減速機振動異常原因及振動頻譜數據淺析

孟凡朋，胡立新

（山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司，山東 德州 253000）

在眾多工業領域生產過程中，減速機屬于常見的機械設備，齒輪是減速機中的關鍵部件。在實際工作中，齒輪的工作狀況與減速機整體運行有著密切的關系，一旦齒輪出現異常，將會影響減速機設備的運行，甚至威脅減速機運行階段的安全性。

1 減速機設備振動異常原因及案例

1.1 減速機設備振動異常的原因

導致減速機設備振動異常的原因較多，比如：齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合、齒輪斷齒、齒輪偏心等。設備振動異常的原因可劃分為齒輪磨損、齒輪裂紋、齒面斷齒、齒面偏心、齒輪不對中5種原因。

1.1.1 齒輪磨損

在減速機設備內齒輪屬于關鍵部件，是減速機設備力傳動的核心，其結構如圖1所示，隨著使用時間的增加，齒輪受到不斷承載沖擊、潤滑油內雜質等因素的影響，齒輪表面會出現不同程度的磨損，一般會有摩擦磨損、粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損4種。當齒輪磨損后表現出的故障信息，頻譜中會有被故障齒輪激起齒輪本身的固有頻率，并在齒輪的固有頻率兩側分布有故障齒輪轉軸頻率的邊頻帶，不過最為明顯的表現是振動總量會增加，頻譜中的2倍、3倍倍齒輪嚙合頻率分量幅值增加速度會很快，比1倍嚙合頻率幅值增長速度更快，因此，我們經常以分析各階頻譜分量的增長速度，如高次諧波分量比基頻增長速度快，來判定齒輪的磨損故障。

圖1 減速機設備結構示意圖

在磨損后期，嚙合頻率兩側邊帶的幅值會很高、邊帶數會增加，因此，邊帶分析比嚙合頻率能更好地反映出齒輪磨損狀態。

1.1.2 齒輪裂紋

在減速機長期受到承載力沖擊的影響，齒輪嚙合在載荷的多次重復咬合作用下，輪齒彎曲應力超過彎曲持久極限時，齒根部分因超出材料疲勞極限，將產生疲勞裂紋。當齒輪出現裂紋時會在振動頻譜中出現以n*轉頻為主的頻域特性信號，一般在低頻階段。在時域波形中會體現出以齒輪旋轉頻率為周期的沖擊脈沖信號。

1.1.3 齒輪斷齒

當齒輪裂紋逐漸延伸，齒輪無法承受傳動載荷時，最終將引起斷齒現象。當齒輪在工作中受到嚴重的沖擊、偏載以及材質不均勻等其他因素也會造成齒輪斷裂現象。齒輪斷齒現象是齒輪故障中最為嚴重的現象。在斷齒的嚙合過程中，主動齒與被動齒轉動咬合時，每轉一圈咬合斷齒一次，產生一次沖擊，所以斷齒故障頻率與齒輪旋轉頻率相同。

當齒輪斷齒故障時，最好的方法是時域及頻譜共同對照分析，時域波形中會以齒輪旋轉頻率為周期的沖擊脈沖形式存在。頻譜中以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪轉軸頻率及其諧波為調制頻率，分布在齒輪嚙合頻率兩側。齒輪斷齒調制邊的頻帶寬而高，也稱為局部缺陷故障。

1.1.4 齒輪偏心

在減速機齒輪部件加工過程中，由于加工設備精度、工藝、人員等原因，造成加工尺寸誤差，引起齒輪的質量中心與旋轉中心不重合，稱為齒輪偏心。在齒輪偏心故障分析時，頻譜中主要以齒輪旋轉頻率為主，同時低頻段會有多階次諧波，在齒輪嚙合頻率兩側分布有高幅值的邊頻帶，邊帶差值為偏心轉軸頻率。偏心嚴重時，兩側邊頻帶幅值不等，會有相差較大現象，一般為下邊帶幅值小。

1.1.5 齒輪不對中

在減速機使用過程中，齒輪受到過大的瞬時沖擊作用或長期在較大的偏載工況下工作時，齒輪會產生輕度彎曲或嚴重彎曲，造成不對中現象。另外因設計、制造、安裝不當等問題也會使齒輪軸產生不對中現象，不對中會對減速機的正常運行產生較大的影響，會使齒輪產生局部接觸，部分輪齒承受較大載荷，損傷齒輪。當齒輪不對中時，頻譜中一定關注問題齒輪的轉頻及其倍頻頻率，尤其是2倍頻，會以調制頻率的形式，分布在齒輪嚙合頻率及其諧波頻率兩側，調制頻率中2倍頻幅值最大，但是因為齒輪的不對中，齒輪嚙合頻率兩側的邊帶頻率幅值會不等，是咬合沖擊不均勻的體現。另外齒輪不對中同樣會造成齒輪嚙合頻率的2倍幅值高于其他諧波倍頻。

綜合上述幾種故障而言，齒輪的振動頻譜中會有固有頻率，同時存在齒輪嚙合頻率及倍頻頻率，邊頻帶的存在反映了齒輪的磨損及故障情況。時域波形中周期沖擊是判斷齒輪斷齒的有效手段。

1.2 減速機設備振動異常頻譜分析的舉例

案例1：山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司軋鋼廠高速線材生產線，軋機減速機設備結構采用三級傳動方式運行（如圖2所示），電機運行轉速為875r/min，計算Z1轉頻為14.58Hz，減速機I齒輪軸參數齒輪數為22，齒輪Z1/Z2嚙合頻率320.76Hz，減速機II齒輪軸參數齒數36，計算Z2轉頻8.91Hz。

