整數(shù)。

圖 5 中 的 峰值頻率 342.9 Hz，353.9 Hz，365.2 Hz，376.1 Hz均不符合以上三個(gè)算式，所以可以排除齒輪存在局部故障的可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

該齒輪箱首次滿(mǎn)載期間，由于測(cè)振點(diǎn)選取不當(dāng)及測(cè)振儀器易受使用者影響，造成測(cè)得的振動(dòng)強(qiáng)度超出驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，首次測(cè)振數(shù)據(jù)并不能真實(shí)反映齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。本次測(cè)振在消除以上兩個(gè)因素的前提下，測(cè)得的頻譜圖表明，其振動(dòng)強(qiáng)度均在標(biāo)準(zhǔn)限值以下；對(duì)齒輪箱進(jìn)行基于邊頻帶理論的分析表明，該齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)良好，其振動(dòng)頻譜符合無(wú)故障齒輪組的典型特征；通過(guò)對(duì)本齒輪箱局部故障特征頻率的對(duì)比，可以排除齒輪組局部故障的可能。綜上，該齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)良好，振動(dòng)強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)限值以下，滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。