魏協(xié)奔

(汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東汕頭 515000)

0 前言

齒輪變速箱是機(jī)械設(shè)備中非常重要的變速機(jī)構(gòu)，它作為機(jī)械設(shè)備的變速傳動(dòng)部件，一旦出現(xiàn)故障，必將影響到設(shè)備的正常運(yùn)作。現(xiàn)代的故障診斷利用先進(jìn)的傳感技術(shù)與現(xiàn)代可靠性理論等為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[1-3]。此研究旨在當(dāng)齒輪箱輕微故障時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并維護(hù)，以及診斷出故障的原因，便于后續(xù)的維修工作。

機(jī)械設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)在設(shè)備管理中的成功應(yīng)用和由此技術(shù)帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益促使學(xué)者們對(duì)新的理論和技術(shù)不斷地進(jìn)行研究。近40年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)、機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)、測(cè)控技術(shù)等知識(shí)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)不斷吸取現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成果，從理論到實(shí)際應(yīng)用都有迅速的發(fā)展，至今發(fā)展成為集數(shù)學(xué)、力學(xué)、振動(dòng)分析、信號(hào)處理、人工智能、電子技術(shù)等各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)于一體的新興交叉學(xué)科。

當(dāng)前，對(duì)于齒輪變速箱進(jìn)行故障診斷的方法有很多，如噪聲分析與振動(dòng)監(jiān)測(cè)、扭振分析、油液分析、聲發(fā)射、溫度及能耗監(jiān)測(cè)等[4]。其中，振動(dòng)診斷是一種最常見(jiàn)和有效的設(shè)備振動(dòng)與故障診斷方法，且在我國(guó)及世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。齒輪變速箱振動(dòng)診斷的原理是在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，齒輪箱中的齒輪、軸承、軸等零件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，采集各零部件工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)并分析可獲得其狀態(tài)，如文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于振動(dòng)信號(hào)的船用齒輪箱故障診斷系統(tǒng)。

本文作者以軋機(jī)齒的齒輪箱為研究對(duì)象，結(jié)合齒輪箱的結(jié)構(gòu)與運(yùn)作特征，采集軋機(jī)齒輪箱在鋼鐵軋機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，再借助振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)分析其運(yùn)行狀態(tài)。

1 齒輪箱失效的振動(dòng)特征分析

齒輪箱的各類零件包括軸承、軸、齒輪、箱體、緊固件與油封等。其中，齒輪產(chǎn)生的故障比例最大，據(jù)統(tǒng)計(jì)其故障率達(dá)60%，其余零件的故障率占比為軸承19%、軸10%、箱體7%、緊固件3%、油封1%[6]。由于齒輪箱中齒輪和軸承的故障比例占較大，本文作者主要分析齒輪和軸承的故障。

軋機(jī)齒輪箱在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中引起的振動(dòng)比較復(fù)雜，由于齒所受的激勵(lì)不同，在齒輪箱檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)類型也各不相同。例如，軋機(jī)齒輪箱齒輪磨損后，在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪嚙合過(guò)程中由于周節(jié)誤差、齒形誤差或均勻磨損等原因，都會(huì)使齒間發(fā)生撞擊，此時(shí)，撞擊產(chǎn)生振動(dòng)的頻率就是它的嚙合頻率[7]。齒輪變速箱在設(shè)備的運(yùn)行中產(chǎn)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)頻率為百赫茲到千赫茲的數(shù)量級(jí)。一旦齒輪的齒發(fā)生變形，在齒輪箱運(yùn)行時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚙合振動(dòng)，振動(dòng)頻率與齒輪嚙合頻率一致。

軸承主要失效類型為疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂、膠合。從振動(dòng)頻率上看，軸承的失效程度可以分為4個(gè)階段：第一階段是自然頻率階段，其振動(dòng)尖峰能量約為2.5 m/s2(實(shí)際值與測(cè)量位置和機(jī)器的轉(zhuǎn)速有關(guān))；第二階段為輕微故障階段，振動(dòng)尖峰能量的總量增大，從2.5 m/s2增大到5.0 m/s2；第三階段是滾動(dòng)軸承的磨損擴(kuò)展階段，出現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障頻率及其諧波頻率，振動(dòng)尖峰能量的總量繼續(xù)增大(例如從5.0 m/s2增大到10 m/s2)；第四階段為損壞前階段，該階段的頻率幅值增大，振動(dòng)尖峰能量和高頻加速度值通常為異常極大幅值[8]。

