振动诊断技术在铸造起重机主起升机构减速器状态监控的应用

马广程 李 坦 褚双学 王会明

宝钢股份武钢有限条材厂 武汉 430080

0 引言

近年来振动诊断技术广泛应用于重要机械设备的监控、预报和故障识别判断等方面，极大地提高了机械设备的维护效率和运行可靠性。减速器广泛应用于各种机械设备，以实现降低转速和增加转矩的目的。减速器常见故障有齿轮故障、轴承故障、联轴器安装不对中等，故障点多、故障现象隐蔽,早期不易发现。运用振动诊断技术实施减速器状态监控得到了越来越多设备维护方的认可。

1 振动诊断技术的原理

机械设备运行过程中存在不同程度的振动，振动是反映其运行状态比较敏感的参数，即使发生微小的变化也往往能从振动信号中反映出来。不同转速的机械设备会产生不同频率、不同能量的振动，同一台设备中，不同故障部件所产生的振动频率和振动能量也不相同。设备振动信号中包括多种频率成分，它们与设备的各种故障类型一一对应。识别出振动能量占主导地位的频率能揭示设备故障的主因。大部分机械设备都适合采用振动测量方法进行状态监控和故障诊断。机械振动诊断就是对设备的振动信号（振幅、频率、相位）进行检测、分析处理、故障识别和预报的技术，是一种现代化的设备管理方法。

2 测点布置的基本原则

齿轮及其负载是靠轴承支撑和传递的，轴承是反映设备振动情况的敏感点，同时也是损坏经常发生的部位。振动测量时，传感器要尽量靠近轴承的承载区域，通常情况下轴承座是实施减速器振动测量最理想的部位。水平和轴向测点设置在轴承座中分面的下半部分为宜，垂直方向测点一般布置在轴承座的下部90°范围内，轴承正下方敏感度最好。

测点布置应遵循传递路径最短，刚性最大原则。即测点选择要尽可能靠近振源，并减少信号在传递路径上的空腔和隔层，以减少信号在传递过程中的能量损失。此外测点部位还应有足够的刚度，保证传感器与待测设备良好的接触。

由于现场振动测量是在减速器运转的情况下进行的，故在安置传感器时必须考虑是否能够保证检测人员的人身安全。

减速器的振动特征有明显的方向性，不同方向的振动信号包含着不同的故障信息。各种故障引起的振动在不同的方向上敏感性是不同的，因此每一个测点一般均应测量水平方向（H）,垂直方向(V)和轴向（A）3个方向。确定测点后应做好标记。

3 减速器振动信号的频率特征

实施振动检测前，应对所测减速器的振动信号频率范围做预估和计算，为选择传感器和测量仪器提供依据。为了防止漏检故障信号而造成漏诊，采样频率要高于最高频率的2.56倍，一般5倍为宜，采样长度至少包含1个以上的最低频率信号周期，一般应包含2个以上最低频率周期。

3.1 齿轮振动信号的频率特征

3.1.1 齿轮啮合频率

齿轮啮合频率是由齿轮的啮合运动产生，数值上等于齿轮的齿数乘以齿轮的旋转频率，1对运行中的齿轮，啮合频相同且总是存在的[1]。

式中：GMF为齿轮的啮合频率，Fr为齿轮转频，n为齿轮的转速，Z为齿轮的齿数。

3.1.2 齿轮自振频率

凡是有缺陷的齿轮，在运行中将激起齿轮的固有频率。固有频率的出现是齿轮失效的一个关键性指标，齿轮的固有频率一般为1～10 kHz[2]。

3.1.3 齿轮边频带

当齿轮存在故障时，因载荷波动产生幅值调制，因转速波动产生频率调制，由此在啮合频率或固有频率两旁产生一簇簇边频。

3.2 滚动轴承振动信号的频率特征

滚动轴承回转频率即轴承内外圈的旋转频率为

式中：fr为轴承转频，n为齿轴承内圈或外圈的转速。

内圈故障频率即内圈上的某一损伤点与滚动体接触产生的频率为

可简化计算为

式中：BPFI为轴承内圈故障频率，fr为轴承转频，d为轴承滚动体的直径，D为轴承节径，α为轴承的接触角，z为轴承滚动体的数量。

外圈故障频率即外圈上的某一损伤点与滚动体接触产生的频率为

可简化计算为

滚动体故障频率即滚动体上某一损伤点与内外圈接触产生的频率为

保持架故障频率为

可简化计算为

4 减速器状态异常分析

4.1 时域波形和时域指标分析

时域波形分析是较直观的诊断方法，对于存在明显特征的故障，可利用时域波形做初步和直观的判断。主要观察信号的平稳性，幅值的变化范围以及分析时域信号有无明显的冲击和异常。峭度为无量纲参数，反映了冲击能量的大小，是故障诊断的常用时域指标[4]。正常情况下峭度一般不超过3.5，若峭度值过大表明减速器运行过程中存在较大的冲击，存在故障的可能性较大。

4.2 减速器联轴器不对中故障分析

如图1所示，频域波形在转频正弦波的基础上附加了2倍转频的谐波。平行不对中情况在频谱上径向2倍转频、4倍转频振幅最大。存在角度不对中时轴向转频振幅较大，且随着负荷的增大，振动幅值随之增大。而转速变化对幅值影响不大。

