从振动技术的诊断方法来对齿轮箱中滚动轴承的故障诊断实例混色机

2020-02-27 11:35

齿轮箱运行状态往往直接影响到传动设备能否正常工作。齿轮箱通常包含有齿轮、滚动轴承、轴等零部件。据资料统计,齿轮箱内零部件失效情况中,齿轮和轴承的失效所占比重最大,分别为60%和19%。因此,齿轮箱故障诊断研究的重点是齿轮和轴承的失效机理与诊断方法。作为齿轮箱中滚动轴承的故障诊断,其具有一定的技巧性和特殊性,笔者根据现场经验,从振动技术的诊断方法来对齿轮箱中滚动轴承的故障诊断进行相关探讨。

振动检测技术在齿轮箱中应用的特点

对齿轮箱的故障诊断,目前普遍采用的是基于振动技术的诊断方法,它通过提取齿轮箱轴承座上或齿轮箱壳体中上部的振动信号,运用适当的信号处理技术,分析可能出现的故障特征信息,以判断发生故障性质及部位。

振动检测技术是基于机械设备在动态下(包括正常和异常状态)都会产生振动这一事实,振动的强弱及其包含的主要频率成分和故障的类型、程度、部位以及原因等有着密切的联系。它可以检测出人的感官和经验无法直接查出的故障因素,尤其是不明显的潜在故障。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时都会产生振动,若发生故障,其振动信号的能量分布和频率成份将会发生变化,振动信号是齿轮箱故障特征的载体。

振动检测技术中对于振动信号分析的方法通常有频谱分析法、倒频谱分析法、时域分析法、包络分析法等。

齿轮箱中滚动轴承故障的特点

一般情况下,当齿轮箱发生故障时,故障的特征频率会大量出现谐波,同时其周边会存在许多边频带。由于引起故障的原因很多,许多故障的振动现象不是单一的,轴承故障特征频率也会受到调制。

当齿轮箱滚动轴承出现故障时,在滚动体相对滚道旋转过程中,常会产生有规律的冲击,能量较大时,会激励起轴承外圈固有频率,形成以轴承外罔同有频率为载波频率,以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制振动现象。

当齿轮箱滚动轴承出现严重故障时,在齿轮振动频段内可能会出现较为明显的故障特征频率成分。这些成分有时单独出现,有时表现为与齿轮振动成分交叉调制,出现和频与差频成分,和频与差频会随其基本成分的改变而改变田。

齿轮箱中滚动轴承故障诊断的难点

1、确定齿轮箱中间传动轴的转速难

齿轮箱通常具有多级结构,每级传动产生不同的速比。一般情况下,齿轮箱厂家仅提供齿轮总速比,并不详细提供每级传动速比以及齿轮齿数,这为准确判断中间传动轴的轴承故障增加了难度。确定每根传动轴的转速,是正确分析判断轴承故障的关键,因为轴承故障特征频率是与轴承结构尺寸及轴的转速相关。轴承的结构尺寸(滚子直径、滚子分布圆直径、接触角)以及轴承滚子数量等是内在凶素,是由轴承制造商决定的。而转速是属外在因素,同一轴承在不同的转速上,轴承的故障特征频率不同。

2、确定频谱中故障特征频率成分难

目前齿轮箱故障诊断方法是以箱体振动信号进行研究的,信号在传递过程中经过的环节很多,例如齿轮信号传递会经过以下环节:齿轮—轴—轴承一轴承座一测点,这样会导致部分信号在传递过程中衰减或受调制。另外,由于齿轮箱结构复杂,工作条件多样,箱内多对齿轮和滚动轴承同时工作,频率成分多且复杂,各种干扰较大。所以传感器所提取的振动信号中,各信号频率杂、多且不易区分,确定其中某故障特征频率就存在一定难度。滚动轴承故障产生的振动信号能量要比齿轮或轴系故障产生的振动能量小,其故障信号很容易被淹没在其他振动信号中,故障特征更不明显,这为确定轴承故障特征频率增加了很大难度。

齿轮箱中滚动轴承故障诊断实例

齿轮箱型号H3SH1OB(FLENDER),齿轮总速比1520.9/38=40.023,结构见图1。

该齿轮箱自2017年2月发现现场有周期噪声,如同齿轮啮合不良产生的周期冲击。这之后,车间曾两次计划停机检查齿轮箱,结果并没有发现齿轮明显损伤。2007年11月现场噪声越加尖锐,产生的高振动给产品质量也带来了一定影响。为进一步诊断产生该噪声的根源并消除故障,11月11日对该齿轮箱进行了振动数据采集并分析。

根据齿轮箱结构图,分别对每根轴上的轴承所在位置从水平、垂直和轴向设置了测 点。从资料上查阅出了每根轴上的轴承型号,以SKF作参考厂家计算出每个轴承的故障特征频率,见表1。

根据推算出齿轮箱输入轴转速在1419r/min,即输入轴转频f。=23.65Hz。分析输入轴的振动速度频谱,发现频谱中有非常明显的1 10.9Hz的异常频率及其谐波(图2),并有大量边频带。频率 1 10.9Hz---4.69(输入轴转频倍数)x23.65Hz(输入轴转频)。该谐波不像是齿轮的啮合频率,很可能是某轴承的故障特征频率。假定该异常频率为轴承故障特征频率,从谐波周围可计算出1 1.72Hz的边频带。因资料中只提供了该齿轮箱的总速比为40.023,不能一一确定每根轴的实际转速,这就需要从频谱中捕捉轴转速信息。