2 齒輪箱振動(dòng)特征頻率計(jì)算

高線軋機(jī)由兩部分組成：第一部分是由6個(gè)齒輪組成的增速箱，一端是輸入齒輪，另一端是2個(gè)輸出齒輪，如圖1所示；第二部分是由8個(gè)機(jī)架組成的預(yù)精軋機(jī)，如圖2所示，通過(guò)8次軋滾推線材行預(yù)精軋，同時(shí)每一次軋輥都是一次提速的過(guò)程。根據(jù)齒輪箱的結(jié)構(gòu)、公式(1)與齒輪傳動(dòng)比公式(2)，即可計(jì)算出各齒輪正常的工作頻率。

圖1 增速箱結(jié)構(gòu)

圖2 軋機(jī)齒輪組分布

f=N×z÷60

(1)

(2)

3 齒輪箱振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布

軋機(jī)齒輪箱振動(dòng)檢測(cè)檢測(cè)點(diǎn)的選擇和布置是獲得有效振動(dòng)數(shù)據(jù)的首要環(huán)節(jié)，所以在實(shí)驗(yàn)中必須選用最合適的位置安裝傳感器，即最能反映齒輪箱工作狀態(tài)的部位，一般選擇安裝在齒輪箱的軸承座上。考慮到測(cè)量效率及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)根據(jù)機(jī)械容易產(chǎn)生的異常情況確定重點(diǎn)測(cè)量方向。在監(jiān)測(cè)中一般都需要從軸向、水平和垂直3個(gè)方向測(cè)量，考慮到測(cè)量效率及經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)根據(jù)機(jī)械容易產(chǎn)生的異常情況確定重點(diǎn)測(cè)量方向[9-10]。

軋機(jī)齒輪箱由于現(xiàn)場(chǎng)情況與箱體外殼的原因，每個(gè)軸承座上只在垂直方向上放置一個(gè)傳感器。而精軋機(jī)的8個(gè)機(jī)架的每一個(gè)機(jī)架傳感器安放如圖3所示，1～3位置為振動(dòng)傳感器的安裝測(cè)點(diǎn)位置。

圖3 振動(dòng)傳感器安放點(diǎn)

3.2 傳感器的選擇

在軋機(jī)齒輪箱振動(dòng)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)研究中，常用的振動(dòng)傳感器有電容式加速度傳感器、電渦流式位移傳感器、壓電式加速度傳感器等。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界影響小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn),是廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器。具體傳感器的選擇在于具體的監(jiān)測(cè)需求，文中選擇ENTEK公司型號(hào)為9200(General Purpose)的加速度傳感器。該加速度傳感器的靈敏度為100 mV·s2/(10 m)，加速度范圍為500 m/s2(peak)，測(cè)振頻率為0.9～8 000 Hz，能夠滿足文中的需求。

3.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采用Emonitor Odyssey狀態(tài)檢測(cè)軟件搭建齒輪箱的監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

信號(hào)由9200傳感器采集，信號(hào)線經(jīng)過(guò)端子排連接到Enwatch的通道上，網(wǎng)線從Enwatch輸出，連接到集線器上，再連接到計(jì)算機(jī)上。當(dāng)計(jì)算機(jī)的Odyssey程序向Enwatch發(fā)出信號(hào)采集任務(wù)時(shí)，信號(hào)被傳感器采集，再通過(guò)信號(hào)線，經(jīng)過(guò)Enwatch，最終通過(guò)網(wǎng)線與集線器被發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。至此，用戶可通過(guò)Odyssey軟件系統(tǒng)記錄分析數(shù)據(jù)信號(hào)。

4 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)與分析

采用多功能振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(MDT-3A)進(jìn)行振動(dòng)信息采集與系統(tǒng)測(cè)試。多功能振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)齒輪箱內(nèi)部示意及振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

圖5 箱內(nèi)部示意及振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

測(cè)點(diǎn)分別位于軸承位置和齒輪箱頂,分別對(duì)正常齒輪及保持架故障、斷齒及滾動(dòng)體故障、齒面磨損及滾動(dòng)體故障這3種故障形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。齒輪齒數(shù)分別為z=21、z′=38，經(jīng)計(jì)算得出：軸承的滾動(dòng)體故障頻率為f滾動(dòng)體=1.996N/60=1.996×745/60=24.8 Hz

