齒輪箱中滾動(dòng)軸承的故障診斷與分析

1、齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)往往直接影響到傳動(dòng)設(shè)備能否正常工作。齒輪箱通常包含有齒輪、滾動(dòng)軸承、軸等零部件。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),齒輪箱內(nèi)零部件失效情況中,齒輪和軸承的失效所占比重最大,分別為60%和19%1。因此,齒輪箱故障診斷研究的重點(diǎn)是齒輪和軸承的失效機(jī)理與診斷方法。作為齒輪箱中滾動(dòng)軸承的故障診斷,其具有一定的技巧性和特殊性,筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),從振動(dòng)技術(shù)的診斷方法來對(duì)齒輪箱中滾動(dòng)軸承的故障診斷進(jìn)行相關(guān)探討。一、振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在齒輪箱中應(yīng)用的特點(diǎn)對(duì)齒輪箱的故障診斷,目前普遍采用的是基于振動(dòng)技術(shù)的診斷方法,它通過提取齒輪箱軸承座上或齒輪箱殼體中上部的振動(dòng)信號(hào),運(yùn)用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù),分析可能出現(xiàn)的故障特征信息,以判斷

2、發(fā)生故障性質(zhì)及部位。振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是基于機(jī)械設(shè)備在動(dòng)態(tài)下(包括正常和異常狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)這一事實(shí),振動(dòng)的強(qiáng)弱及其包含的主要頻率成分和故障的類型、程度、部位以及原因等有著密切的聯(lián)系。它可以檢測(cè)出人的感官和經(jīng)驗(yàn)無法直接查出的故障因素,尤其是不明顯的潛在故障。齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),若發(fā)生故障,其振動(dòng)信號(hào)的能量分布和頻率成份將會(huì)發(fā)生變化,振動(dòng)信號(hào)是齒輪箱故障特征的載體。振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中對(duì)于振動(dòng)信號(hào)分析的方法通常有頻譜分析法、倒頻譜分析法、時(shí)域分析法、包絡(luò)分析法等。二、齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障的特點(diǎn)一般情況下,當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障時(shí),故障的特征頻率會(huì)大量出現(xiàn)諧波,同時(shí)其周邊會(huì)存在許多邊頻帶。

3、由于引起故障的原因很多,許多故障的振動(dòng)現(xiàn)象不是單一的,軸承故障特征頻率也會(huì)受到調(diào)制。當(dāng)齒輪箱滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí),在滾動(dòng)體相對(duì)滾道旋轉(zhuǎn)過程中,常會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的沖擊,能量較大時(shí),會(huì)激勵(lì)起軸承外圈固有頻率,形成以軸承外圈固有頻率為載波頻率,以軸承通過頻率為調(diào)制頻率的固有頻率調(diào)制振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)齒輪箱滾動(dòng)軸承出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí),在齒輪振動(dòng)頻段內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)較為明顯的故障特征頻率成分。這些成分有時(shí)單獨(dú)出現(xiàn),有時(shí)表現(xiàn)為與齒輪振動(dòng)成分交叉調(diào)制,出現(xiàn)和頻與差頻成分,和頻與差頻會(huì)隨其基本成分的改變而改變2。三、齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障診斷的難點(diǎn)1.確定齒輪箱中間傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速難齒輪箱通常具有多級(jí)結(jié)構(gòu),每級(jí)傳動(dòng)產(chǎn)生不同的速比。一

4、般情況下,齒輪箱廠家僅提供齒輪總速比,并不詳細(xì)提供每級(jí)傳動(dòng)速比以及齒輪齒數(shù),這為準(zhǔn)確判斷中間傳動(dòng)軸的軸承故障增加了難度。確定每根傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速,是正確分析判斷軸承故障的關(guān)鍵,因?yàn)檩S承故障特征頻率是與軸承結(jié)構(gòu)尺寸及軸的轉(zhuǎn)速相關(guān)。軸承的結(jié)構(gòu)尺寸(滾子直徑、滾子分布圓直徑、接觸角以及軸承滾子數(shù)量等是內(nèi)在因素,是由軸承制造商決定的。而轉(zhuǎn)速是屬外在因素,同一軸承在不同的轉(zhuǎn)速上,軸承的故障特征頻率不同。2.確定頻譜中故障特征頻率成分難目前齒輪箱故障診斷方法是以箱體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究的,信號(hào)在傳遞過程中經(jīng)過的環(huán)節(jié)很多,例如齒輪信號(hào)傳遞會(huì)經(jīng)過以下環(huán)節(jié):齒輪軸軸承軸承座測(cè)點(diǎn),這樣會(huì)導(dǎo)致部分信號(hào)在傳遞過程中衰減或受調(diào)

