《武汉工程大学学报》 2011年12期
70-72
出版日期：2011-12-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
齿轮箱振动的故障诊断与分析
0引言齿轮箱作为主要机械传动设备，被广泛应用于现代冶金、化工、动力等工业领域［13］.在冶金行业中，轧机齿轮箱长期在高速、重载荷条件下连续工作,容易出现故障，甚至引起生产事故，对生产有很大的影响.设备运行中，齿轮箱振动为常见故障之一，导致其部件疲劳破坏［47］.本文以某酸轧机组齿轮箱故障为例，通过对轧机齿轮箱振动信号的频谱分析进行故障诊断，并对断裂螺栓的力学特性进行研究，找到螺栓断裂的根本原因.1齿轮箱振动特征分析轧机作为酸轧机组的核心设备，其运行状态直接影响到产品的质量和产量.2010年5月，轧机4#机架齿轮箱连接螺栓断裂事故，严重影响到该产线的正常生产，其后，齿轮箱螺栓断裂事故频频发生，4#机架齿轮箱在1~5架中振动最为明显，造成长时间停机抢修，给企业生产带来了一定的影响.因此，公司在4#机架安装在线监测系统，实现对4#机架齿轮箱的实时监控，从齿轮箱运行状态着手，分析引起振动的因素和螺栓断裂的根本原因.齿轮箱故障诊断的常见方法是振动信号的频谱分析法［6］，根据监测结果，轴承座轴向、径向和水平方向（即轧制方向）振动信号的频谱图如图1~3所示.对比齿轮箱上各测点振动的频域变化可以看出，振动信号在349.807 7 Hz、699.462 9 Hz以及其倍频处能量集中且数值较大.根据齿轮箱各类零件损坏比例的统计，齿轮失效占60%，其次依次为轴承19%、轴10%、箱体7%、紧固件3%、油封1%.因此，确定进一步的研究方向为齿轮振动信号分析.图1测点1（径向）加速度频谱图
Fig.1Acceleration spectrum of measuring point 1
(radial direction)图2测点2（轴向）加速度频谱图
Fig.2Acceleration spectrum of measuring point 2
(axial direction)图3测点3（轧制方向）加速度频谱图
Fig.3Acceleration spectrum of measuring point 3
(rolling direction)齿轮振动信号中包含多种频率成分［8］，主要为以下3种：（1）啮合频率为fm
fm=zfz=zn60
式中：fz为齿轮回转频率，z为齿轮齿数，n为齿轮转速（r/min）.（2）固有频率齿轮固有频率一般为1～10 kHz，而且该齿轮箱的两对齿轮质量大，这种包含固有频率的高频振动振幅较小，当经过曲折途径传到齿轮箱时一般已经衰减了，多数情况只能测得齿轮的啮合频率.（3）边频带 齿轮的边频带是判断齿轮故障非常有价值的信息.齿轮的制造缺陷和安装误差都可能成为振动的激励源，故障齿轮的振动信号表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制，对于其频谱而言，其谱线是以啮合频率fm为中心，以故障齿轮的转频fz为间距呈对称分布的，一对边频可表示为fm±fz；如果有若干对边频，则可表示为mfm±nfz.边频带反映了故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化反映了故障的程度.取测点1的振动信号进行研究分析.图4反映出齿轮箱各轴的转速，齿轮箱两对齿轮齿数分别为下输出轴：z1z2=4130，上输出轴：z1z2=3636，由此计算出各齿轮啮合频率.齿轮箱的各轴频率对比如表1所示.图4齿轮箱转速信号
Fig.4Speed signal of gearbox注：
表1齿轮箱频率对比
Table 1Frequency comparison of gearbox 轴序号传动比转速转频/r·min-1啮合频率/Hz对应特征频率/Hz齿轮1齿轮2齿轮1齿轮2齿轮1齿轮2Ⅰ输入轴/3.558.499 4145.55348.475 4146.093 4349.807 7Ⅱ下输出轴41304.8511.615 8145.55348.475 4174.6418.168 8//Ⅲ上输出轴36364.8511.615 8174.6418.168 8//从表1中可知，Ⅰ轴41齿同Ⅱ轴30齿齿轮的啮合频率均有对应特征频率，说明该对齿轮啮合存在一定的故障.图5为测点1频谱的频率细化图.观察可知，在特征频率349.807 7 Hz的两侧均有边频，间隔约为8.5 Hz；而这些边频均同Ⅰ轴41齿齿轮的转频（8.499 4 Hz）相近，因此可以判断Ⅰ轴41齿齿轮可能出现故障，在啮合过程中形成振动的激励源.第12期安妮，等：齿轮箱振动的故障诊断与分析
武汉工程大学学报第33卷
图5测点1放大后的频谱图
Fig.5Amplified spectrum of measuring point 12螺栓力学特性分析在找到引起齿轮箱振动的振源后，进一步对螺栓断裂的原因进行分析.模拟工况建立力学分析模型［910］，在模型的下端面施加轴向约束，在其下螺纹面施加径向约束，在上端面再施加958 kN拉力.按照实际的约束情况对螺栓加载预紧力,得出螺栓预紧力工况下模态的前5阶振型图(如图6所示).图6螺栓的前5阶振型图
Fig.6The first five order modal map of bolt由图6可以得到螺栓预紧力工况下模态的前5阶固有频率值如表2所示.表2螺栓预紧力模态的前5阶固有频率
Table 2Natural frequency of bolt under the preload mode阶次12345频率/Hz2235886851 0231 110从螺栓预紧力工况下模态的分析结果（见表2）及其受力方式可知，螺栓的第3阶固有频率（685 Hz）与箱体振动特征频谱（699.462 9 Hz）相当接近，螺栓长期在相近振动频谱的工作环境下，极易发生机械共振,加速其失效断裂.根据各阶固有频率的振型图,清楚地说明了齿轮箱振动时,螺栓上各个部分的振动幅度大小变化,以及每阶振型的最大变形.3结语齿轮在制造、安装过程中产生的误差往往引起系统振动，在齿轮箱振动信号的频谱图上，这些故障信息反映在边频带中，边频带的间隔与故障齿轮的转频相吻合，通过频谱分析法快速、准确的找到故障源.文中所采用ANSYS模态分析方法，建立螺栓在模拟工况下的力学模型，计算出螺栓第3阶固有频率与齿轮箱振动主频率相近，产生共振是导致螺栓断裂的主要原因.这种方法也为今后解决此类工程问题提供了一种新思路.参考文献：