黎康康 吴 刚 王志勇
(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)
基于振动信号包络分析的齿轮箱故障诊断及对策
黎康康 吴 刚 王志勇
(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)
利用振动信号分析中的包络分析方法对某机组齿轮箱的异常响声进行诊断,通过振动分析发现该齿轮箱第3级大、小齿轮某固定位置均存在不良状况,啮合时故障点相互追逐导致了异常响声。针对故障原因进行探讨,并提出了可行的措施。
振动;包络;齿轮箱;故障诊断
某机组齿轮箱出现周期性异常响声,在机组启动及停机的过程中尤为突出,加载运行后机组异常响声渐弱。该机组齿轮箱投入运行1年左右,同批次机组齿轮箱在启动及停机过程中运行平稳,无类似异常响声。
该齿轮箱结构为三级增速齿轮传动,前两级为NGW行星传动,第3级为平行定轴传动。根据齿轮箱各级齿数计算在额定转速下各级齿轮传动特征频率[1](见表1),根据齿轮箱各位置轴承参数计算在额定转速下各轴承的特征频率(见表2),这些特征频率将有助于识别该齿轮箱振动信号特征。
表1 额定转速下各级齿轮传动特征频率汇总 /Hz
现场启机运行后,在额定转速及稳态的载荷下对齿轮箱各测点进行了振动信号测试,对振动值相对较大的高速级测点进行信号分析。高速级水平方向及轴线方向振动测点时域信号分别如图1、图2所示,从时域信号图中可看出信号中存在一定的周期性冲击信号。
表2 额定转速下各轴承特征频率汇总 /Hz
图1 高速级水平测点时域信号
图2 高速级轴向测点时域信号
利用MATLAB软件对高速级水平及轴向振动测点的时域信号进行傅里叶变换得到的相应频谱图如图3、图4所示,频谱图中谱线较正常信号更多、能量更大,推断信号中存在相关故障特征,由于频谱图中信号杂乱,干扰较多,很难进一步识别出具体的故障信号,因此选择了信号包络谱分析方法[2]。
图3 高速级水平测点频谱图
图4 高速级轴向测点频谱图
图5 高速级水平测点包络谱图
对高速级水平测点时域信号进行包络谱图分析的结果如图5~图7所示,可以看出包络谱图中的频率特征信号非常明显,振动信号成分主要为:30Hz及其大量谐波成分,8.4Hz及其大量谐波成分和1.17Hz及其大量谐波成分。结合前文中汇总的该齿轮箱特征频率比较发现:30Hz为第3级小齿轮轴转频,8.4Hz为第3级大齿轮轴转频或第2级输出轴转频,1.17Hz与第3级大小齿轮追逐频率吻合。包络谱图中未发现其他异常频率成分。同样,对高速级轴向测点时域信号进行包络谱图分析也可以看到相同的频率成分及其谐波。
图6 高速级水平测点包络谱图(细化)
图7 高速级水平测点包络谱图(细化)
通过以上振动信号包络谱图分析推断齿轮箱第3级平行定轴传动存在不良状况的可能性较大,另外依据齿轮传动追逐频率产生的原理,可以确认第3级大、小齿轮上某个特定位置处均存在不良状况,而不是发生在所有齿面上。当第3级大、小齿轮某特定位置上的故障点周期性汇合在一起时便产生了追逐频率,也就会产生本文一开始所描述的周期性异响,因此需要立即检查第3级平行定轴传动的大、小齿轮状态。
通过观察窗对齿轮箱第3级大、小齿轮状态进行了检查,发现大齿轮存在1处沿啮合线的磨损锈蚀痕迹(见图8),用手感触摸磨损深度较浅。另外检查发现小齿轮同样存在1处沿啮合线的磨损锈蚀痕迹(见图9),用手感触摸磨损深度较浅。齿轮箱检查结果与振动信号包络谱图分析结果一致。
图8 第3级大齿轮齿面磨损痕迹
图9 第3级小齿轮齿面磨损痕迹
由于齿面磨痕深度较浅,在短期内不会引起齿轮失效,但如果不及时处理,机组继续运行会增大齿面进一步发生点蚀或加剧磨损的风险。现场可通过精密砂纸对齿面磨损处进行打磨修复直至用手摸没有明显触感为止,采用该方法现场修复后该机组异常响声消除。
分析该齿轮箱齿面磨损痕迹产生的原因,由于磨损痕迹均是沿啮合线产生,而且发生在特定的位置,因此分析认为是由第3级大、小齿轮反复撞击导致的。该齿轮箱第3级小齿轮输出轴处安装有液压制动器,在第1级低速输入轴处有机械锁紧机构,都是为了防止齿轮箱转动。现场了解到该机组在近期长时间停机过程中输出轴处于制动状态,而输入轴处于自由状态,低速输入轴在外力惯性作用下产生微小摆动。由于齿轮法向侧隙影响,在齿轮箱低速输入轴处产生1个微小摆动后,累积到第3级大齿轮处会产生1个较大的转动角度,而此时第3级小齿轮输出轴处于制动状态,因此大齿轮会反复撞击小齿轮齿面,最终产生了磨损。
针对该问题,后续的预防措施为规定机组在需要长时间停机的情况下,将低速输入轴和高速输出轴处同时锁死,如果不是机组检修等允许情况下也可以让低速输入轴和高速输出轴同时保持自由状态,仅单独锁死1处就可能会发生类似的故障现象。
[1] 林英志.设备状态监测与故障诊断技术[M].北京:北京大学出版社,中国林业出版社,2007.
[2] 赵怀璧,王 林.基于Hilbert解包络及倒频谱分析倒齿轮箱断齿故障诊断研究[J].煤矿机械,2011(5):232-234.
(编辑:缪 媚)
2095-5251(2016)04-0047-03
2015-11-25
黎康康(1986-),男,硕士研究生学历,工程师,从事齿轮箱试验验证及故障诊断技术的研究。
TH165+
B