5、制。另外,由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作條件多樣,箱內(nèi)多對(duì)齒輪和滾動(dòng)軸承同時(shí)工作,頻率成分多且復(fù)雜,各種干擾較大。所以傳感器所提取的振動(dòng)信號(hào)中,各信號(hào)頻率雜、多且不易區(qū)分,確定其中某故障特征頻率就存在一定難度。滾動(dòng)軸承故障產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)能量要比齒輪或軸系故障產(chǎn)生的振動(dòng)能量小,其故障信號(hào)很容易被淹沒在其他振動(dòng)信號(hào)中,故障特征更不明顯,這為確定軸承故障特征頻率增加了很大難度。四、齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例采用SKF振動(dòng)檢測(cè)技術(shù),Version3.1.2版本分析軟件,結(jié)合振動(dòng)頻譜圖、時(shí)域圖、加速度包絡(luò)圖等,對(duì)齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行仔細(xì)的分析診斷。例1漿板四壓下輥傳動(dòng)齒輪箱診斷齒輪箱型號(hào)H3SH10B(

6、FLENDER,齒輪總速比1520.9/38= 40.023,結(jié)構(gòu)見圖1。該齒輪箱自2007年2月發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)有周期噪聲,如同齒輪嚙合不良產(chǎn)生的周期沖擊。這之后,車間曾兩次計(jì)劃停機(jī)檢查齒輪箱,結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)齒輪明顯損傷。2007年11月現(xiàn)場(chǎng)噪聲越加尖銳,產(chǎn)生的高振動(dòng)給產(chǎn)品質(zhì)量也帶來了一定影響。為進(jìn)一步診斷產(chǎn)生該噪聲的根源并消除故障,11月11日對(duì)該齒輪箱進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集并分析。齒輪箱中滾動(dòng)軸承的故障診斷與分析申甲斌摘要齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障診斷具有技巧性,通過振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)的闡述以及實(shí)際案例的診斷分析,總結(jié)出判斷該故障應(yīng)注意有關(guān)事項(xiàng)。關(guān)鍵詞齒輪箱滾動(dòng)軸承振動(dòng)頻譜故障診斷中圖分類號(hào)TH133.33

7、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B圖4中間軸振動(dòng)頻譜圖(2007-11-11根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)圖,分別對(duì)每根軸上的軸承所在位置從水平、垂直和軸向設(shè)置了測(cè)點(diǎn)。從資料上查閱出了每根軸上的軸承型號(hào),以SKF 作參考廠家計(jì)算出每個(gè)軸承的故障特征頻率,見表1。根據(jù)漿板車速推算出齒輪箱輸入軸轉(zhuǎn)速在1419r/min ,即輸入軸轉(zhuǎn)頻f 1=23.65Hz 。分析輸入軸的振動(dòng)速度頻譜,發(fā)現(xiàn)頻譜中有非常明顯的110.9Hz 的異常頻率及其諧波(圖2,并有大量邊頻帶。頻率110.9Hz=4.69(輸入軸轉(zhuǎn)頻倍數(shù)×23.65Hz (輸入軸轉(zhuǎn)頻。該諧波不像是齒輪的嚙合頻率,很可能是某軸承的故障特征頻率。假定該異常頻率為軸承故障特征頻

8、率,從諧波周圍可計(jì)算出11.72Hz 的邊頻帶。因資料中只提供了該齒輪箱的總速比為40.023,不能一一確定每根軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速,這就需要從頻譜中捕捉軸轉(zhuǎn)速信息。分析中間軸振動(dòng)速度頻譜,頻譜中有明顯的11.72Hz 的頻率,特別在時(shí)域圖(圖3中捕捉到了11.72Hz 的高強(qiáng)度脈沖。因?yàn)橹虚g軸的轉(zhuǎn)頻是11.72Hz ,即703r/min ,這樣頻譜中的110.9Hz 的頻率將變?yōu)?10.9Hz=9.47(中間軸轉(zhuǎn)頻倍數(shù)×11.72Hz (中間軸1轉(zhuǎn)頻。對(duì)照H3SH10B 齒輪箱內(nèi)軸承故障特征頻率表,發(fā)現(xiàn)中間軸軸承32312的內(nèi)圈故障特征頻率9.436×11.72Hz (此時(shí)f 2

