大型游樂設(shè)施傳動系統(tǒng)在線振動檢測研究與故障診斷

汪 洋　雷慶秋

（河南省特種設(shè)備安全檢測研究院　鄭州　450004）

大型游樂設(shè)施傳動系統(tǒng)在線振動檢測研究與故障診斷

汪 洋雷慶秋

（河南省特種設(shè)備安全檢測研究院鄭州450004）

針對國內(nèi)大型游樂設(shè)施的故障診斷現(xiàn)狀和存在的問題，通過對大型游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件主要失效形式和故障動態(tài)信號的分析，確定了關(guān)鍵零部件常見故障的敏感參數(shù)及對應(yīng)頻段的頻譜特征。研究了關(guān)鍵零部件的狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，通過在線振動檢測技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和故障的智能評價和診斷，提高故障預(yù)警的技術(shù)水平，預(yù)防和避免重大事故發(fā)生。

游樂設(shè)施傳動系統(tǒng)振動檢測故障診斷

大型游樂設(shè)施已經(jīng)有了100多年的歷史，隨著現(xiàn)代科技的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大型游樂設(shè)施的發(fā)展呈現(xiàn)這樣幾個特點(diǎn)：1）更高、更快、更刺激；2）高科技廣泛應(yīng)用于游樂設(shè)施中；3）組合游樂設(shè)施不斷推新；4）環(huán)保型、移動式游樂設(shè)施得到發(fā)展［1］。正是由于其追求高速、驚險、刺激的運(yùn)動特點(diǎn)，在給人們帶來娛樂的同時，也決定了大型游樂設(shè)施并不是“有驚無險”的機(jī)電設(shè)備，尤其是近幾年事故時有發(fā)生，并引發(fā)不同數(shù)量的人員傷亡［2］。

游樂設(shè)施事故通常有三種形式：機(jī)械故障、停機(jī)和高空墜落，其中因?yàn)闄C(jī)械故障引起的停機(jī)直接造成高空滯留，造成了游客的恐慌。通過對事故的調(diào)查與分析，導(dǎo)致事故發(fā)生的直接原因在于設(shè)備運(yùn)行時出現(xiàn)故障或者部件失效，而間接原因缺少有效的診斷技術(shù)和針對性的維護(hù)保養(yǎng)措施。因此面對日益復(fù)雜、結(jié)構(gòu)繁雜的大型游樂設(shè)施，迫切需要更精確、更普遍、更多元化的安全評價和檢測方法，而研究關(guān)注的熱點(diǎn)都在于尋找一種有效的方法解決現(xiàn)場檢測時不拆卸設(shè)備而快速診斷出設(shè)備可能存在故障的技術(shù)。

目前國內(nèi)外對大型游樂設(shè)施大多局限于靜態(tài)（如停機(jī)、解體、探查等）檢查與分析［3］，或是對速度、加速度等動態(tài)信號的采集與研究，但由于機(jī)電類設(shè)備有些故障只有在動態(tài)下才表現(xiàn)出來或者表現(xiàn)得更明顯的現(xiàn)象出發(fā)，因此采用目視檢查及運(yùn)行中用人耳監(jiān)聽有無異常響聲或者定期解體檢查等落后的在役設(shè)備安全檢查方法，常常不能及早有效地發(fā)現(xiàn)事故隱患。本文根據(jù)大型游樂設(shè)施的運(yùn)動特點(diǎn)和故障特點(diǎn)，將振動分析技術(shù)用于大型游樂設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測和分析，從而較好的解決了現(xiàn)場檢測時不拆卸設(shè)備而快速診斷出設(shè)備可能存在故障這個難題。

1　關(guān)鍵零部件主要失效形式分析

大型游樂設(shè)施機(jī)械傳動系統(tǒng)中的主要零部件由齒輪、滾動軸承、軸、緊固件、密封件和箱體等組成，表1中列出了主要零部件失效比重［4］。齒輪、軸和滾動軸承作為大型游樂設(shè)施機(jī)械傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，三者失效比重達(dá)90%，而且失效時彼此間還會出現(xiàn)相互影響的故障，因此分析關(guān)鍵零部件的主要失效形式是設(shè)備故障診斷的重點(diǎn)。

