齿轮箱中滚动轴承的故障诊断与分析

1、齿轮箱运行状态往往直接影响到传动设备能否正常工作。齿轮箱通常包含有齿轮、滚动轴承、轴等零部件。据资料统计,齿轮箱内零部件失效情况中,齿轮和轴承的失效所占比重最大,分别为60%和19%1。因此,齿轮箱故障诊断研究的重点是齿轮和轴承的失效机理与诊断方法。作为齿轮箱中滚动轴承的故障诊断,其具有一定的技巧性和特殊性,笔者根据现场经验,从振动技术的诊断方法来对齿轮箱中滚动轴承的故障诊断进行相关探讨。一、振动检测技术在齿轮箱中应用的特点对齿轮箱的故障诊断,目前普遍采用的是基于振动技术的诊断方法,它通过提取齿轮箱轴承座上或齿轮箱壳体中上部的振动信号,运用适当的信号处理技术,分析可能出现的故障特征信息,以判断

2、发生故障性质及部位。振动检测技术是基于机械设备在动态下(包括正常和异常状态都会产生振动这一事实,振动的强弱及其包含的主要频率成分和故障的类型、程度、部位以及原因等有着密切的联系。它可以检测出人的感官和经验无法直接查出的故障因素,尤其是不明显的潜在故障。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时都会产生振动,若发生故障,其振动信号的能量分布和频率成份将会发生变化,振动信号是齿轮箱故障特征的载体。振动检测技术中对于振动信号分析的方法通常有频谱分析法、倒频谱分析法、时域分析法、包络分析法等。二、齿轮箱中滚动轴承故障的特点一般情况下,当齿轮箱发生故障时,故障的特征频率会大量出现谐波,同时其周边会存在许多边频带。

3、由于引起故障的原因很多,许多故障的振动现象不是单一的,轴承故障特征频率也会受到调制。当齿轮箱滚动轴承出现故障时,在滚动体相对滚道旋转过程中,常会产生有规律的冲击,能量较大时,会激励起轴承外圈固有频率,形成以轴承外圈固有频率为载波频率,以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制振动现象。当齿轮箱滚动轴承出现严重故障时,在齿轮振动频段内可能会出现较为明显的故障特征频率成分。这些成分有时单独出现,有时表现为与齿轮振动成分交叉调制,出现和频与差频成分,和频与差频会随其基本成分的改变而改变2。三、齿轮箱中滚动轴承故障诊断的难点1.确定齿轮箱中间传动轴的转速难齿轮箱通常具有多级结构,每级传动产生不同的速比。一

4、般情况下,齿轮箱厂家仅提供齿轮总速比,并不详细提供每级传动速比以及齿轮齿数,这为准确判断中间传动轴的轴承故障增加了难度。确定每根传动轴的转速,是正确分析判断轴承故障的关键,因为轴承故障特征频率是与轴承结构尺寸及轴的转速相关。轴承的结构尺寸(滚子直径、滚子分布圆直径、接触角以及轴承滚子数量等是内在因素,是由轴承制造商决定的。而转速是属外在因素,同一轴承在不同的转速上,轴承的故障特征频率不同。2.确定频谱中故障特征频率成分难目前齿轮箱故障诊断方法是以箱体振动信号进行研究的,信号在传递过程中经过的环节很多,例如齿轮信号传递会经过以下环节:齿轮轴轴承轴承座测点,这样会导致部分信号在传递过程中衰减或受调

5、制。另外,由于齿轮箱结构复杂,工作条件多样,箱内多对齿轮和滚动轴承同时工作,频率成分多且复杂,各种干扰较大。所以传感器所提取的振动信号中,各信号频率杂、多且不易区分,确定其中某故障特征频率就存在一定难度。滚动轴承故障产生的振动信号能量要比齿轮或轴系故障产生的振动能量小,其故障信号很容易被淹没在其他振动信号中,故障特征更不明显,这为确定轴承故障特征频率增加了很大难度。四、齿轮箱中滚动轴承故障诊断实例例1浆板四压下辊传动齿轮箱诊断齿轮箱型号H3SH10B(FLENDER,齿轮总速比1520.9/38= 40.023,结构见图1。该齿轮箱自2007年2月发现现场有周期噪声,如同齿轮啮合不良产生的周期