9、=11.72Hz 與頻譜中的9.47×11.72Hz 非常接近。在系統(tǒng)中輸入32312軸承內(nèi)圈故障特征頻率,頻譜中的110.9Hz 的頻率就是軸承32312的內(nèi)圈故障特征頻率(圖4。經(jīng)過上面數(shù)據(jù)的分析判斷,并結(jié)合以往停機(jī)檢查的結(jié)果,可確診該齒輪箱中間軸軸承32312存在嚴(yán)重?fù)p傷。齒輪箱內(nèi)所發(fā)出的周期性異常噪聲很可能是軸承損壞引起齒輪嚙合不良產(chǎn)生的。2007年12月13日計(jì)劃停機(jī)更換軸承。拆下的32312軸承內(nèi)圈180°范圍嚴(yán)重剝落,軸承滾動(dòng)體研磨,外圈麻點(diǎn)疲勞磨損。更換軸承開機(jī)后的第二天檢測(cè),發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻譜中原軸承故障特征頻率消失,振動(dòng)速度值降低(圖5?，F(xiàn)場(chǎng)周期性異常噪聲也隨

10、之消除,運(yùn)行狀態(tài)良好,產(chǎn)品質(zhì)量也明顯好轉(zhuǎn)。例2紙板25#傳動(dòng)齒輪箱診斷。齒輪箱型號(hào)H2SH04B (FLENDER ,齒輪總速比1633.4/192.5=8.485,結(jié)構(gòu)見圖6。2007年12月車間紙機(jī)開始提速。12月16日巡檢25#傳動(dòng)齒輪箱,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲大,齒輪箱振動(dòng)明顯。12月17日采集振動(dòng)數(shù)據(jù)并分析診斷。根據(jù)結(jié)構(gòu)圖分別對(duì)三根軸上軸承所在位置從水平、垂直和軸向設(shè)置了測(cè)點(diǎn)。從資料上查閱出了每根軸上的軸承型號(hào),以SKF 作參考廠家計(jì)算出每個(gè)軸承的故障特征頻率,見表2。根據(jù)紙機(jī)車速推算出齒輪輸入軸轉(zhuǎn)速1527.5r/min ,即輸入軸轉(zhuǎn)頻f 1=25.46Hz 。分析輸入軸加速度包絡(luò)頻譜。其加

11、速度包絡(luò)非常高,基本在30多gE (SKF 加速度包絡(luò)單位。包絡(luò)頻譜中有非常明顯的249.2Hz 異常頻率及其諧波,并有6.094Hz 的邊頻帶(圖7,頻率249.2Hz=9.79(輸入軸轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)×25.46Hz (輸入軸轉(zhuǎn)頻。這與33110軸承外圈故障特征頻率很接近。時(shí)域圖圖1H3SH10B 齒輪箱結(jié)構(gòu)圖表1H3SH10B 齒輪箱內(nèi)軸承故障特征頻率表Hz軸軸承型號(hào)軸承故障特征頻率/Hz軸承外圈軸承內(nèi)圈滾動(dòng)體保持架輸入軸302138.08497f 110.915 f 1 3.1688f 10.4255f 1中間軸32312 6.56395f 29.436f 2 2.627f 20.

12、410f 2中間軸32317B 7.6616f 310.338f 3 3.08967f 30.4256f 3輸出軸32034X13.128f 415.8719f 45.0229f 40.4527f 4f 1、f 2、f 3、f 4所在軸轉(zhuǎn)速頻率圖2輸入軸振動(dòng)速度頻譜圖(2007-11-11圖3中間軸時(shí)域圖(2007-11-11上有約246.1Hz 的沖擊(圖8,該沖擊頻率與輸入軸頻譜中的249.2Hz 頻率相近。分析中間軸頻譜,從頻譜上確定出軸的轉(zhuǎn)頻為6.25Hz 。這樣頻譜中249.2Hz 的頻率在中間軸上將表現(xiàn)為:249.2Hz=39.88(中間軸轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)×6.25Hz (中間