表1　主要零部件失效比重

1.1齒輪的主要失效形式

1）齒輪制造過程的工藝不當(dāng)，造成的齒輪幾何尺寸的超差，如：齒間距離誤差、齒輪偏心和齒形偏差等缺陷；

2）齒輪傳動系組裝過程的不合理，導(dǎo)致齒輪傳動異常，如：齒側(cè)間隙過大、中心線不平行等；

3）齒輪自身在制造、組裝和使用中形成的損傷，如：塑變、點(diǎn)蝕、斷裂等缺陷。

1.2滾動軸承的主要失效形式

滾動軸承在運(yùn)行過程中形成的主要失效形式有疲勞、膠合、磨損、燒傷、腐蝕、破損、壓痕等。大型游樂設(shè)施的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速相對較高，作為承力單元的滾動軸承的好壞直接決定著設(shè)備的健康狀態(tài)。齒輪和傳動軸的異常也會導(dǎo)致滾動軸承的失效，反之也一樣［5］。

1.3軸的主要失效形式

游樂設(shè)施傳動機(jī)構(gòu)中的軸與軸之間是通過聯(lián)軸器連接，在運(yùn)行時，當(dāng)這種軸系出現(xiàn)軸不對中、軸不平衡、軸彎曲等缺陷時，使得旋轉(zhuǎn)中的軸在徑向承受較大交變力作用，從而產(chǎn)生振動。同時當(dāng)安裝于軸上的齒輪、軸承出現(xiàn)故障時，也會引起軸的失效，這些故障也將嚴(yán)重影響設(shè)備整體健康狀態(tài)。

2　故障振動信號特征

與其他特征量相比，振動特征不僅對設(shè)備的狀態(tài)反應(yīng)迅速、全面真實(shí)，而且很好地反應(yīng)齒輪、滾動軸承和軸系故障的性質(zhì)、范圍等，因此振動信號是公認(rèn)的、較好的特征提取量，用途也最為廣泛，同時也具有比較完善的分析方法。

2.1齒輪故障特征

齒輪故障的特征大多以振動和噪聲信號中體現(xiàn)出來，這些信號可以通過相關(guān)傳感器、放大器等測量儀器進(jìn)行采集，然后對這些信號進(jìn)行識別、處理與分析，從中找出關(guān)注的頻域、嚙合波形等信息［6］。

1）正常齒輪的振動波形的衰減呈周期性，其低頻信號的嚙合波形近似正弦波，在頻譜圖上主要表達(dá)了軸的旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪嚙合頻率和諧波分量的情況，如圖1所示，圖中：fr表示齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率（Hz），fg表示齒輪的嚙合頻率（Hz），而nfg（n=1，2，···）則表示齒輪的諧波分量（Hz），下同。

圖1　齒輪正常的頻譜

2）當(dāng)傳動齒輪發(fā)生均勻磨損，此時齒側(cè)間隙增加，初期時不會產(chǎn)生明顯的沖擊，但隨著磨損的加劇，齒側(cè)間隙會進(jìn)一步增大，振動的幅值相對也會產(chǎn)生較大改變，導(dǎo)致原有的正弦波形發(fā)生變形，如圖2所示。

圖2　齒輪均勻磨損的頻譜

3）當(dāng)齒輪出現(xiàn)幾何偏心時，使得齒輪的附加脈沖幅值增大，形成周期性的載荷波動，進(jìn)而出現(xiàn)調(diào)幅現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3　齒輪幾何偏心的頻譜

4）當(dāng)齒輪發(fā)生局部異常（如裂紋、折斷和齒形誤差等）時，也是以齒輪軸旋轉(zhuǎn)頻率為基本頻率，通常的局部異常都會影響頻率結(jié)構(gòu)以及該頻率處的振幅情況，如圖4所示。

圖4　齒輪局部異常的頻譜

5）若齒輪存在質(zhì)量不平衡，就會產(chǎn)生不平衡力，就會引起以調(diào)幅為主、調(diào)頻為輔的不平衡振動，在相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波處的幅值也增加，如圖5所示。

