某核电海水循环泵齿轮箱振动分析

靳晓乐

（中广核工程有限公司调试中心，广东 深圳518124）

0 引言

齿轮啮合产生的振动频谱中的主要频率成分包含齿轮轴转频、齿轮啮合频率及其倍频，这些啮合频率周围的频率分布称为边频带。由于齿轮运行时有多个激励源，在齿轮啮合频率及其谐波或齿轮固有频率及其谐波周围会出现边频带。一般情况下，当齿轮箱发生某些故障时，故障的特征频率及其谐波会对齿轮箱的振动信号产生调制，在频谱图上齿轮箱啮合频率及其谐波两侧会有一系列边频带，这些边频带中包含丰富的齿轮状态信息，通常作为齿轮故障诊断的重要依据。

齿轮故障诊断技术最早起源于美国，它是现代工业基础上出现的一门新兴科学。齿轮故障的诊断方法包括两类：一种是通过处理分析齿轮运行时的动态信号来进行齿轮故障诊断；另一种是以摩擦磨损理论为依据，对齿轮箱润滑油中的磨屑进行研究分析，从而判断齿轮的运行状态。国外的齿轮状态监测与故障诊断技术发展已经趋于成熟，并领先国内该技术的发展。美国主要侧重于对齿轮箱状态监测和故障诊断的军事方面的研究，而日本则侧重于一些民用工业。齿轮的故障或失效形式多样，这就使得对它进行故障诊断难度较大，而目前国内外已有的故障诊断系统还不完善，大多应用于定性分析，存在一定的局限性。

某核电采用立式行星齿轮箱作为海水循环泵减速机构，每台机组配备4台海水循环泵，每台泵均配置一台行星齿轮箱作为减速机。第1台齿轮箱首次满载启动时，使用便携式测振设备测量行星齿轮箱轴向振动超过限值，垂直方向达到6.1 mm/s。针对该齿轮箱振动偏高问题，对振动信号进行了采样。测量得到该齿轮箱振动幅值低于验收标准，由于齿轮组啮合的复杂性，为进一步判断是否存在局部故障，基于边频带理论对其频谱图进行了分析，分析结果表明该齿轮箱不存在局部故障，其振动烈度符合相关标准，满足长期稳定运行的要求。

1 齿轮箱参数及振动标准

齿轮箱的参数如下：

类型：行星齿轮/外齿圈固定

齿数：太阳轮26，行星轮51，内齿圈130

行星轮数量：4

转速：995.6 rpm/165.9 rpm

根据齿轮箱参数计算得到齿轮箱各部件的转速和频率如表1。

表1 齿轮箱转速和频率

该齿轮箱由供应商依据ANSI/AGMA 6123-B06和ANSI/AGMA2001-D04进行设计，其振动标准有供应商依据AGMA2000及其设计经验进行定义。齿轮箱的振动报警值为5.1 mm/s RMS[10-1000]Hz，停机值为7.9 mm/s RMS[10-1000]Hz。

2 数据采集

振动测量：

齿轮箱共安装2个三轴加速度传感器，见图1，测点1为齿轮箱输入端，测点2为齿轮箱输出端。

图1 加速度传感器布置

齿轮箱满载稳定运行状态下的振动幅值见表2。测量得到齿轮箱振动幅值均低于限值，完全符合标准要求。

表2 振动测量值（单位mm/s）

3 振动分析

3.1 与振动标准进行比较

测量得到的齿轮箱振动数据均在标准限值以内，完全符合标准要求。但是，齿轮箱的振动相比首次启动有较大差异，分析原因有以下两点：

（1）首次满载期间的测振点定位于齿轮箱壳体的最外侧，该处距离轴承较远，由于局部形变导致测量值较高；根据标准推荐，测点应该尽可能靠近轴承，本次测振点选取靠近轴承位置。

（2）首次满载测量所用仪表为一体式便携测振仪，测振探头与本体为整体，易受使用者影响，导致测量值不准。本次测振采用强力胶将传感器固定在测点表面，通过电缆连接到拾取器，消除了人为因素导致的测量偏差。

由于齿轮组啮合过程十分复杂，振动强度不能完全准确的反应齿轮组的运行情况，因此需要对齿轮箱的振动信号进行分析，下面基于边频带理论从不同角度对齿轮箱的振动信号进行分析。

3.2 基于边频带理论的无故障频谱特征分析

齿轮箱啮合产生的频谱中，主要频率成分包含齿轮轴转频、齿轮啮合频率及其倍频。啮合频率周围的频率分布称为边频带。

文献[2]中提出了一种简化的数学模型来描述无故障状态下行星齿轮组边频带的产生机理，并通过试验验证了该模型，该模型适用于普遍的行星齿轮结构。

本文分析的齿轮箱的结构如图2所示，其行星轮数量为4，行星齿轮等间距分布。

图2 齿轮箱结构示意图

针对行星轮数量为4的等间距行星齿轮结构，其振动频谱及边频带的理论模型如图3所示[2]。

图3 等间距行星齿轮理论频谱

泵组稳定运行状态下齿轮箱的振动频谱如图4所示。其主要能量集中在360 Hz和720 Hz附近，由啮合频率及其二次谐波引起的。因此仅需对360 Hz和720 Hz附近区域进行分析。

图4 频谱图

将Z方向300～400 Hz，670～770 Hz的区间放 大，得到细化谱图5。

图5 细化谱

细化谱中并未出现理论啮合频率，仅能看到啮合频率的二次谐波。其频谱特征符合该类行星齿轮箱结构的理论频谱模型（见图3）。在图5中可以看到啮合频率和二次谐波两侧有少量边频带，间隔分别为5.5 Hz和11 Hz，但其幅值并不大。11 Hz的边频带反应了行星齿轮的通过频率，5.5 Hz则与齿轮箱低速侧的二次谐波频率相吻合。因此这些边频带反应了行星通过频率和低速侧转轴频率对齿轮箱振动频率和幅值的调制。

以上现象完全符合图3的理论振动频谱模型，因此该齿轮箱的频谱特征符合典型的无故障等间距行星齿轮组特征。

3.3 基于边频带理论的局部故障特征分析

文献[3]提出了行星齿轮箱局部故障特征频率的通用公式：

太阳轮局部故障特征频率为

行星轮局部故障特征频率为

外齿圈局部故障特征频率为

其中fm为啮合频率，ZS为太阳轮齿数，Zp为行星轮齿数，Zr外齿圈齿数，N为行星轮数量。

计算得到本文齿轮箱局部故障特征频率见表3。

表3 齿轮箱故障特征频率

太阳轮故障边频带的峰值将出现在

行星轮故障则边频带的峰值将出现在

外齿圈故障则边频带的峰值将出现在

fc为行星架旋转频率，k为正整数，n为整数。

图 5 中 的 峰值频率 342.9 Hz，353.9 Hz，365.2 Hz，376.1 Hz均不符合以上三个算式，所以可以排除齿轮存在局部故障的可能。

4 结束语

该齿轮箱首次满载期间，由于测振点选取不当及测振仪器易受使用者影响，造成测得的振动强度超出验收标准，首次测振数据并不能真实反映齿轮箱的运行状态。本次测振在消除以上两个因素的前提下，测得的频谱图表明，其振动强度均在标准限值以下；对齿轮箱进行基于边频带理论的分析表明，该齿轮箱的运行状态良好，其振动频谱符合无故障齿轮组的典型特征；通过对本齿轮箱局部故障特征频率的对比，可以排除齿轮组局部故障的可能。综上，该齿轮箱运行状态良好，振动强度在标准限值以下，满足长期稳定运行的要求。