图1 减速器联轴器不对中故障特征

4.3 齿轮故障分析

齿轮是减速器的重要部件，其运行状态的好坏直接影响到减速器的正常工作。铸造起重机主起升机构减速器结构复杂，有多对齿轮同时运行，振源多。在振动频谱中包含多个齿轮啮合频率及其调制转速频率，谱线密集且难以分辨，使故障识别难度较大。本文主要通过分析啮合频率幅值的消长和啮合频率谐波的分布判别齿轮状态。

4.3.1 齿轮轮齿折断

对减速器定期监测，将测得的振动信号频谱与基准谱进行比较，分析谱图中原有频率的消长和新生频率的萌生，断齿故障通常会伴随振幅的增加和谱图的变化。

4.3.2 齿轮磨损

啮合频率幅值的变化，反映了轮齿均匀磨损引起的齿形变化，会产生啮合频率的谐波信号，甚至激起齿轮的固有频率。齿形的变化使得啮合频率成分发生明显的畸变,表现在谐波成分幅值的变化上，其高次谐波幅值增长高于啮合频率幅值的增长。齿轮在啮合运转时产生调制作用，在齿轮振动信号的频谱上形成边频带结构。齿轮故障与边带结构密切相关，齿轮故障会引起振动能量的增加，该情况通常反映在边频分量的变化上。故分析边频带的存在和变化是现场诊断齿轮故障重要而有效的方法。

图2 齿轮磨损故障频率特征

4.3.3 齿轮不对中

齿轮不对中会激发2倍或更高阶的啮合频，且都有边频。往往1倍啮合频较小，而2倍、3倍啮合频较大。

图3 齿轮不对中故障频率特征

4.4 滚动轴承故障分析

滚动轴承是齿轮轴的支承部件，基本结构包括内圈、外圈、滚动体和保持架。滚动轴承的振动频率成分非常丰富，每一个元件都有各自的故障特征频率。故通过振动分析可判断轴承有无故障和具体损坏的元件。

滚动轴承的故障频率分布往往在低频和高频2个频段内都有表现。低频段分析的频率范围在1 000 Hz以下,覆盖轴承故障频率。高频段分析的频率范围在1 000～20 000 Hz，主要是固有频率及其高次谐波[2]。在故障的早期，高频段反映比较敏感，一般只能判别其总体状态，即做出有无故障及其严重程度的结论，而低频段分析一般可确定故障部位。

1）轴承外圈故障 轴承外圈有缺陷时在解调频谱上可见轴承外圈故障频率BPFO及其高次谐波。

2）轴承内圈故障 轴承内圈有缺陷时，在解调频谱上可见轴承内圈故障频率BPFI及其高次谐波。对于内圈转动的轴承，可能出现其转频的边频。

3）轴承滚动体故障 轴承滚动体有缺陷时，在解调频谱上可见轴承滚动体故障频率BSF及其高次谐波，以及出现转频的边频。此外由于滚动体对外圈的碰撞强于对内圈的碰撞，在频谱上还会存在BSF的半谐波。

4）轴承保持架故障 轴承保持架有缺陷时，在解调频谱上可见轴承保持架故障频率FTF及其高次谐波。此外由于轴承润滑不良也会引起保持架与滚动体直接接触而出现保持架故障频率。

5 诊断实例

如图4所示，某厂280 t铸造起重机主起升机构采用整体减速器结构形式，2台电机通过制动盘联轴器分别驱动减速器的2个输入轴，减速器2个输入轴通过2个同步齿轮联接，保证2套传动装置的刚性同步，且这2套传动装置均安装在1个箱体内。电控方面采用PLC、定子调压装置和编码器等实现电机闭环控制。

图4 280 t铸造起重机主起升机构示意图

减速器共有10根轴从左向右依次编号1～10，在10个轴承座位置分别设置垂直方向测点，用轴编号+V表示，水平方向测点用轴编号+H表示，轴向测点用轴编号+A表示。左侧电机编号1号，右侧电机编号2号。电机侧为驱动端，另一侧为自由端。使用容知RH1000振动检测仪对减速器的振动加速度进行检测。出于设备和人身安全考虑，测点布置在自由端轴承座位置。振动分析所需要的相关数据整理如表1所示。

表1 故障诊断所需的齿轮和轴承振动参数

现场检测如图5所示，在加速度2～20 K多时域波形中，冲击信号比较明显，且加速度最大值以测点6 V（第3行）为中心向两侧衰减，判断冲击源来自6 V测点位置，即电机2号同步轴自由端。

图5 5～8测点长时域信号

图6为垂直方向时域波形中有2倍滚动体故障特征频率冲击信号。图7为电机2号同步轴自由端在2 000～5 000 Hz包络解调，可解调出滚动体特征21.826 Hz及大量谐波，滚动体并带有保持架边带3.271 Hz。

图6 6V测点长时域信号

图7 6V测点包络分析

结论判断电机2号对应齿轮箱同步轴6的轴承（型号：22332）滚动体发生剥落。打开减速器轴承端盖检查，发现同步轴6轴承多个滚动体存在表面剥落，与诊断结论一致。

6 结语

应用振动诊断技术能在减速器故障发生的早期发现异常，通过对异常的持续跟踪，根据量化数据并结合相关经验判断故障发生的具体位置以及评估故障的严重程度，用以确定维修时机，降低停机损失和故障本身对减速器的损伤，确保减速器安全稳定的运行。同时可通过对同型设备、相同测量位置长时间的数据采集分析，建立该型减速器的诊断数据库，通过设置合适的报警阈值实现在线监测、故障自动报警、智慧运维，进一步提升起重设备管理水平。