靳曉樂

（中廣核工程有限公司調(diào)試中心，廣東 深圳518124）

0 引言

齒輪嚙合產(chǎn)生的振動頻譜中的主要頻率成分包含齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻，這些嚙合頻率周圍的頻率分布稱為邊頻帶。由于齒輪運行時有多個激勵源，在齒輪嚙合頻率及其諧波或齒輪固有頻率及其諧波周圍會出現(xiàn)邊頻帶。一般情況下，當齒輪箱發(fā)生某些故障時，故障的特征頻率及其諧波會對齒輪箱的振動信號產(chǎn)生調(diào)制，在頻譜圖上齒輪箱嚙合頻率及其諧波兩側(cè)會有一系列邊頻帶，這些邊頻帶中包含豐富的齒輪狀態(tài)信息，通常作為齒輪故障診斷的重要依據(jù)。

齒輪故障診斷技術(shù)最早起源于美國，它是現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一門新興科學。齒輪故障的診斷方法包括兩類：一種是通過處理分析齒輪運行時的動態(tài)信號來進行齒輪故障診斷；另一種是以摩擦磨損理論為依據(jù)，對齒輪箱潤滑油中的磨屑進行研究分析，從而判斷齒輪的運行狀態(tài)。國外的齒輪狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，并領(lǐng)先國內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展。美國主要側(cè)重于對齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的軍事方面的研究，而日本則側(cè)重于一些民用工業(yè)。齒輪的故障或失效形式多樣，這就使得對它進行故障診斷難度較大，而目前國內(nèi)外已有的故障診斷系統(tǒng)還不完善，大多應用于定性分析，存在一定的局限性。

某核電采用立式行星齒輪箱作為海水循環(huán)泵減速機構(gòu)，每臺機組配備4臺海水循環(huán)泵，每臺泵均配置一臺行星齒輪箱作為減速機。第1臺齒輪箱首次滿載啟動時，使用便攜式測振設(shè)備測量行星齒輪箱軸向振動超過限值，垂直方向達到6.1 mm/s。針對該齒輪箱振動偏高問題，對振動信號進行了采樣。測量得到該齒輪箱振動幅值低于驗收標準，由于齒輪組嚙合的復雜性，為進一步判斷是否存在局部故障，基于邊頻帶理論對其頻譜圖進行了分析，分析結(jié)果表明該齒輪箱不存在局部故障，其振動烈度符合相關(guān)標準，滿足長期穩(wěn)定運行的要求。

1 齒輪箱參數(shù)及振動標準

齒輪箱的參數(shù)如下：

類型：行星齒輪/外齒圈固定

齒數(shù)：太陽輪26，行星輪51，內(nèi)齒圈130

行星輪數(shù)量：4

轉(zhuǎn)速：995.6 rpm/165.9 rpm

根據(jù)齒輪箱參數(shù)計算得到齒輪箱各部件的轉(zhuǎn)速和頻率如表1。

表1 齒輪箱轉(zhuǎn)速和頻率

該齒輪箱由供應商依據(jù)ANSI/AGMA 6123-B06和ANSI/AGMA2001-D04進行設(shè)計，其振動標準有供應商依據(jù)AGMA2000及其設(shè)計經(jīng)驗進行定義。齒輪箱的振動報警值為5.1 mm/s RMS[10-1000]Hz，停機值為7.9 mm/s RMS[10-1000]Hz。

2 數(shù)據(jù)采集

振動測量：

齒輪箱共安裝2個三軸加速度傳感器，見圖1，測點1為齒輪箱輸入端，測點2為齒輪箱輸出端。

圖1 加速度傳感器布置

齒輪箱滿載穩(wěn)定運行狀態(tài)下的振動幅值見表2。測量得到齒輪箱振動幅值均低于限值，完全符合標準要求。

表2 振動測量值（單位mm/s）

3 振動分析

3.1 與振動標準進行比較

測量得到的齒輪箱振動數(shù)據(jù)均在標準限值以內(nèi)，完全符合標準要求。但是，齒輪箱的振動相比首次啟動有較大差異，分析原因有以下兩點：

（1）首次滿載期間的測振點定位于齒輪箱殼體的最外側(cè)，該處距離軸承較遠，由于局部形變導致測量值較高；根據(jù)標準推薦，測點應該盡可能靠近軸承，本次測振點選取靠近軸承位置。

