基于振動信號包絡(luò)分析的齒輪箱故障診斷及對策

黎康康 吳 剛 王志勇

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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基于振動信號包絡(luò)分析的齒輪箱故障診斷及對策

黎康康 吳 剛 王志勇

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

利用振動信號分析中的包絡(luò)分析方法對某機組齒輪箱的異常響聲進行診斷，通過振動分析發(fā)現(xiàn)該齒輪箱第3級大、小齒輪某固定位置均存在不良狀況，嚙合時故障點相互追逐導(dǎo)致了異常響聲。針對故障原因進行探討，并提出了可行的措施。

振動；包絡(luò)；齒輪箱；故障診斷

1 齒輪箱故障現(xiàn)象

某機組齒輪箱出現(xiàn)周期性異常響聲，在機組啟動及停機的過程中尤為突出，加載運行后機組異常響聲漸弱。該機組齒輪箱投入運行1年左右，同批次機組齒輪箱在啟動及停機過程中運行平穩(wěn)，無類似異常響聲。

2 齒輪箱特征頻率

該齒輪箱結(jié)構(gòu)為三級增速齒輪傳動，前兩級為NGW行星傳動，第3級為平行定軸傳動。根據(jù)齒輪箱各級齒數(shù)計算在額定轉(zhuǎn)速下各級齒輪傳動特征頻率[1](見表1)，根據(jù)齒輪箱各位置軸承參數(shù)計算在額定轉(zhuǎn)速下各軸承的特征頻率(見表2)，這些特征頻率將有助于識別該齒輪箱振動信號特征。

表1 額定轉(zhuǎn)速下各級齒輪傳動特征頻率匯總 /Hz

3 振動信號測試分析

現(xiàn)場啟機運行后，在額定轉(zhuǎn)速及穩(wěn)態(tài)的載荷下對齒輪箱各測點進行了振動信號測試，對振動值相對較大的高速級測點進行信號分析。高速級水平方向及軸線方向振動測點時域信號分別如圖1、圖2所示，從時域信號圖中可看出信號中存在一定的周期性沖擊信號。

表2 額定轉(zhuǎn)速下各軸承特征頻率匯總 /Hz

圖1 高速級水平測點時域信號

圖2 高速級軸向測點時域信號

利用MATLAB軟件對高速級水平及軸向振動測點的時域信號進行傅里葉變換得到的相應(yīng)頻譜圖如圖3、圖4所示，頻譜圖中譜線較正常信號更多、能量更大，推斷信號中存在相關(guān)故障特征，由于頻譜圖中信號雜亂，干擾較多，很難進一步識別出具體的故障信號，因此選擇了信號包絡(luò)譜分析方法[2]。

圖3 高速級水平測點頻譜圖

圖4 高速級軸向測點頻譜圖

圖5 高速級水平測點包絡(luò)譜圖

對高速級水平測點時域信號進行包絡(luò)譜圖分析的結(jié)果如圖5～圖7所示，可以看出包絡(luò)譜圖中的頻率特征信號非常明顯，振動信號成分主要為：30Hz及其大量諧波成分，8.4Hz及其大量諧波成分和1.17Hz及其大量諧波成分。結(jié)合前文中匯總的該齒輪箱特征頻率比較發(fā)現(xiàn)：30Hz為第3級小齒輪軸轉(zhuǎn)頻，8.4Hz為第3級大齒輪軸轉(zhuǎn)頻或第2級輸出軸轉(zhuǎn)頻，1.17Hz與第3級大小齒輪追逐頻率吻合。包絡(luò)譜圖中未發(fā)現(xiàn)其他異常頻率成分。同樣，對高速級軸向測點時域信號進行包絡(luò)譜圖分析也可以看到相同的頻率成分及其諧波。

圖6 高速級水平測點包絡(luò)譜圖(細化)

圖7 高速級水平測點包絡(luò)譜圖(細化)

通過以上振動信號包絡(luò)譜圖分析推斷齒輪箱第3級平行定軸傳動存在不良狀況的可能性較大，另外依據(jù)齒輪傳動追逐頻率產(chǎn)生的原理，可以確認第3級大、小齒輪上某個特定位置處均存在不良狀況，而不是發(fā)生在所有齒面上。當(dāng)?shù)?級大、小齒輪某特定位置上的故障點周期性匯合在一起時便產(chǎn)生了追逐頻率，也就會產(chǎn)生本文一開始所描述的周期性異響，因此需要立即檢查第3級平行定軸傳動的大、小齒輪狀態(tài)。

4 齒輪箱檢查

通過觀察窗對齒輪箱第3級大、小齒輪狀態(tài)進行了檢查，發(fā)現(xiàn)大齒輪存在1處沿嚙合線的磨損銹蝕痕跡(見圖8)，用手感觸摸磨損深度較淺。另外檢查發(fā)現(xiàn)小齒輪同樣存在1處沿嚙合線的磨損銹蝕痕跡(見圖9)，用手感觸摸磨損深度較淺。齒輪箱檢查結(jié)果與振動信號包絡(luò)譜圖分析結(jié)果一致。

圖8 第3級大齒輪齒面磨損痕跡

圖9 第3級小齒輪齒面磨損痕跡

5 對策及預(yù)防措施

由于齒面磨痕深度較淺，在短期內(nèi)不會引起齒輪失效，但如果不及時處理，機組繼續(xù)運行會增大齒面進一步發(fā)生點蝕或加劇磨損的風(fēng)險。現(xiàn)場可通過精密砂紙對齒面磨損處進行打磨修復(fù)直至用手摸沒有明顯觸感為止，采用該方法現(xiàn)場修復(fù)后該機組異常響聲消除。

分析該齒輪箱齒面磨損痕跡產(chǎn)生的原因，由于磨損痕跡均是沿嚙合線產(chǎn)生，而且發(fā)生在特定的位置，因此分析認為是由第3級大、小齒輪反復(fù)撞擊導(dǎo)致的。該齒輪箱第3級小齒輪輸出軸處安裝有液壓制動器，在第1級低速輸入軸處有機械鎖緊機構(gòu)，都是為了防止齒輪箱轉(zhuǎn)動。現(xiàn)場了解到該機組在近期長時間停機過程中輸出軸處于制動狀態(tài)，而輸入軸處于自由狀態(tài)，低速輸入軸在外力慣性作用下產(chǎn)生微小擺動。由于齒輪法向側(cè)隙影響，在齒輪箱低速輸入軸處產(chǎn)生1個微小擺動后，累積到第3級大齒輪處會產(chǎn)生1個較大的轉(zhuǎn)動角度，而此時第3級小齒輪輸出軸處于制動狀態(tài)，因此大齒輪會反復(fù)撞擊小齒輪齒面，最終產(chǎn)生了磨損。

針對該問題，后續(xù)的預(yù)防措施為規(guī)定機組在需要長時間停機的情況下，將低速輸入軸和高速輸出軸處同時鎖死，如果不是機組檢修等允許情況下也可以讓低速輸入軸和高速輸出軸同時保持自由狀態(tài)，僅單獨鎖死1處就可能會發(fā)生類似的故障現(xiàn)象。

[1] 林英志.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,中國林業(yè)出版社,2007.

[2] 趙懷璧,王 林.基于Hilbert解包絡(luò)及倒頻譜分析倒齒輪箱斷齒故障診斷研究[J].煤礦機械,2011(5):232-234.

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)04-0047-03

2015-11-25

黎康康(1986-)，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事齒輪箱試驗驗證及故障診斷技術(shù)的研究。

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