13、軸轉(zhuǎn)頻,這與中間軸軸承故障特征頻率相差很遠(yuǎn)。同樣,根據(jù)速比可計(jì)算出最后輸出軸的轉(zhuǎn)頻為3Hz ,這與該軸上的軸承故障特征頻率也不符。鑒于以上分析,在系統(tǒng)中輸入33110軸承外圈故障特征頻率,頻譜中的249.2Hz 的頻率就是軸承33110的外圈故障特征頻率。最后診斷齒輪箱輸入軸上的33110軸承外圈嚴(yán)重?fù)p傷。2008年1月7日計(jì)劃停機(jī)更換33110軸承。拆下的軸承外圈負(fù)荷區(qū)研磨,并有明顯的滾子壓痕。更換軸承開機(jī)后的第三天檢測(cè),發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻譜中軸承故障特征頻率消失,加速度包絡(luò)值大幅降低(圖9?，F(xiàn)場(chǎng)異常噪聲也隨之消失,運(yùn)行狀態(tài)良好。五、關(guān)于齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障診斷經(jīng)驗(yàn)通過對(duì)齒輪箱故障的認(rèn)真研究,結(jié)合現(xiàn)

14、場(chǎng)故障診斷經(jīng)驗(yàn),在對(duì)齒輪箱中滾動(dòng)軸承診斷時(shí),筆者總結(jié)出以下幾點(diǎn)需要注意的事項(xiàng)。1.清楚齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及軸承故障特點(diǎn)要知道齒輪箱內(nèi)基本結(jié)構(gòu),比如齒輪是何種模式、傳動(dòng)軸有幾根、每根軸上有哪些軸承和什么型號(hào)的軸承等。因?yàn)橹滥男┹S和齒輪是高速重載,可以幫助確定測(cè)點(diǎn)的布置;知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)、傳動(dòng)比,可以幫助確定各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)頻、嚙合頻率;知道各軸承座等滾動(dòng)軸承的型號(hào),可以幫助確定各軸承的故障特征頻率。另外,還要清楚軸承故障的特點(diǎn)。一般情況下,齒輪嚙合頻率是齒輪數(shù)及轉(zhuǎn)頻的整倍數(shù),而軸承故障特征頻率卻不是轉(zhuǎn)頻的整倍數(shù)。清楚齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及軸承故障特點(diǎn),是正確分析齒輪箱中滾動(dòng)軸承故障的首要前提

15、。2.盡可能在每根傳動(dòng)軸所在的軸承座上測(cè)量振動(dòng)在齒輪箱殼體上不同位置的測(cè)點(diǎn),由于信號(hào)傳遞路徑不同,因而對(duì)同一激勵(lì)的響應(yīng)也有所差異。齒輪箱傳動(dòng)軸所在的軸承座處對(duì)軸承的振動(dòng)響應(yīng)比較敏感,此處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以較好地接收軸承振動(dòng)信號(hào),而殼體中上部比較靠近齒輪的嚙合點(diǎn),便于監(jiān)測(cè)齒輪的其他故障。3.盡量從水平、垂直和軸向三個(gè)方向去測(cè)量振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的選擇要兼顧軸向、水平與垂直方向,不一定所有位置都要進(jìn)行三個(gè)方向的振動(dòng)測(cè)量。如帶散熱片的齒輪箱,其輸入軸的測(cè)點(diǎn)就不方便檢測(cè)。甚至某些軸承設(shè)置在軸的中間位置,部分方向的振動(dòng)也不方便測(cè),此時(shí)可有選擇的設(shè)置測(cè)點(diǎn)方向。但重要的部位,一般要進(jìn)行三個(gè)方向的振動(dòng)測(cè)量,特別注意不要忽略

16、軸向振動(dòng)測(cè)量,因?yàn)辇X輪箱內(nèi)很多故障都會(huì)引起軸向振動(dòng)能量與頻率變化。另外,同一測(cè)點(diǎn)多組振動(dòng)數(shù)據(jù)還可為分析判斷所在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速提供足夠的數(shù)據(jù)參考,并為進(jìn)一步診斷出哪端的軸承故障更嚴(yán)重些而獲得更多的參數(shù)依據(jù)。圖7輸入軸加速度包絡(luò)頻譜圖(2007-12-17圖6H2SH04B 齒輪箱結(jié)構(gòu)圖圖5中間軸振動(dòng)頻譜圖(2007-12-14表2H2SH04B 齒輪箱內(nèi)軸承故障特征頻率表Hz軸軸承型號(hào)軸承故障特征頻率軸承外圈軸承內(nèi)圈滾動(dòng)體保持架輸入軸 331109.650771f 112.34923f 133.872214f 10.438671f 1中間軸32309B 7.181758f 29.818242f 2