軸承的保持架故障頻率為

f保持架=1.996N/60=0.382×760/60=4.8 Hz

工況1：正常齒輪(760 r/min)及保持架故障，得到數(shù)據(jù)如表1與圖6—圖9所示。

圖9 軸承頻譜圖(工況2)

表1 工況1監(jiān)測(cè)結(jié)果 單位：m·s-2

圖6 軸承頻譜圖(工況1)

圖7 軸承g(shù)SE頻譜圖(工況1)

從表1、圖6—圖8可知：在齒輪箱齒輪嚙合的頻譜圖中，明顯沒(méi)有出現(xiàn)波峰現(xiàn)象，可知此時(shí)的齒輪箱沒(méi)產(chǎn)生故障；在280 Hz處，出現(xiàn)一個(gè)小峰值，跟齒輪的運(yùn)動(dòng)頻率一致，這從軸承振動(dòng)尖峰能量(gSE)圖中可以明顯看出。由于齒輪箱的輸出軸后有負(fù)載，在100 Hz和200 Hz位置產(chǎn)生的尖端波峰幅值不高，這是由于鋼材壓榨機(jī)器陳舊(實(shí)際情況)和轉(zhuǎn)子振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生共振(模擬實(shí)驗(yàn))所導(dǎo)致。通過(guò)總結(jié)，機(jī)械振動(dòng)的幅值還是比較低的，圖中部分頻率中出現(xiàn)的白噪聲，是由于振動(dòng)臺(tái)中部分螺紋緊固件產(chǎn)生松動(dòng)而造成的。

圖8 齒輪箱頻譜圖(工況1)

工況2：斷齒(745 r/min)及滾動(dòng)體故障，得到數(shù)據(jù)如表2與圖10—圖13所示。

表2 工況2監(jiān)測(cè)結(jié)果 單位：m·s-2

圖10 軸承g(shù)SE頻譜圖(工況2)

圖11 齒輪箱頻譜圖(工況2)

從表2、圖9—圖12可知：根據(jù)計(jì)算的齒輪的故障頻率為260 Hz，齒輪箱的振動(dòng)尖峰能量(gSE)頻譜圖上峰值較大，波峰比較多，更能反映齒輪箱齒輪的狀態(tài)，在260 Hz的位置有一個(gè)峰值，而且對(duì)比前一種狀態(tài)(正常無(wú)故障齒輪)其幅值增大較多，可以判斷為齒輪磨損，在齒輪嚙合頻率及其諧波兩側(cè)形成一系列邊帶，邊帶的階數(shù)多而分散，可以判斷為齒輪斷齒。在24 Hz的位置也有一個(gè)波峰，這是軸承滾動(dòng)體故障的信號(hào)。軸承的故障信號(hào)在頻譜中并不明顯，但在gSE圖中可以比較清晰地看見(jiàn)，說(shuō)明gSE尖峰能量在故障診斷的應(yīng)用中作用較大，對(duì)故障的診斷和預(yù)測(cè)有比較大的優(yōu)勢(shì)，但并不能判斷故障的類型。

圖12 齒輪箱gSE頻譜圖(工況2)

工況3：齒面磨損(720 r/min)及滾動(dòng)體故障，結(jié)果如表3與圖13—圖16所示。

表3 工況3監(jiān)測(cè)結(jié)果 單位：m·s-2

圖13 軸承頻譜圖(工況3)

圖14 軸承g(shù)SE頻譜圖(工況3)

圖15 齒輪箱頻譜圖(工況3)

圖16 齒輪箱gSE頻譜圖(工況3)

從表3、圖13—圖16可知：速度有輕微的降低，幅值也隨著降低了一點(diǎn)，在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)分布的邊帶階數(shù)少而集中，從振動(dòng)尖峰能量(gSE)頻譜圖上看，在嚙合頻率一倍頻上顯示出來(lái)的振動(dòng)幅值比較大，高階諧波的幅值增加比較多，符合齒輪磨損的故障振動(dòng)特征[11]。

5 結(jié)語(yǔ)

軋機(jī)齒輪箱在軋機(jī)中有著十分重要的作用，本文作者采用 Odyssey軟件、振動(dòng)傳感器及Enwatch采集器等設(shè)計(jì)了一套針對(duì)軋機(jī)齒輪箱運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)多種故障工況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠達(dá)到檢測(cè)齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的要求。