振动诊断技术在齿轮故障诊断上的应用

何凤英

(鞍钢集团有限公司教育培训中心，辽宁 鞍山 114000)

0 引言

齿轮减速机和增速机是各类厂矿A类关键设备，工作中出现振动、噪音增大等异常现象时，可通过振动状态监测与故障诊断，确认齿轮是否存在故障而机组的正常运行。

1 减速机振动状态监测与故障诊断

某设备主传动系统如图1所示，采集振动数据时电机转速740 r/min，锥齿轮齿数Z1=22、Z2=20。由于现场条件限制，仅能在减速机轴承座①～④部位安装传感器，测量其水平方向、垂直方向和轴向的振动，测试结果均超标。

图1 设备主传动系统及测点布置示意图

测点①水平方向振动加速度值较大，达到9 G。其低频频谱图出现圆锥齿轮啮合频率及其谐波，且幅值较大；啮合频率及其谐波带有较明显的边带，边带为Ⅰ轴转频，并且边带数量较多，分布范围比较宽，如图2所示。(Ⅰ轴转频fr=12.33 Hz，圆锥齿轮啮合频率fm=271.33 Hz)；在高、低频时域波形中，Ⅰ轴转频的冲击非常明显，如图2、图3所示；在时域自相关后的波形中，齿轮啮合频率被转频调制很明显，如图4所示。

图2 测点①水平方向加速度低频时域波形与频谱图

图3 测点①水平方向加速度高频时域波形与频谱图

图4 测点①水平方向加速度时域自相关波形图

其它测点信号特征与此类似，不再赘述。根据齿轮故障的振动诊断理论，可判断减速机Ⅰ轴齿轮存在比较严重的局部故障[2]。

根据振动诊断结论，适时对减速机进行检修，解体时发现Ⅰ轴齿轮齿面剥落现象严重，见图5所示的Ⅰ轴圆锥齿轮齿面损坏照片。

图5 减速机Ⅰ轴齿轮齿面严重剥落

2 增速机振动状态监测与故障诊断

某鼓风机设备简图及振动测点布置，如图6所示。该设备电机容量为680 kW，电机转速为

图6 鼓风机设备简图及测点布置示意图

1 480 rpm，增速机采用滚动轴承，增速机斜齿轮齿数分别为Z1=162、Z2=65。

由于设备振动与噪音增大，对该设备进行振动监测与诊断，测量结果见表1。

表1 鼓风机振动速度有效值 (mm·s-1)

由表中测量结果可知：增速机高速轴振动速度幅值较大，测点⑥垂直方向振动速度有效值达13.21 mm/s，参照ISO2373标准，判断增速机处于较差运行状态[1]。

图7和图8分别为测点⑥垂直方向振动加速度的时域波形与频谱图。

图7 测点⑥垂直方向振动加速度时域波形图

图8 测点⑥垂直方向振动加速度频谱图

由图7可以确定增速机齿轮运行存在较明显的冲击现象，冲击时间间隔为低速轴回转周期，低速轴每转2转有一次较大的冲击发生；从图8垂直方向振动加速度频谱图可以看出：500～5 000 Hz间振形凸起、峰值较高，这部分频率包含部件、箱体共振频率，说明齿轮箱存在较严重问题。频谱图出现齿轮啮合频率3 996 Hz且幅值较大，同时带有少量低、高速轴转频(24.67 Hz和65.65 Hz)的边带。根据齿轮故障的振动诊断理论，可判断高速轴齿轮有均布性故障[2]。

根据振动诊断结论，鼓风机适时安排检修，打开增速机箱体后，发现高速轴齿轮存在明显的疲劳点蚀现象，见图9、图10。

图9 高速齿轮齿面疲劳剥落

图10 齿轮疲劳剥落的金属屑

3 结语

齿轮减速机与增速机是各类厂矿关键设备，受齿轮材料、热处理、运行条件、使用维护、制造安装等诸多因素的影响，运行中会产生如齿轮齿面疲劳点蚀剥落、磨损、胶合、塑性变形和轮齿折断等多种形式故障，导致其不能正常工作，甚至造成重大设备事故而影响生产。因此必须准确把握设备运行状态并预测其发展趋势，实践证明实施振动状态监测和故障诊断，是最常用的且行之有效的方法。