17、2.956694f 20.4224562輸出軸302178.57083f 311.42917f 3 3.300186f 30.428541f 3302159.0592f 311.9408f 33.433763f 30.43139f 3f 1、f 2、f 3、f 4所在軸轉(zhuǎn)速頻率圖8輸入軸時(shí)域圖(2007-12-174.測(cè)量要兼顧高低頻段振動(dòng),選擇相應(yīng)的測(cè)量范圍和傳感器齒輪箱振動(dòng)信號(hào)中包含有固有頻率、傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪的嚙合頻率、軸承故障特征頻率、邊頻族等成分,其頻帶較寬。對(duì)這種寬帶頻率成分的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷時(shí),一般情況下要按頻帶分級(jí),然后根據(jù)不同的頻率范圍選擇相應(yīng)測(cè)量范圍和傳感器。如低頻

18、段一般選用低頻加速度傳感器,中高頻段可選用標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器。5.最好在齒輪滿負(fù)荷狀態(tài)下測(cè)量振動(dòng)滿負(fù)荷下測(cè)量齒輪箱振動(dòng),能夠較清晰地捕捉到故障信號(hào)。有時(shí)候,在低負(fù)荷時(shí),部分軸承故障信號(hào)會(huì)被齒輪箱內(nèi)其它信號(hào)所淹沒,或者受其他信號(hào)調(diào)制而不容易發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然,在軸承故障比較嚴(yán)重時(shí),在低負(fù)荷時(shí),就是通過速度頻譜也是能夠清晰地捕捉到故障信號(hào)。6.分析數(shù)據(jù)時(shí)要兼顧頻譜圖與時(shí)域圖當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障時(shí),有時(shí)在頻譜圖上各故障特征的振動(dòng)幅值不會(huì)發(fā)生較大的變化,無法判斷故障的嚴(yán)重程度或中間傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確值,但在時(shí)域圖中可通過沖擊頻率來分析故障是否明顯或所在傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速是否正確。因此,要準(zhǔn)確確定每一傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速或者某一故障的

19、沖擊頻率,都需要將振動(dòng)頻譜圖和時(shí)域圖兩者結(jié)合起來推斷。特別對(duì)異常諧波的邊頻族的頻率確定,更是離不開時(shí)域圖的輔助分析。7.注重邊頻帶頻率的分析對(duì)于轉(zhuǎn)速低、剛性大的設(shè)備,當(dāng)齒輪箱內(nèi)的軸承出現(xiàn)磨損時(shí),往往軸承各故障特征頻率的振動(dòng)幅值并不是很大,但是伴隨著軸承磨損故障的發(fā)展,軸承故障特征頻率的諧波會(huì)大量出現(xiàn),并且在這些頻率周圍會(huì)出現(xiàn)大量的邊頻帶。這些情況的出現(xiàn),表明軸承發(fā)生了嚴(yán)重的故障,需要及時(shí)更換。參考文獻(xiàn)1張輝.現(xiàn)代造紙機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷.北京,中國(guó)輕工業(yè)出版社,2004.122丁康等.齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù).北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2005.5W08.11-22作者通聯(lián):山東亞太森博漿紙有限公司維修中心預(yù)防維修山東日照市北京路369號(hào)276826E-mail :jiabin_shen編輯王其圖9輸入軸加速度包絡(luò)頻譜圖(2008-01-09旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障種類通常有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、油膜渦動(dòng)、動(dòng)靜件摩擦、旋轉(zhuǎn)脫離、喘振等。旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷是一個(gè)復(fù)雜的問題,其故障具有相似性且非線性可分。故障與征兆的關(guān)系不很明確。受安裝、運(yùn)行等因素的影響,具有較強(qiáng)的模糊性。常常是多故障同時(shí)發(fā)生、故障特征相互交織1。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力