圖5　齒輪質(zhì)量不平衡的頻譜

2.2滾動軸承故障特征

滾動軸承除本身固有振動外，還因自身存在的缺陷（如偏心、點(diǎn)蝕、加工波紋等）引起振動，此外設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，零部件相互間產(chǎn)生機(jī)械沖擊，導(dǎo)致沖擊脈沖變動幅度較大的力。常見軸承故障所造成的缺陷部位、頻率構(gòu)成、產(chǎn)生原因的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2　軸承缺陷部位、頻率構(gòu)成與產(chǎn)生原因?qū)?yīng)關(guān)系

表2中：

n ——軸承安裝軸的轉(zhuǎn)速；

Z ——軸承滾動體的數(shù)量；

fr——軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率；

fi——為軸承一個滾動體（或保持架）通過內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率；

fb——為軸承一個滾動體上的一點(diǎn)通過內(nèi)圈或外圈的頻率；

fc——為軸承一個滾動體（或保持架）通過外圈上一點(diǎn)的頻率。

3　設(shè)備狀況評價的研究

3.1狀況評價參數(shù)

為了監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)或評價其健康狀況，一般選擇與振動有關(guān)的參數(shù)，作為評價指標(biāo)［7，8］。

●3.1.1動態(tài)參數(shù)

1）振幅：直觀地反映了振動的程度，可采用不同型式的傳感器，分別對位移、速度和加速度等振動信號進(jìn)行幅值采集。圖6給出了不同型式振動傳感器的常用測量頻率范圍。

圖6　振動傳感器的常用測量頻率

2）振動烈度：對于機(jī)器振動狀態(tài)，現(xiàn)行多選用振動烈度來反映其特征，就是振動速度的均方根值，即：

式中：

vrms——振動烈度，mm/s；

v ——振動速度，mm/s；

T ——采樣長度，s 。

通過傳感器測得的數(shù)據(jù)，采用式（2）的算法，即可求得振動速度的均方根，避免了采用其他數(shù)學(xué)方法計算所產(chǎn)生的誤差。

式中：

aj——加速度的幅值單邊峰值，mm/s2；

ωj——角速度，rad/s；

sj——位移的幅值單邊峰值，mm；

vj——速度的幅值單邊峰值，mm/s；

n——測得的加速度或速度或位移的數(shù)量；

j——對應(yīng)測量的次數(shù)，1，2，3，…，n。

3）相位：這個參數(shù)適用于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的故障特性、動態(tài)特性及轉(zhuǎn)子動平衡的評價。

●3.1.2靜態(tài)參數(shù)

1）軸心重合度：軸承旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)當(dāng)與軸頸轉(zhuǎn)動中心重合，若出現(xiàn)重合度偏差，會造成軸承磨損等缺陷。

2）軸向定位：設(shè)備轉(zhuǎn)子上的止推環(huán)對軸承在軸向應(yīng)起到止推定位，當(dāng)兩者之間發(fā)生相對移動就會產(chǎn)生靜摩擦，易出現(xiàn)事故。

3）轉(zhuǎn)子與靜子間差脹：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子與靜子沿軸向相對間隙的變化量，若過大則會造成設(shè)備啟動困難。

4）軸系對中：反映了軸系轉(zhuǎn)子之間的連接對中情況，它與各軸承之間的相對位置有關(guān)，不對中故障是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障之一。

5）軸承溫度：軸承處的溫度反映了設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。

6）軸承油壓：反映了滑動軸承軸瓦處油膜的形成狀況。

3.2評價標(biāo)準(zhǔn)

目前國際上大多以振動烈度的作為評價的依據(jù)，如德國VDI 2056、英國BS4675、加拿大CDA/MS/ NVSH107和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372。根據(jù)大型游樂設(shè)施的機(jī)械傳動特征，此處主要以ISO 2372作為評價標(biāo)準(zhǔn)，表3為該標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)振動烈度的評價表。按照不同型式的大型游樂設(shè)施的有關(guān)參數(shù)和信息（轉(zhuǎn)速、電動機(jī)功率、機(jī)座安裝型式等），可根據(jù)測得的數(shù)據(jù)經(jīng)換算為振動烈度的大小，對相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)（A——良好；B——允許；C——較差；D——不合格）進(jìn)行分級評價。

表3　振動烈度評價表

3.3評價過程

●3.3.1測點(diǎn)布置原則

從設(shè)備輸入端往輸出端按序?qū)y點(diǎn)進(jìn)行編號，采集數(shù)據(jù)的傳感器應(yīng)盡可能布置在離軸承座近的位置，如輸入軸或輸出軸附近。

