齒輪箱振動(dòng)的故障診斷與分析

安 妮，徐建民

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武鋼股份公司設(shè)備維修總廠，湖北 武漢 430080)

0 引 言

齒輪箱作為主要機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代冶金、化工、動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域[1-3].在冶金行業(yè)中，軋機(jī)齒輪箱長(zhǎng)期在高速、重載荷條件下連續(xù)工作,容易出現(xiàn)故障，甚至引起生產(chǎn)事故，對(duì)生產(chǎn)有很大的影響.設(shè)備運(yùn)行中，齒輪箱振動(dòng)為常見故障之一，導(dǎo)致其部件疲勞破壞[4-7].本文以某酸軋機(jī)組齒輪箱故障為例，通過對(duì)軋機(jī)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析進(jìn)行故障診斷，并對(duì)斷裂螺栓的力學(xué)特性進(jìn)行研究，找到螺栓斷裂的根本原因.

1 齒輪箱振動(dòng)特征分析

軋機(jī)作為酸軋機(jī)組的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量.2010年5月，軋機(jī)4#機(jī)架齒輪箱連接螺栓斷裂事故，嚴(yán)重影響到該產(chǎn)線的正常生產(chǎn)，其后，齒輪箱螺栓斷裂事故頻頻發(fā)生，4#機(jī)架齒輪箱在1～5架中振動(dòng)最為明顯，造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)搶修，給企業(yè)生產(chǎn)帶來了一定的影響.因此，公司在4#機(jī)架安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4#機(jī)架齒輪箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)著手，分析引起振動(dòng)的因素和螺栓斷裂的根本原因.

齒輪箱故障診斷的常見方法是振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析法[6]，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，軸承座軸向、徑向和水平方向(即軋制方向)振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖如圖1～3所示.

對(duì)比齒輪箱上各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的頻域變化可以看出，振動(dòng)信號(hào)在349.807 7 Hz、699.462 9 Hz以及其倍頻處能量集中且數(shù)值較大.根據(jù)齒輪箱各類零件損壞比例的統(tǒng)計(jì)，齒輪失效占60％，其次依次為軸承19％、軸10％、箱體7％、緊固件3％、油封1％.因此，確定進(jìn)一步的研究方向?yàn)辇X輪振動(dòng)信號(hào)分析.

圖1 測(cè)點(diǎn)1(徑向)加速度頻譜圖

圖2 測(cè)點(diǎn)2(軸向)加速度頻譜圖

圖3 測(cè)點(diǎn)3(軋制方向)加速度頻譜圖

齒輪振動(dòng)信號(hào)中包含多種頻率成分[8]，主要為以下3種：

(1)嚙合頻率為fm

式中：fz為齒輪回轉(zhuǎn)頻率，z為齒輪齒數(shù)，n為齒輪轉(zhuǎn)速(r/min).

(2)固有頻率

齒輪固有頻率一般為1～10 kHz，而且該齒輪箱的兩對(duì)齒輪質(zhì)量大，這種包含固有頻率的高頻振動(dòng)振幅較小，當(dāng)經(jīng)過曲折途徑傳到齒 輪箱時(shí)一般已經(jīng)衰減了，多數(shù)情況只能測(cè)得齒輪的嚙合頻率.

(3)邊頻帶

齒輪的邊頻帶是判斷齒輪故障非常有價(jià)值的信息.齒輪的制造缺陷和安裝誤差都可能成為振動(dòng)的激勵(lì)源，故障齒輪的振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率對(duì)嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，對(duì)于其頻譜而言，其譜線是以嚙合頻率fm為中心，以故障齒輪的轉(zhuǎn)頻fz為間距呈對(duì)稱分布的，一對(duì)邊頻可表示為fm±fz；如果有若干對(duì)邊頻，則可表示為mfm±nfz.邊頻帶反映了故障源信息，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，幅值的變化反映了故障的程度.

圖4 齒輪箱轉(zhuǎn)速信號(hào)

表1齒輪箱頻率對(duì)比

Table 1 Frequency comparison of gearbox

軸序號(hào)傳動(dòng)比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)頻/r·min-1嚙合頻率/Hz對(duì)應(yīng)特征頻率/Hz齒輪1齒輪2齒輪1齒輪2齒輪1齒輪2Ⅰ輸入軸/3.558.499 4145.55348.475 4146.093 4349.807 7Ⅱ下輸出軸41304.8511.615 8145.55348.475 4174.6418.168 8//Ⅲ上輸出軸36364.8511.615 8174.6418.168 8//

從表1中可知，Ⅰ軸41齒同Ⅱ軸30齒齒輪的嚙合頻率均有對(duì)應(yīng)特征頻率，說明該對(duì)齒輪嚙合存在一定的故障.圖5為測(cè)點(diǎn)1頻譜的頻率細(xì)化圖.觀察可知，在特征頻率349.807 7 Hz的兩側(cè)均有邊頻，間隔約為8.5 Hz；而這些邊頻均同Ⅰ軸41齒齒輪的轉(zhuǎn)頻(8.499 4 Hz)相近，因此可以判斷Ⅰ軸41齒齒輪可能出現(xiàn)故障，在嚙合過程中形成振動(dòng)的激勵(lì)源.

圖5 測(cè)點(diǎn)1放大后的頻譜圖

2 螺栓力學(xué)特性分析

在找到引起齒輪箱振動(dòng)的振源后，進(jìn)一步對(duì)螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析.模擬工況建立力學(xué)分析模型[9-10]，在模型的下端面施加軸向約束，在其下螺紋面施加徑向約束，在上端面再施加958 kN拉力.按照實(shí)際的約束情況對(duì)螺栓加載預(yù)緊力,得出螺栓預(yù)緊力工況下模態(tài)的前5階振型圖(如圖6所示).

圖6 螺栓的前5階振型圖

由圖6可以得到螺栓預(yù)緊力工況下模態(tài)的前5階固有頻率值如表2所示.

表2 螺栓預(yù)緊力模態(tài)的前5階固有頻率

從螺栓預(yù)緊力工況下模態(tài)的分析結(jié)果(見表2)及其受力方式可知，螺栓的第3階固有頻率(685 Hz)與箱體振動(dòng)特征頻譜(699.462 9 Hz)相當(dāng)接近，螺栓長(zhǎng)期在相近振動(dòng)頻譜的工作環(huán)境下，極易發(fā)生機(jī)械共振,加速其失效斷裂.

根據(jù)各階固有頻率的振型圖,清楚地說明了齒輪箱振動(dòng)時(shí),螺栓上各個(gè)部分的振動(dòng)幅度大小變化,以及每階振型的最大變形.

3 結(jié) 語

齒輪在制造、安裝過程中產(chǎn)生的誤差往往引起系統(tǒng)振動(dòng)，在齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖上，這些故障信息反映在邊頻帶中，邊頻帶的間隔與故障齒輪的轉(zhuǎn)頻相吻合，通過頻譜分析法快速、準(zhǔn)確的找到故障源.

文中所采用ANSYS模態(tài)分析方法，建立螺栓在模擬工況下的力學(xué)模型，計(jì)算出螺栓第3階固有頻率與齒輪箱振動(dòng)主頻率相近，產(chǎn)生共振是導(dǎo)致螺栓斷裂的主要原因.這種方法也為今后解決此類工程問題提供了一種新思路.

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