齿轮故障诊断技术的应用

waitingu

简述了齿轮故障诊断的原理，并通过冷轧厂开卷机齿轮故障的诊断实例，阐述了齿轮故障诊断的方法，并进一步说明了齿轮故障诊断技术在现场中的应用。
齿轮的运行情况直接影响整个机器或机组的作，因此，齿轮是现场监测和诊断的主要对象。对齿轮故障诊断的经典方法是振动频谱分析，它以传统的振动理论为依据，利用诊断仪器对其振动的数据和波形进行采集，然后进行分析诊断，找出其故障的原因和所在的部位。本文从齿轮故障诊断的原理手，通过对冷轧厂开卷机大齿轮箱的异常振动进行振动分析及故障诊断来介绍齿轮故障诊断技术在场的应用。

一、齿轮故障诊断原理

一对齿轮副可以看作是一个振动系统，按照傅里叶变换的原理，可将齿轮的振动信号分解为若干个谐波分量之和。当齿轮发生故障后，齿轮的啮合刚度降低，从而产生强烈的振动，测得的振动信号畸变加剧，在频谱图上，啮合频率处的谱值会显著增大，而故障齿轮的振动信号往往表现为回转频率对啮合频及其倍频的调制，调制频率即齿轮轴的回转频率。在频谱图上形成以啮合频率为中心，2个等间隔分布的边频带。所以，采用频谱分析方法能有效地找出齿轮的各种故障。

二、现场监测与故障诊断

2.1　冷轧厂开卷机设备简图及主要技术参数冷轧厂开卷机设备的简图见图1，其主要技术参数:电动机转速为1 280 r/min;齿轮均为斜齿轮;联轴器为齿式联轴器。图中的②一⑥点轴承均为心滚子轴承。

                               
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2.2　测试参数及测点布置

测试参数为速度、加速度，测点布置如图1的①一⑥所示。

2.3　故障分析

2004年以来，开卷机的振动增大，为此进行振动测试，共测试了②，③，④，⑤共4个测点，其中③测点的水平方向速度振值显著，加速度振值达107. 30 m/s，已是标准值的3倍多(标准值为30m/s ) ，峭度指标为20. 2，这预示齿轮箱在测点③附近存在故障。在测点③水平方向的时域波形图(图2)中清晰地显示出每转一周都出现一个脉冲信号，脉冲间隔为134 ms，频率值7.5 Hz。这恰与大齿轮箱高速轴(小齿轮所在轴)转速频率一致。测点③水平方向频谱图(图3)上，由于故障信号的影响调制出大量的边频，谱线密集难以辨认，故取80一200 Hz频段细化处理(图4)。为了进一步验证结论，又进行了该点的倒频谱分析(图5)，从倒频谱图上更清楚地看到主要的频率成分，其倒频率为134 ms(即7. 5 Hz)，正好对应大齿轮箱高速轴的转速频率。

                               
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2.4　诊断结论

根据齿轮故障诊断的原理，哪一对齿轮的啮率所对应的峰值较高，就说明哪一对齿轮出现了故障。边频带的间隔等于哪一根轴的旋转频率，就说哪一根轴上的齿轮出现了故障。经过上述分析，初判定开卷机大齿轮箱的小齿轮存在着故障。

不久，对该机进行停机检修，发现小齿轮上有个轮齿出现塑性变形，其中2个轮齿齿面上有凹坑，比较严重，属于小齿轮个别齿出现了局部损伤，因此，在啮合时，我们的分析判断得到了证实。

更换新齿轮后，再次进行测量，测点③的水平方向的速度幅值从3.9 mm/s降到2.9 mm/s，加速度幅值从107. 3 m/s降到6.2 m/s，峭度指标从原来的20. 2降到3. 17。说明该机已正常运行。

时域波形图上基本显示出正弦波状态(图6)，的脉冲信号已消除。从频谱图中看，187. 7 Hz、367.5 565 Hz是该轴的啮合频率及其2倍频，3倍频(此时该转速为340 r/min，啮合频率为1~7. 3 Hz)。啮合频率的边频幅值也很小(图7)，这也说明故障已不存在。

                               
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3　结语

在齿轮箱各类零件损坏的比例中，齿轮约占60%，为此，应利用齿轮故障诊断技术——频谱分析定期地对齿轮箱进行状态监测并作趋势分析，及时发现故障隐患，以保障机械设备的正常工作。

参考文献

〔1〕张正松.旋转机械振动监测及故障诊断.北京:机械工业出版社，1991.

〔2〕钟秉林，黄仁.机械故障诊断学.北京;机械工业出版社，2002.

〔3〕易良榘.简易振动诊断现场实用技术.北京:机械工业出版社，2003.