浅议减速机的故障诊断

文/孙守明，丁集矿综机工区

1 减速机的结构

图1所示为一单级直齿圆柱齿轮减速机结构图,主要由齿轮、轴及轴承组合、箱体和减速机附件等组成。箱体是减速机的重要组成部分,是传动零件的基座。箱体通常用灰铸铁制造,对于重载或有冲击载荷的减速机可以采用铸钢箱体。单件生产的减速机,可采用钢板焊接的箱体。为了便于安装和拆卸,箱体制成沿轴心线水平剖分式结构。上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。箱座与地基用地脚螺栓联接。箱盖上的视孔是为检查啮合情况及向箱内注入润滑油而设置的,箱盖顶部还装有通气器,它能及时排出箱内废气。为了检查箱内油面的高低,在箱座侧面装有测油尺,箱座底部设有放油螺塞,用以放出箱内的油。

箱盖上的吊钩是为了吊装箱盖用的,而整个减速机的吊运,则用箱座上铸出的吊耳。为了便于打开箱盖,有些减速机上常设有起盖螺钉。为了保证在拆装箱盖时,保证箱盖与箱座的定位精确,而设置了两个定位销。

2 减速机的故障特征分析

2.1 轴不平衡

不平衡是旋转机械最常见的故障。引起转子不平衡的原因有结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。轴系不平衡的主要故障特征：

1）轴频或基频出现峰值，其他倍频振幅较小；

2）径向振动大；

3）轴心轨迹成为椭圆形；

4）振动强烈程度对工作转速的变化很敏感。

2.2 轴不对中

轴不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。轴不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中，联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。轴不对中的主要故障特征：

1）平行不对中径向出现轴的一倍频、二倍频峰值，尤以二倍频显著。

2）偏角不对中轴向振动大，在基频、二倍频甚至三倍频处有稳定的高峰。

3）平行偏角不对中轴向和径向均发生振动。

2.3 滚动轴承故障

滚动轴承的主要故障形式有：

1）疲劳剥落。滚动轴承工作时，滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处最大剪应力处形成裂纹，继而扩展到接触表面层生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就称为疲劳剥落。

2）磨损。由于滚道和滚动体的相对运动包括滚动和滑动和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损，而当润滑不良时更会加剧表面磨损。磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低运转精度。

3）塑性变形。在工作负荷过重的情况下，轴承受到过大的冲击载荷和静载荷，或者因为热变形引起的额外的载荷，或者当有高硬度的异物侵入时，都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。

4）断裂。当载荷超过轴承滚道或滚动体的强度极限时会引起轴承零件的断裂。此外，由于磨削加工、热处理或装配时引起的残余应力、工作时的热应力过大等也都有可能造成轴承零件的断裂。

2.4 齿轮故障

由于齿轮制造，操作，维护以及齿轮材料、热处理、运行状态等因素的不同，产生异常的形式也不同，常见的齿轮异常有以下几种形式。

1）齿面磨损。润滑油不足或油质不清洁，将造成齿面剧烈的磨粒磨损。

2）齿面胶合和擦伤。重载和高速的齿轮传动，使齿面工作区温度很高。新齿轮未经跑合时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。

3）齿面接触疲劳。齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。

4）弯曲疲劳与断齿。轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用。

3 主要故障诊断方法分析

一般而言，对随机信号可从时域和频域这两个角度来进行分析。如果对所测得的时间历程信号直接实行各种运算且运算结果仍然属于时域范畴，则这样的分析运算即为时域分析，如统计特性参量分析、相关分析等；反之，如果首先将所测时域信号经过傅立叶变换为频域信号，然后再对其施行各种运算的分析方法称为频域分析。

3.1 时域分析

常用工程信号都是时间波形的形式。时间波形有直观、易于理解等特点，由于是最原始的信号，所以包含的信息量大。缺点是不太容易看出所包含信息与故障的联系。对于某些故障信号，其波形具有明显的特征，这时可以利用时间波形做出初步判断。时域分析方法包括自相关函数、互相关函数、概率密度，时域平均等。

3.1.1 自相关函数

信号或数据X（t）的自相关函数Rx（τ）用以描述一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的依赖关系。不同信号具有不同的相关函数，是利用自相关函数进行故障诊断依据。正常运动的机器，其平稳状态下的振动信号的自相关函数往往与宽带随机噪声的自相关函数相近，而当有故障，特别是周期性冲击故障时，自相关函数就会出现较大的峰值。

3.1.2 互相关函数

互相关函数是表示两组数据之间的依赖关系的相关统计量，互相关函数在时间位移等于信号通道系统所需时间值时，将出现峰值。互相关分析不但可以利用互相延时和能量信息对传输通道进行识别，还可以检测外界噪声中的信号。

3.2 频域分析

3.2.1 自功率谱分析

自功率谱密度函数是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，它可由自相关函数的傅立叶变换求得，也可以直接用FFT求得。

自功率谱分析能够将实测的复杂工程信号分解成简单的谐波分量来研究，描述了信号的频率结构，因此对机器设备的动态信号作功率谱相当于给机器“透视”，从而了解机器设备各个部分的工作状况。功率谱分析在解决工程实际问题中获得了广泛的应用。

3.2.2 倒频谱分析

由于一般减速机中都有很多齿轮和转轴，因而有很多不同的转轴速度和齿轮啮合频率。每一个轴速度都有可能在每一个啮合频率周围调制出一个边带信号。因此，在减速机振动的功率谱中，就可能有很多调制频率不同的边带信号，即功率谱图中包含很多大小和周期都不同的成分，在功率谱图上都混在一起，很难分离，即很难直观看出其特点。如果对具有连带信号的功率谱本身再做一次谱分析，则能把连带信号分离出来，因为功率中的周期分量在第二次谱分析的谱图中是离散谱线，其高度就反映原功率谱中周期分量的大小。这就是倒谱分析法。