频谱分析法在齿轮故障诊断中的应用

潘 林

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏 仪征 211900)

作为一种变速及扭矩传动机构，齿轮箱因结构紧凑、传递动力大、输出效率高、运行稳定而在众多机器或机组中得到广泛的应用。对于大型设备及连续生产设备，齿轮箱一旦发生故障，对于整台机器或者机组的正常运行都是灾难性的打击。因此，为确保齿轮箱运行的可靠性及稳定性，对其工况进行状态监测及故障诊断是十分必要的。

据有关数据统计，齿轮在齿轮箱各零部件的故障中所占比例高达60%以上【1】，在实际工业生产过程中，齿轮运行状态的振动监测和故障诊断对于降低设备维修费用、预防突发性事故具有重要的实际意义，并得到了广泛关注和深入研究。目前齿轮故障诊断最主要的方式是对齿轮振动频谱信息进行分析，以判断齿轮的运行状况。齿轮的振动频谱图中包含了丰富故障源信息【2】，它能迅速、真实、全面地反应齿轮的运行状态及故障的性质范围，因此对齿轮运行状态的频谱图进行分析，可确定故障及其原因。

1 频谱分析法

频谱分析法是对设备的振动信号进行采集，并将采集信号分解转换成由各种频率信号及其强弱程度组成的频谱图。通过计算、分析和筛选，找出频谱图中与机械零部件工作特性有关的频率，例如，齿轮的啮合频率、转子的旋转频率、轴承的运转频率等，以寻找故障源和故障原因。齿轮原因导致的振动主要是由于齿轮的制造与安装误差、磨损、剥落、断齿和点蚀等故障引起的。这些故障源通常是齿轮轴旋转的同周期振动。振动频谱中通常包含齿轮轴的转频及其谐波，因此故障齿轮的振动频谱图往往表现为故障齿轮啮合频率及其谐波受到齿轮旋转频率的调制，通常会在频谱图上形成以齿轮啮合频率及其谐波为中心、以齿轮轴转频为间隔均匀分布的边频带。图1是典型的齿轮啮合振动信号频谱图，图1中fr是齿轮轴转频，fz是齿轮啮合频率，2fz是啮合频率二次谐波。

图1 典型齿轮啮合振动信号频谱

在啮合频率及其谐波两侧存在一定的频率峰值，这些峰值之间的距离(a，b，c)正好与转频fr相等。这些啮合频率周围分布的频率称为边频带。其中啮合频率反映了故障齿轮所在位置，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的高低反映了故障的严重程度【3】。

2 典型齿轮故障的频谱特征

在实际应用过程中，齿轮故障的形式主要有齿轮磨损、断齿、齿面剥落、点蚀、胶合等，并且每种故障形式都有典型频率特征及其谐波、以及边频带的关系，这些频谱特征为齿轮故障诊断过程中的频谱分析提供了依据。

2.1 齿的磨损、过载

齿轮的均匀性磨损、 齿轮载荷过大等原因引起的故障，都会在轮齿之间产生很高的冲击力， 此时会产生以啮合频率的谐波频率为载波的频率， 其中啮合频率的幅值相对正常状态将明显增大， 但在啮合频率及其谐波周围不产生边频带。随着齿轮磨损劣化， 啮合频率及谐波幅值会继续增长。

2.2 断齿、齿面剥落

断齿、 齿面剥落等属于齿轮集中缺陷的局部性故障， 在齿轮运行至缺陷部位时， 会激发瞬时的冲击， 产生一个高幅值的波峰。此时， 啮合频率将受到旋转频率的调制， 在啮合频率其及谐波两侧产生一系列的边频带， 其频谱特点是边频带数量多、 范围广、 分布均匀且较为平坦。随着此类缺陷的扩大， 边频带在宽度范围及幅值上也会增大。

2.3 点蚀、胶合

点蚀、胶合等分布比较均匀的缺陷，同样也将产生周期性冲击脉冲和调幅、调频现象。但是，与断齿等局部性故障不同的是，由于点蚀、胶合都属于浅表缺陷，在齿轮啮合时不会激发瞬态冲击，因此在啮合频率及其谐波两侧分布的边频带阶数少且集中，其频谱特点是边频带数量分布范围窄、幅值起伏变化大。

3 频谱分析在齿轮故障诊断中的应用实例

在对仪化聚酯装置16单元17R01低粘端减速箱的例行巡检过程中发现，自2015年年初开始，该齿轮箱存在周期约为0.5 s的振动冲击，但减速箱本身振动值没有明显变化。该减速箱是聚酯生产的大机组核心设备，一旦该设备出现问题停运，整条生产线将被迫停车，造成巨大的经济损失。鉴于现场减速箱无明显振动，通过听棒听诊及振动检测等常规方式均无法判断出振动冲击的部位及形成原因，故对该减速箱进行现场振动信号采集和故障诊断。该齿轮箱部分运行参数如表1 所示。

表1 齿轮箱参数

计算可得：

第三轴转频

第三轴与第四轴啮合频率

f34啮=f3×Z3主=2.01×14=28.15 Hz

第三轴旋转周期

查看频谱图，并与各种故障状态下的典型特征对比发现，其明显存在第三轴和第四轴四级啮合频率(f34啮=28.15 Hz)，谐波频率已经远超过基波频率。振动能量的缓慢增加，说明磨损在缓慢增长。随着状态恶化，振动值缓慢增长，三级与四级啮合频率幅值增长明显，同时啮合频率周围开始产生以第三轴转频(f3=2.01 Hz)为间隔的边频，而且边频带体现的特征为数量多、范围广(24～60 Hz)、分布均匀且较为平坦，如图2所示。通过时域波形图可以发现，时域信号明显存在着周期约为0.5 s的尖峰冲击，与第三轴旋转周期T3相等，如图3所示。

根据频谱图和时域波形图判断，齿轮箱第三轴主动齿轮故障是造成冲击能量的根源，齿轮箱第三轴主动齿轮已磨损劣化且可能局部磨损变重或局部齿轮剥落。

装置立即安排降低反应器运行转速，对第三轴主动齿轮展开针对性检查。检查发现，齿轮箱第三轴主动齿中有一齿的2/3已断没(见图4)，问题已很严重。但由于此齿轮箱无备台更换，装置立即着手购买，在此期间，减速箱只能通过降低转速并每天进行状态监测分析监控运行。通过降低转速，振动值略有下降，状态监测频谱显示齿轮无明显恶化迹象，直至购回备台齿轮箱并更换后，隐患消除。

图2 频谱

图3 时域波形

4 结语

多年的实践应用表明： 频谱分析法是一种建立在多学科基础上的实用技术， 此诊断方法具有技术基础可靠、 故障源判断精确、 工程应用性强等特点。以上实例证明， 频谱分析法能准确判断出齿轮的故障位置及故障的严重程度， 以便结合实际的运行状态采取最佳的维修策略， 有效遏制非计划停机带来的损失， 以达到节约人力、 物力、 财力和时间的目的， 给企业带来显著的经济回报。

图4 断齿