齿轮箱振动的故障诊断与分析

安 妮，徐建民

(1.武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430074；2.武钢股份公司设备维修总厂，湖北 武汉 430080)

0 引 言

齿轮箱作为主要机械传动设备，被广泛应用于现代冶金、化工、动力等工业领域[1-3].在冶金行业中，轧机齿轮箱长期在高速、重载荷条件下连续工作,容易出现故障，甚至引起生产事故，对生产有很大的影响.设备运行中，齿轮箱振动为常见故障之一，导致其部件疲劳破坏[4-7].本文以某酸轧机组齿轮箱故障为例，通过对轧机齿轮箱振动信号的频谱分析进行故障诊断，并对断裂螺栓的力学特性进行研究，找到螺栓断裂的根本原因.

1 齿轮箱振动特征分析

轧机作为酸轧机组的核心设备，其运行状态直接影响到产品的质量和产量.2010年5月，轧机4#机架齿轮箱连接螺栓断裂事故，严重影响到该产线的正常生产，其后，齿轮箱螺栓断裂事故频频发生，4#机架齿轮箱在1～5架中振动最为明显，造成长时间停机抢修，给企业生产带来了一定的影响.因此，公司在4#机架安装在线监测系统，实现对4#机架齿轮箱的实时监控，从齿轮箱运行状态着手，分析引起振动的因素和螺栓断裂的根本原因.

齿轮箱故障诊断的常见方法是振动信号的频谱分析法[6]，根据监测结果，轴承座轴向、径向和水平方向(即轧制方向)振动信号的频谱图如图1～3所示.

对比齿轮箱上各测点振动的频域变化可以看出，振动信号在349.807 7 Hz、699.462 9 Hz以及其倍频处能量集中且数值较大.根据齿轮箱各类零件损坏比例的统计，齿轮失效占60％，其次依次为轴承19％、轴10％、箱体7％、紧固件3％、油封1％.因此，确定进一步的研究方向为齿轮振动信号分析.

图1 测点1(径向)加速度频谱图

图2 测点2(轴向)加速度频谱图

图3 测点3(轧制方向)加速度频谱图

齿轮振动信号中包含多种频率成分[8]，主要为以下3种：

(1)啮合频率为fm

式中：fz为齿轮回转频率，z为齿轮齿数，n为齿轮转速(r/min).

(2)固有频率

齿轮固有频率一般为1～10 kHz，而且该齿轮箱的两对齿轮质量大，这种包含固有频率的高频振动振幅较小，当经过曲折途径传到齿 轮箱时一般已经衰减了，多数情况只能测得齿轮的啮合频率.

(3)边频带

齿轮的边频带是判断齿轮故障非常有价值的信息.齿轮的制造缺陷和安装误差都可能成为振动的激励源，故障齿轮的振动信号表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，对于其频谱而言，其谱线是以啮合频率fm为中心，以故障齿轮的转频fz为间距呈对称分布的，一对边频可表示为fm±fz；如果有若干对边频，则可表示为mfm±nfz.边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化反映了故障的程度.

图4 齿轮箱转速信号

表1齿轮箱频率对比

Table 1 Frequency comparison of gearbox

轴序号传动比转速转频/r·min-1啮合频率/Hz对应特征频率/Hz齿轮1齿轮2齿轮1齿轮2齿轮1齿轮2Ⅰ输入轴/3.558.499 4145.55348.475 4146.093 4349.807 7Ⅱ下输出轴41304.8511.615 8145.55348.475 4174.6418.168 8//Ⅲ上输出轴36364.8511.615 8174.6418.168 8//

从表1中可知，Ⅰ轴41齿同Ⅱ轴30齿齿轮的啮合频率均有对应特征频率，说明该对齿轮啮合存在一定的故障.图5为测点1频谱的频率细化图.观察可知，在特征频率349.807 7 Hz的两侧均有边频，间隔约为8.5 Hz；而这些边频均同Ⅰ轴41齿齿轮的转频(8.499 4 Hz)相近，因此可以判断Ⅰ轴41齿齿轮可能出现故障，在啮合过程中形成振动的激励源.

图5 测点1放大后的频谱图

2 螺栓力学特性分析

在找到引起齿轮箱振动的振源后，进一步对螺栓断裂的原因进行分析.模拟工况建立力学分析模型[9-10]，在模型的下端面施加轴向约束，在其下螺纹面施加径向约束，在上端面再施加958 kN拉力.按照实际的约束情况对螺栓加载预紧力,得出螺栓预紧力工况下模态的前5阶振型图(如图6所示).

图6 螺栓的前5阶振型图

由图6可以得到螺栓预紧力工况下模态的前5阶固有频率值如表2所示.

表2 螺栓预紧力模态的前5阶固有频率

从螺栓预紧力工况下模态的分析结果(见表2)及其受力方式可知，螺栓的第3阶固有频率(685 Hz)与箱体振动特征频谱(699.462 9 Hz)相当接近，螺栓长期在相近振动频谱的工作环境下，极易发生机械共振,加速其失效断裂.

根据各阶固有频率的振型图,清楚地说明了齿轮箱振动时,螺栓上各个部分的振动幅度大小变化,以及每阶振型的最大变形.

3 结 语

齿轮在制造、安装过程中产生的误差往往引起系统振动，在齿轮箱振动信号的频谱图上，这些故障信息反映在边频带中，边频带的间隔与故障齿轮的转频相吻合，通过频谱分析法快速、准确的找到故障源.

文中所采用ANSYS模态分析方法，建立螺栓在模拟工况下的力学模型，计算出螺栓第3阶固有频率与齿轮箱振动主频率相近，产生共振是导致螺栓断裂的主要原因.这种方法也为今后解决此类工程问题提供了一种新思路.

参考文献：

[1]康海英,栾军英.基于时频和频谱分析的齿轮箱故障诊断[J].军械工程学院学报,2004(3):10-13.

[2]鲁艳军,陈汉新,贺文杰,等.基于混合特征提取和WNN的齿轮箱故障诊断[J].武汉工程大学学报,2011,33(5)：82-88.

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[4]贺文杰,Bajolet Julien,Yoann Plassard,等.基于EMD和FFT的齿轮箱故障诊断[J].武汉工程大学学报，2011,33(1):65-70.

[5]肖萍.齿轮箱振动故障的分析[J].宁夏石油化工,2003(4):40-42.

[6]陈宇晓.齿轮箱故障的振动诊断方法[J].宁波职业技术学院学报,2003(2):80-82.

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[8]陈汉新,王庆均,陈绪兵,等.基于解调振动信号特征提取齿轮箱的故障诊断[J].武汉工程大学报,2010,30(9):67-77.

[9]郝文化.ANSYS实例分析与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[10]刑静忠,王永岗.ANSYS分析实例与工程应用[M].北京：机械工业出版社,2004.