●3.3.2固有參數(shù)分析

齒輪傳動系的嚙合頻率與軸的轉(zhuǎn)速和齒輪的齒數(shù)有關(guān)，通過對每一對齒輪間傳動系的分析，計算出每根傳動軸的轉(zhuǎn)頻，從而進(jìn)一步計算出兩兩軸間的嚙合頻率。

根據(jù)軸承的型號，可以查得軸承的內(nèi)圈外徑、外圈內(nèi)徑、滾動體直徑、滾動體個數(shù)和厚度等相關(guān)信息。

●3.3.3采樣參數(shù)設(shè)置

采樣參數(shù)主要包括采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，對采樣頻率設(shè)置，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所測點(diǎn)的最低轉(zhuǎn)速、齒輪嚙合頻率、最高分析頻率、最小頻率分辨率來確定。

●3.3.4報警門檻值設(shè)置

設(shè)備故障關(guān)注點(diǎn)主要為齒輪故障和滾動軸承故障，考慮到現(xiàn)場采集到的一次信號為寬帶信號，既包含了齒輪信息也包含了滾動軸承信號和其它信息，結(jié)合滾動軸承與齒輪故障的頻率特性，宜采用分頻帶的方式進(jìn)行報警，以提高報警的可靠性及靈敏性。

●3.3.5評價過程

評價過程中要分析各測點(diǎn)的振動烈度、峰值、峭度和峰值指標(biāo)等值［9］，原則上若有任何一個指標(biāo)超過了界限值，即可認(rèn)為設(shè)備可能存在健康問題。

4　工程應(yīng)用實(shí)例

對大型游樂設(shè)施“阿拉伯飛毯”，使用“PDESE型設(shè)備狀態(tài)檢測與安全評價系統(tǒng)”，進(jìn)行了現(xiàn)場振動測試，分析振動原因，提出解決問題建議，從而驗(yàn)證所研究方法的有效性。

4.1測試流程

振動測試流程如圖7所示。

圖7　振動測試流程圖

4.2測量點(diǎn)選擇

該大型游樂設(shè)施的傳動系統(tǒng)由電動機(jī)通過減速器拖動，采用滾動軸承支承，電動機(jī)底座為鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，減速機(jī)直接坐落在地板上，其低速軸輸出轉(zhuǎn)速為25r/min，傳動系統(tǒng)示意及測點(diǎn)布置簡圖見圖8。

圖8　傳動示意圖及測點(diǎn)布置圖

4.3測試參數(shù)設(shè)置

根據(jù)機(jī)組的相關(guān)情況，考慮到減速機(jī)及滾動軸承的振動特性，結(jié)合現(xiàn)場的振動特點(diǎn)，為了能夠準(zhǔn)確全面分析該機(jī)組的振動情況，采集參數(shù)設(shè)置為：自由采集，采樣長度4096，采樣頻率792Hz（分析頻率為309Hz），選用速度傳感器磁座安裝，分別測1～3點(diǎn)水平和垂直方向的振動。

4.4測試結(jié)果

各測試點(diǎn)振動烈度值見表4，各測試點(diǎn)波形頻譜圖分別見圖9～圖11。

表4　振動烈度值

圖9　測試點(diǎn)1的X和Y方向波形頻譜圖

圖10 測試點(diǎn)2 的X 和Y 方向波形頻譜圖

圖11 測試點(diǎn)3的X和Y方向波形頻譜圖

4.5分析與評價

根據(jù)3個測點(diǎn)的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)1（也就是電動機(jī)）的振動最大，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于殼體振動烈度標(biāo)準(zhǔn)的危險值，電動機(jī)處于危險工作狀態(tài)，其次是電動機(jī)底座的振動，而減速機(jī)的徑向振動相對較小，而軸向振動與電動機(jī)相差不多。這說明，振源應(yīng)在電動機(jī)這邊。從振動方向上看，電動機(jī)的水平方向振動最大，其次是豎直方向。