（2）首次滿載測量所用儀表為一體式便攜測振儀，測振探頭與本體為整體，易受使用者影響，導致測量值不準。本次測振采用強力膠將傳感器固定在測點表面，通過電纜連接到拾取器，消除了人為因素導致的測量偏差。

由于齒輪組嚙合過程十分復雜，振動強度不能完全準確的反應齒輪組的運行情況，因此需要對齒輪箱的振動信號進行分析，下面基于邊頻帶理論從不同角度對齒輪箱的振動信號進行分析。

3.2 基于邊頻帶理論的無故障頻譜特征分析

齒輪箱嚙合產(chǎn)生的頻譜中，主要頻率成分包含齒輪軸轉(zhuǎn)頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻。嚙合頻率周圍的頻率分布稱為邊頻帶。

文獻[2]中提出了一種簡化的數(shù)學模型來描述無故障狀態(tài)下行星齒輪組邊頻帶的產(chǎn)生機理，并通過試驗驗證了該模型，該模型適用于普遍的行星齒輪結(jié)構(gòu)。

本文分析的齒輪箱的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其行星輪數(shù)量為4，行星齒輪等間距分布。

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

針對行星輪數(shù)量為4的等間距行星齒輪結(jié)構(gòu)，其振動頻譜及邊頻帶的理論模型如圖3所示[2]。

圖3 等間距行星齒輪理論頻譜

泵組穩(wěn)定運行狀態(tài)下齒輪箱的振動頻譜如圖4所示。其主要能量集中在360 Hz和720 Hz附近，由嚙合頻率及其二次諧波引起的。因此僅需對360 Hz和720 Hz附近區(qū)域進行分析。

圖4 頻譜圖

將Z方向300～400 Hz，670～770 Hz的區(qū)間放 大，得到細化譜圖5。

圖5 細化譜

細化譜中并未出現(xiàn)理論嚙合頻率，僅能看到嚙合頻率的二次諧波。其頻譜特征符合該類行星齒輪箱結(jié)構(gòu)的理論頻譜模型（見圖3）。在圖5中可以看到嚙合頻率和二次諧波兩側(cè)有少量邊頻帶，間隔分別為5.5 Hz和11 Hz，但其幅值并不大。11 Hz的邊頻帶反應了行星齒輪的通過頻率，5.5 Hz則與齒輪箱低速側(cè)的二次諧波頻率相吻合。因此這些邊頻帶反應了行星通過頻率和低速側(cè)轉(zhuǎn)軸頻率對齒輪箱振動頻率和幅值的調(diào)制。

以上現(xiàn)象完全符合圖3的理論振動頻譜模型，因此該齒輪箱的頻譜特征符合典型的無故障等間距行星齒輪組特征。

3.3 基于邊頻帶理論的局部故障特征分析

文獻[3]提出了行星齒輪箱局部故障特征頻率的通用公式：

太陽輪局部故障特征頻率為

行星輪局部故障特征頻率為

外齒圈局部故障特征頻率為

其中fm為嚙合頻率，ZS為太陽輪齒數(shù)，Zp為行星輪齒數(shù)，Zr外齒圈齒數(shù)，N為行星輪數(shù)量。

計算得到本文齒輪箱局部故障特征頻率見表3。

表3 齒輪箱故障特征頻率

太陽輪故障邊頻帶的峰值將出現(xiàn)在

行星輪故障則邊頻帶的峰值將出現(xiàn)在

外齒圈故障則邊頻帶的峰值將出現(xiàn)在

fc為行星架旋轉(zhuǎn)頻率，k為正整數(shù)，n為整數(shù)。

圖 5 中 的 峰值頻率 342.9 Hz，353.9 Hz，365.2 Hz，376.1 Hz均不符合以上三個算式，所以可以排除齒輪存在局部故障的可能。

4 結(jié)束語

該齒輪箱首次滿載期間，由于測振點選取不當及測振儀器易受使用者影響，造成測得的振動強度超出驗收標準，首次測振數(shù)據(jù)并不能真實反映齒輪箱的運行狀態(tài)。本次測振在消除以上兩個因素的前提下，測得的頻譜圖表明，其振動強度均在標準限值以下；對齒輪箱進行基于邊頻帶理論的分析表明，該齒輪箱的運行狀態(tài)良好，其振動頻譜符合無故障齒輪組的典型特征；通過對本齒輪箱局部故障特征頻率的對比，可以排除齒輪組局部故障的可能。綜上，該齒輪箱運行狀態(tài)良好，振動強度在標準限值以下，滿足長期穩(wěn)定運行的要求。