低速重载齿轮箱轴承故障振动检测与诊断实例

梁振东

（苏州普迪美检测技术有限公司，江苏苏州 215011）

0 引言

低速重载齿轮箱轴承一般承受较大的负荷和扭矩，在其运行过程中经常会出现局部点蚀、剥落以及滚子破碎等严重故障，一般此类齿轮箱通常用在一些大型的关键设备上，一旦发生故障，维修起来不但要花费大量的时间和费用，还会严重影响生产。案例所诊断的粮油大豆压榨厂脱溶机减速机，通常维修需要（7～10）d。通过振动监测手段，能很好地掌握齿轮箱的运行健康状态，合理安排检修时间，避免重大停车事故。

低速重载齿轮箱轴承除了受轴承质量、安装水平等影响外，通常还受设备带重载频繁启动、润滑油污染、高振动等因素的影响。轴承的疲劳、腐蚀、压痕和胶合等随着故障发展，通常会演变成磨损故障。

低速重载齿轮箱通常齿轮级数多、轴承多，运行过程中可能会产生各级齿轮啮合频率、各轴承故障特征频率、各转轴的转动频率等。频率成分较复杂，在这些频率中，通常高速轴齿轮缺陷啮合产生的冲击能量较大，产生的振动幅值也较大；低速轴轴承、齿轮缺陷产生的冲击能量往往较小，产生振动幅值较小，这就往往容易被忽视而造成漏判。通过对振动频谱和波形的分析，可以很好地找出故障源所在。对振动趋势的监测，能较好地掌握故障的恶化情况。

1 低速重载齿轮箱振动检测方法

低速重载齿轮箱的测点位置的选择，最好能布置在承载区，以获得最强的齿啮合和轴承状态信号。测量参数的选择对故障的发现尤为重要，本文采用的是振动速度通频振动和加速度长时间波形相结合。

对滚动轴承监测，可以用长时间波形监测异常冲击。重点用振动速度来监测低速重载轴承损坏的中后期阶段，当速度谱中出现了轴承故障特征频率成分并伴随边带时，轴承状态已经非常糟糕。针对滚动轴承，速度谱最大频率范围可以参考10×BPFI（Ball Pass Frequency Inner Race，轴承内圈故障频率），但不管选择什么样的频率范围，分辨率一定要足够大。长时间波形持续的时间至少取测点所在转轴转动10转所用的时间，当然持续时间越长越好，但数据量会比较大。

2 故障诊断实例

脱溶机是粮油大豆压榨厂的关键设备，该设备能否正常运行，直接关系到全厂生产的持续进行。2013年12月26日对该台设备包括电机和减速机进行了第一次振动检测，经过分析，存在的问题除了联轴器对中不良外，其他正常。2014年5月15日进行第二次振动检测，齿轮箱的状态与上次检测时相比发生了明显变化。经分析，是齿轮箱GB 2S轴上部轴承和GB 3S轴上部轴承出现了明显故障，轴承内圈出现严重磨损，需计划安排更换轴承。在加强监测下，监控运行到2014年6月28日按计划返厂检修，解体发现GB 2S轴上部轴承内圈磨损严重，GB 3S轴上部轴承内圈磨损严重，内圈在轴向上有一道整齐的断裂裂痕，验证了诊断的准确性。

脱溶机设备技术参数：电机型号YB2-400M-4，额定功率400 kW，额定转速 1486 r/min，电机前轴承 NU322（SKF），电机后轴承 6322/C3（SKF）；减速机型号 4PKC 750NE（SEW），减速机额定功率400 kW，减速机速比145.686，传动形式为蛇形弹簧联轴器，设备安装基础类型为水泥刚性基础。传动结构和轴承型号见图1。

图1 减速机传动结构

2014年5月15日振动检测时，发现减速机各测点频谱中均出现22.45 Hz多谐频振动成分，并伴随2.09 Hz边频带束，经过计算，22.45 Hz与GB 2S轴的支承轴承 NSK 23238CA在转速124.4 r/min时内圈故障特征频率相拟合，在轴承内圈故障特征频率两边出现其所在转轴（GB 2S）转频2.088 Hz的边带束（图2），长时间波形图中有明显的转频冲击信号(图3）。说明轴承内圈损坏比较严重或出现了明显磨损。

图2 转轴GB 2S频谱

图3 转轴GB 2S长时间波形

在GB 3S轴上同时也检测到5.588 Hz及多倍谐频的振动成分，经过计算，此频率与GB 3S轴的支承轴承SKF22348CC在转速36 r/min时内圈故障特征频率相拟合。但信号非常弱，如果分析时不小心可能会忽略掉。经过频谱细化放大后可以清楚了解轴承故障特征频率成分，并伴随有GB 3S轴转频0.6 Hz的边频带束（图4），虽然信号很弱，考虑到该轴承所在处的转速较低，结合以往的经验，可以肯定该轴承内圈同样出现了严重的故障。

图4 GB 3S轴转频0.6 Hz的边频带束

由于生产不允许停机，对齿轮箱进行监控运行，通过振动趋势的监测发现，GB 2S T和GB 3S T轴承测点振动值在不断抬升（图5、图6），说明轴承状态在不断恶化，在做好检修的充分准备工作后于2014年6月28日按计划停机检修。

图5 GB 2S T轴承振动趋势

图6 GB 3S T轴承振动趋势

停机后减速机返厂检修，解体检查发现，GB2S上部和 GB3S上部轴承内圈均损坏严重，见图7和图8。

图7 GB2S上部轴承内圈

图8 GB3S上部轴承内圈

由于该工厂对状态监测工作的高度关注以及密切配合，使得监测工作能够准确掌握设备的运行状况，给出合理的检修时间建议，避免突发意外停车事故。然而，另一个大豆压榨厂的脱溶机减速机轴承故障，提供了一个反面案例。2013年7月检测时发现了GB2S轴轴承（SKF22328CC）出现了内圈故障特征频率成分，并伴随GB 2S轴转频的边频带（图9），建议停机检查。但由于一直没有采取行动，也没有采取任何加强监测的手段，到9月由于轴承严重损坏导致齿轮严重损伤的二次破坏停车事故（图10），对生产造成了严重的影响。

图9 GB 2S轴轴承（SKF22328CC）频谱

3 结束语

对于低速重载齿轮箱轴承用振动的方法进行监测，中前期故障是比较难发现的，所以重点监测轴承故障中后期。随着故障的发展，到了故障中后期，振动加速度和包络解调对故障特征的指示同样不明显，但可以作为趋势跟踪进行监测。在故障中后期，振动速度却是一个非常有效的测量参数，当速度谱中出现了轴承故障特征频率，可以说轴承的缺陷可以用肉眼能看得到了，此时就必须引起足够的重视，当故障发展到速度频谱中出现了轴承故障特征频率并伴随有边频带，即使是振动幅值很小，换句话说就是建议必须尽快计划更换轴承了，上述2个案例就是很好的说明。通过实际检测案例发现，当在轴承内圈故障特征频率两边出现转轴转频的边频带时，则是此类低速重载轴承损坏的一个比较明显的特征。低速重载滚动轴承一旦出现故障，故障发展得较快，这就需要制定合适的检测周期，特别是发现故障后更是如此。

图10 SKF22328CC轴承严重损坏