圖2 減速機齒輪傳動示意圖

2020年8月26日，監測減速機I軸振動速度譜（圖3），低頻階段出現明顯減速機齒輪1軸轉頻1倍頻，幅值在4.4mm/s，并有多階倍頻諧波，頻譜中還明顯有I軸齒輪嚙合頻率，最高幅值在1.2mm/s，同時在齒輪嚙合頻率兩側有邊頻帶，幅值1.00mm/s。

圖3 測點1速度頻譜（8月26日）

2020年9月26日，監測減速機I軸振動速度譜（圖4），低頻階段出現明顯減速機齒輪1軸轉頻1倍頻，幅值在10.0mm/s，多階倍頻諧波共存，在150Hz-250Hz之間已激起齒輪Z1的固有頻率，頻譜中還有I軸齒輪嚙合頻率，最高幅值在4.0mm/s，在齒輪嚙合頻率兩側有邊頻帶，邊帶間隔為1倍頻, 幅值2.6mm/s。

圖4 測點1速度頻譜（9月26日）

對比2次不同時期的檢測數據，齒輪Z1頻1倍幅值明顯上升，齒輪嚙合頻率幅值、邊帶幅值也同樣上升比較快，說明齒輪存在故障，并故障劣化趨勢比較嚴重。另外，我們通過9月26日，SPM沖擊脈沖時域波形圖譜（圖5）來看，沖擊明顯且比較規則，有以齒輪旋轉頻率為周期的沖擊脈沖，屬于典型的齒輪斷齒沖擊波形。

圖5 測點1SPM沖擊脈沖時域波形圖譜（9月26日）

結合以上數據圖譜的分析，判定齒輪軸Z1存在不平衡現象，并伴隨有松動情況，Z1齒輪嚙合存在嚙合不良現象，造成齒輪有斷齒情況。

案例2：軋鋼廠高速線材生產線，軋機減速機設備結構采用二級傳動方式運行，電機運行轉速為933r/min，計算Z1轉頻為15.55Hz，減速機I齒輪軸參數齒輪數為29，齒輪Z1嚙合頻率450.95HZ，減速機II齒輪軸參數齒數59，計算Z2轉頻7.64Hz，II軸輸出齒輪齒數29，Z2輸出齒輪嚙合頻率221.56Hz。

2021年7月18日，監測減速機II軸振動加速度譜（圖6），頻譜中A點為Z2輸出齒輪嚙合頻率及其諧波。光標A移至II軸齒輪頻率位置（圖7），此頻率為一軸與二軸嚙合頻率，圖7中光標2點為其嚙合頻率的2倍諧波頻率，頻率幅值接近1倍嚙合頻率幅值的85%，同時在嚙合頻率兩側分布有邊頻帶，數量較多幅值不高（噪聲帶），綜合上述頻譜數據可得出減速機二軸齒輪有磨損現象。

圖6

圖7

2 減速機設備振動異常的影響

減速機的異常振動會對機械設備產生物理損傷，影響減速機設備的使用年限，導致軸承損壞，影響周圍人員及設備的安全。其次，會影響減速機設備的工作效率，主要是因為一旦機械出現振動，將會導致機械設備做無用功，降低了減速機設備的整體運行效率。一旦出現故障將會產生大量的噪音，對周圍環境會造成污染，久而久之，還會影響工作人員的身心健康，使得情緒不穩定，在工作中出現很多的失誤。

3 減速機設備振動異常的解決對策

解決分析減速機振動異常，要對現場工況及減速機內部結構情況充分了解，才能為減速機設備振動分析方向提供依據。在解決處理中，應當明確減速機設備出現振動的原因，一旦發現問題，需采取解決措施，排查導致減速機設備異常振動的原因，提出針對性的解決對策，為減速機設備的穩定運行保駕護航。結合相關資料，減速機設備異常振動原因的解決對策主要如下。

（1）減速機裝配時，應嚴格按照裝配技術質量標準及要求，并熟悉裝配圖紙。在消除各級齒輪軸向竄動時，除明確各級齒輪嚙合和軸承對軸向間隙要求外，還需保證齒輪軸受熱膨脹量。避免減速機設備本身裝配影響出現異常振動，合理的裝配尺寸要求會使得振動值降低。

（2）減速機日常使用過程中，定期對減速機進行拆開檢查孔觀察齒輪的嚙合情況，如齒輪表面磨損、有無點蝕、擦傷、咬合等，一旦出現齒輪面問題，應通過刮研、調整軸承及進行“跑合”，使齒輪嚙合達到標準狀態，定期的檢查會延長設備使用壽命，會降低設備運行振動值。

（3）減速機在設備大中修維護保養過程中，應解體檢查齒輪，用磁粉或者著色探傷等方法進行探傷，探傷后應消除磁力進行裝配，在齒輪嚙合調整時使用涂抹紅丹粉的方法調整齒輪嚙合面，保證齒輪嚙合面達到70%以上，避免齒輪嚙合受力不均造成異常振動。

（4）減速機安裝時，要注意與其相連接設備位置精度、聯軸器同軸度精度，減速機的螺固定栓緊固程度，避免螺栓松動等安裝問題，影響到減速機的異常振動。

4 結語

綜上所述，減速機屬于工業生產中常見設備，其應用范圍較廣，發揮著不可替代的作用，通過深入研究減速機設備振動原因，可降低減速機故障的發生率，延長設備的使用壽命，降低設備運行成本。高線減速機以前故障大都是突發性的，很難預知，通過開展頻譜分析和故障診斷，現在故障都在可控制范圍內。