振動診斷技術在齒輪故障診斷上的應用

何鳳英

(鞍鋼集團有限公司教育培訓中心，遼寧 鞍山 114000)

0 引言

齒輪減速機和增速機是各類廠礦A類關鍵設備，工作中出現振動、噪音增大等異常現象時，可通過振動狀態監測與故障診斷，確認齒輪是否存在故障而機組的正常運行。

1 減速機振動狀態監測與故障診斷

某設備主傳動系統如圖1所示，采集振動數據時電機轉速740 r/min，錐齒輪齒數Z1=22、Z2=20。由于現場條件限制，僅能在減速機軸承座①～④部位安裝傳感器，測量其水平方向、垂直方向和軸向的振動，測試結果均超標。

圖1 設備主傳動系統及測點布置示意圖

測點①水平方向振動加速度值較大，達到9 G。其低頻頻譜圖出現圓錐齒輪嚙合頻率及其諧波，且幅值較大；嚙合頻率及其諧波帶有較明顯的邊帶，邊帶為Ⅰ軸轉頻，并且邊帶數量較多，分布范圍比較寬，如圖2所示。(Ⅰ軸轉頻fr=12.33 Hz，圓錐齒輪嚙合頻率fm=271.33 Hz)；在高、低頻時域波形中，Ⅰ軸轉頻的沖擊非常明顯，如圖2、圖3所示；在時域自相關后的波形中，齒輪嚙合頻率被轉頻調制很明顯，如圖4所示。

圖2 測點①水平方向加速度低頻時域波形與頻譜圖

圖3 測點①水平方向加速度高頻時域波形與頻譜圖

圖4 測點①水平方向加速度時域自相關波形圖

其它測點信號特征與此類似，不再贅述。根據齒輪故障的振動診斷理論，可判斷減速機Ⅰ軸齒輪存在比較嚴重的局部故障[2]。

根據振動診斷結論，適時對減速機進行檢修，解體時發現Ⅰ軸齒輪齒面剝落現象嚴重，見圖5所示的Ⅰ軸圓錐齒輪齒面損壞照片。

圖5 減速機Ⅰ軸齒輪齒面嚴重剝落

2 增速機振動狀態監測與故障診斷

某鼓風機設備簡圖及振動測點布置，如圖6所示。該設備電機容量為680 kW，電機轉速為

圖6 鼓風機設備簡圖及測點布置示意圖

1 480 rpm，增速機采用滾動軸承，增速機斜齒輪齒數分別為Z1=162、Z2=65。

由于設備振動與噪音增大，對該設備進行振動監測與診斷，測量結果見表1。

表1 鼓風機振動速度有效值 (mm·s-1)

由表中測量結果可知：增速機高速軸振動速度幅值較大，測點⑥垂直方向振動速度有效值達13.21 mm/s，參照ISO2373標準，判斷增速機處于較差運行狀態[1]。

圖7和圖8分別為測點⑥垂直方向振動加速度的時域波形與頻譜圖。

圖7 測點⑥垂直方向振動加速度時域波形圖

圖8 測點⑥垂直方向振動加速度頻譜圖

由圖7可以確定增速機齒輪運行存在較明顯的沖擊現象，沖擊時間間隔為低速軸回轉周期，低速軸每轉2轉有一次較大的沖擊發生；從圖8垂直方向振動加速度頻譜圖可以看出：500～5 000 Hz間振形凸起、峰值較高，這部分頻率包含部件、箱體共振頻率，說明齒輪箱存在較嚴重問題。頻譜圖出現齒輪嚙合頻率3 996 Hz且幅值較大，同時帶有少量低、高速軸轉頻(24.67 Hz和65.65 Hz)的邊帶。根據齒輪故障的振動診斷理論，可判斷高速軸齒輪有均布性故障[2]。

根據振動診斷結論，鼓風機適時安排檢修，打開增速機箱體后，發現高速軸齒輪存在明顯的疲勞點蝕現象，見圖9、圖10。

圖9 高速齒輪齒面疲勞剝落

圖10 齒輪疲勞剝落的金屬屑

3 結語

齒輪減速機與增速機是各類廠礦關鍵設備，受齒輪材料、熱處理、運行條件、使用維護、制造安裝等諸多因素的影響，運行中會產生如齒輪齒面疲勞點蝕剝落、磨損、膠合、塑性變形和輪齒折斷等多種形式故障，導致其不能正常工作，甚至造成重大設備事故而影響生產。因此必須準確把握設備運行狀態并預測其發展趨勢，實踐證明實施振動狀態監測和故障診斷，是最常用的且行之有效的方法。