從電動機(jī)輸出端測點(diǎn)水平方向的波形頻譜看，波形相對于X軸對稱，頻譜主要表現(xiàn)為1倍頻；而豎直方向的波形也相對于X軸對稱，但是頻譜則以2倍頻最明顯，還有明顯的3～8倍頻等高次諧波分量，而1倍頻則不明顯；軸向則以1倍頻最明顯，伴有明顯的2倍頻以及其它高次諧波分量；測點(diǎn)2（減速器高速軸）水平方向波形表現(xiàn)出明顯的不對稱性，其頻譜以2倍頻為主，伴有明顯的1倍頻和3倍頻及其它高次諧波分量；豎直方向波形對稱，但是頻譜與水平方向相似；測點(diǎn)3的情況與測點(diǎn)2情況類似。

綜合以上振動特征，結(jié)合該大型游樂設(shè)施以往工作情況，評價如下：

1）電動機(jī)基礎(chǔ)剛度具有明顯的不足，特別是水平方向的剛度更弱，而在垂直方向的單向支承剛度的不足，導(dǎo)致電動機(jī)與底座出現(xiàn)松動產(chǎn)生振動；

2）根據(jù)現(xiàn)場信號表現(xiàn)出的超低頻振動現(xiàn)象，經(jīng)分析可能是減速器大齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率，齒輪可能發(fā)生輕微磨損；

3）由于該設(shè)施長期帶病工作，軸承滾動體嚴(yán)重磨損。

4.6處理建議

根據(jù)以上評價情況，建議重點(diǎn)檢查以下項(xiàng)目：

1）檢查電動機(jī)底座的剛度，可以通過增加支承的方式來加強(qiáng)底座的剛度；

2）檢查減速器內(nèi)部齒輪磨損情況，看是否存在點(diǎn)蝕或斷齒；

3）檢查滾動軸承進(jìn)行磨損情況，必要時進(jìn)行更換。

5　結(jié)束語

大型游樂設(shè)施日益向大型化、高速化、連續(xù)化和自動化等方向發(fā)展，對其實(shí)施現(xiàn)代化管理提出了更高的要求。當(dāng)大型游樂設(shè)施運(yùn)行異常或出故障時，通過在線振動檢測手段，運(yùn)用振動檢測設(shè)備的分析診斷功能，能及時判明故障原因，提供治理和檢修措施，防止了設(shè)備事故的發(fā)生，避免了不必要的設(shè)備檢修，提高設(shè)備利用率，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，這將為大型游樂設(shè)施的科學(xué)管理，指導(dǎo)安全運(yùn)行提供了有價值的信息，為制定科學(xué)檢修決策提供了依據(jù)，從而為提高我國大型游樂設(shè)施的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供有力的技術(shù)保障。

［1］陳剛，宋繼紅，陶雪榮.21世紀(jì)特種設(shè)備安全科技發(fā)展戰(zhàn)略［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［2］吳旭正，王桂晶.特種設(shè)備事故典型案例集［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2005.

［3］游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程（試行）（國質(zhì)檢鍋［2002］124號）［S］.

［4］羅一新.我國機(jī)械安全的現(xiàn)狀及對策［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2004，14（5）：92-93.

［5］茍春生，張昱.現(xiàn)代診斷技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用［J］.重鋼機(jī)動能源，2013，26（03）：35-42.

［6］韓捷，張瑞林，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理及診斷技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［7］王江萍.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及運(yùn)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［8］李國華.機(jī)械故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［9］盧文祥，杜潤生.工程測試與信息處理［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，1999.

On-line Vibration Detection Research and Fault Diagnosis of Large Amusement Ride Drive System

Wang YangLei Qingqiu
（Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and TestingZhengzhou450004）

For the fault diagnosis present situation and the existing problems of domestic large amusement ride， based on the fault dynamic signal analysis and main failure forms of key components in large amusement ride，the sensitive parameters and corresponding frequency spectrum characteristics of common failures for key components is determined. This paper researches on state evaluation standard of key components， realizes intelligent evaluation and diagnosis of equipment state and fault through the use of on-line vibration testing technology， improves the technological level of fault early warning， preventes and avoides major accidents.

Amusement rideDrive systemVibration detectionFault diagnosis

X924.2

B

1673-257X（2016）08-0022-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.006

汪洋（1960～），男，本科，院長，高級工程師，從事機(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)與機(jī)構(gòu)管理工作。

2016-05-04）