分析中间轴I振动速度频谱,频谱中有明显的11.72Hz的频率,特别在时域图(图3)中捕捉到了11.72Hz的高强度脉冲。因为中间轴I的转频是11.72Hz,即703r/min。这样频谱中的110.9Hz的频率将变为1 10.9Hz=9.47(中间轴I转频倍数)×11.72Hz(中间轴1转频)。对照H3SHIOB齿轮箱内轴承故障特征频率表,发现中间轴I轴承32312的内圈故障特征频率9.436x11.72Hz(此时f2=11.72Hz)与频谱中的9.47x11.72Hz非常接近。在系统中输入置32312轴承内圈故障特征频率,频谱中的110.9Hz的频率就是轴承32312的内圈故障特征频率(图4)。

经过上面数据的分析判断,并结合以往停机检查的结果,可确诊该齿轮箱中间轴I轴承32312存在严重损伤。齿轮箱内所发出的周期性异常噪声很可能是轴承损坏引起齿轮啮合不良产生的。

划停机更换轴承。拆下的32312轴承内圈180°范围严重剥落,轴承滚动体研磨,外圈麻点疲劳磨损。

更换轴承开机后的第二天检测,发现振动频谱中原轴承故障特征频率消失,振动速度值降低(图5)现场周期性异常噪声也随之消除,运行状态良好,产品质量也明显好转。

关于齿轮箱中滚动轴承故障诊断经验

通过对齿轮箱故障的认真研究,结合现场故障诊断经验,在对齿轮箱中滚动轴承诊断时,笔者总结出以下几点需要注意的事项。

1、清楚齿轮箱内部结构及轴承故障特点

要知道齿轮箱内基本结构,比如齿轮是何种模式、传动轴有几根、每根轴上有哪些轴承和什么型号的轴承等。因为知道哪些轴和齿轮是高速重载,可以帮助确定测点的布置;知道电动机转速和各传动齿轮的齿数、传动比,可以帮助确定各传动轴的转频、啮合频率;知道各轴承座等滚动轴承的型号,可以帮助确定各轴承的故障特征频率。另外,还要清楚轴承故障的特点。一般情况F.齿轮啮合频率是齿轮数及转频的整倍数,而轴承故障特征频率却不是转频的整倍数。清楚齿轮箱内部结构及轴承故障特点,是lE确分析齿轮箱中滚动轴承故障的首要前提。

2、尽可能在每根传动轴所在的轴承座上测量振动

在齿轮箱壳体上不同位置的测点,由于信号传递路径不同。因而对同一激励的响应也有所差异。齿轮箱传动轴所在的轴承座处对轴承的振动响应比较敏感,此处设置监测点可以较好地接收轴承振动信号,而壳体中上部比较靠近齿轮的啮合点,便于监测齿轮的其他故障。

3、尽量从水平、垂直和轴向三个方向去测量振动

测点的选择要兼顾轴向、水平与垂直方向,不一定所有位置都要进行三个方向的振动测量。如带散热片的齿轮箱,其输入轴的测点就小方便检测。甚至某些轴承设置在轴的中间位置,部分方向的振动也不方便测,此时可有选择的设置测点方向。但重要的部位,一般要进行三个方向的振动测量,特别注意不要忽略轴向振动测量,因为齿轮箱内很多故障都会引起轴向振动能量与频率变化。另外,同一测点多组振动数据还可为分析判断所在传动轴转速提供足够的数据参考,并为进一步诊断出哪端的轴承故障更严重些而获得更多的参数依据。

4、测量要兼顾高低频段振动,选择相应的测最范围和传感器

齿轮箱振动信号中包含有司有频率、传动轴的旋转频率、齿轮的啮合频率、轴承故障特征频率、边频族等成分,其频带较宽。对这种宽带频率成分的振动进行监测与诊断时,一般情况下要按频带分级,然后根据不同的频率范围选择相应测馈范嗣和传感器。如低频段一般选用低频加速度传感器,中高频段可选用标准加速度传感器。

5、最好在齿轮满负荷状态下测量振动

满负荷下测量齿轮箱振动,能够较清晰地捕捉到故障信号。有时候。在低负荷时,部分轴承故障信号会被齿轮箱内其它信号所淹没,或者受其他信号调制而不容易发现。当然,在轴承故障比较严重时。在低负荷时,就是通过速度频谱也是能够清晰地捕捉到故障信号。

6、分析数据时要兼顾频谱图与时域图

当齿轮箱发生故障时,有时在频谱图上各故障特征的振动幅值不会发生较大的变化,无法判断故障的严重程度或中间传动轴转速的准确值,但在时域图中可通过冲击频率来分析故障是否明显或所在传动轴转速是否正确。因此,要准确确定每一传动轴的转速或者某一故障的冲击频率,都需要将振动频谱图和时域图两者结合起来推断。特别对异常谐波的边频族的频率确定,更是离不开时域图的辅助分析。

7、注重边频带频率的分析

对于转速低、刚性大的设备,当齿轮箱内的轴承出现磨损时,往往轴承各故障特征频率的振动幅值并不是很大,但是伴随着轴承磨损故障的发展。轴承故障特征频率的谐波会大量出现,并且在这些频率周围会出现大量的边频带。这些情况的出现,表明轴承发生了严重的故障,需要及时更换。

刘俊驰医生

张兰医生

马敏珊医生

陈月荣医生

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