6、冲击。这之后,车间曾两次计划停机检查齿轮箱,结果并没有发现齿轮明显损伤。2007年11月现场噪声越加尖锐,产生的高振动给产品质量也带来了一定影响。为进一步诊断产生该噪声的根源并消除故障,11月11日对该齿轮箱进行了振动数据采集并分析。齿轮箱中滚动轴承的故障诊断与分析申甲斌摘要齿轮箱中滚动轴承故障诊断具有技巧性,通过振动技术应用特点的阐述以及实际案例的诊断分析,总结出判断该故障应注意有关事项。关键词齿轮箱滚动轴承振动频谱故障诊断中图分类号TH133.33文献标识码B图4中间轴振动频谱图(2007-11-11根据齿轮箱结构图,分别对每根轴上的轴承所在位置从水平、垂直和轴向设置了测点。从资料上查阅出

7、了每根轴上的轴承型号,以SKF 作参考厂家计算出每个轴承的故障特征频率,见表1。根据浆板车速推算出齿轮箱输入轴转速在1419r/min ,即输入轴转频f 1=23.65Hz 。分析输入轴的振动速度频谱,发现频谱中有非常明显的110.9Hz 的异常频率及其谐波(图2,并有大量边频带。频率110.9Hz=4.69(输入轴转频倍数×23.65Hz (输入轴转频。该谐波不像是齿轮的啮合频率,很可能是某轴承的故障特征频率。假定该异常频率为轴承故障特征频率,从谐波周围可计算出11.72Hz 的边频带。因资料中只提供了该齿轮箱的总速比为40.023,不能一一确定每根轴的实际转速,这就需要从频谱中捕

8、捉轴转速信息。分析中间轴振动速度频谱,频谱中有明显的11.72Hz 的频率,特别在时域图(图3中捕捉到了11.72Hz 的高强度脉冲。因为中间轴的转频是11.72Hz ,即703r/min ,这样频谱中的110.9Hz 的频率将变为110.9Hz=9.47(中间轴转频倍数×11.72Hz (中间轴1转频。对照H3SH10B 齿轮箱内轴承故障特征频率表,发现中间轴轴承32312的内圈故障特征频率9.436×11.72Hz (此时f 2=11.72Hz 与频谱中的9.47×11.72Hz 非常接近。在系统中输入32312轴承内圈故障特征频率,频谱中的110.9Hz 的

9、频率就是轴承32312的内圈故障特征频率(图4。经过上面数据的分析判断,并结合以往停机检查的结果,可确诊该齿轮箱中间轴轴承32312存在严重损伤。齿轮箱内所发出的周期性异常噪声很可能是轴承损坏引起齿轮啮合不良产生的。2007年12月13日计划停机更换轴承。拆下的32312轴承内圈180°范围严重剥落,轴承滚动体研磨,外圈麻点疲劳磨损。更换轴承开机后的第二天检测,发现振动频谱中原轴承故障特征频率消失,振动速度值降低(图5。现场周期性异常噪声也随之消除,运行状态良好,产品质量也明显好转。例2纸板25#传动齿轮箱诊断。齿轮箱型号H2SH04B (FLENDER ,齿轮总速比1633.4/1

10、92.5=8.485,结构见图6。2007年12月车间纸机开始提速。12月16日巡检25#传动齿轮箱,发现现场噪声大,齿轮箱振动明显。12月17日采集振动数据并分析诊断。根据结构图分别对三根轴上轴承所在位置从水平、垂直和轴向设置了测点。从资料上查阅出了每根轴上的轴承型号,以SKF 作参考厂家计算出每个轴承的故障特征频率,见表2。根据纸机车速推算出齿轮输入轴转速1527.5r/min ,即输入轴转频f 1=25.46Hz 。分析输入轴加速度包络频谱。其加速度包络非常高,基本在30多gE (SKF 加速度包络单位。包络频谱中有非常明显的249.2Hz 异常频率及其谐波,并有6.094Hz 的边频带

11、(图7,频率249.2Hz=9.79(输入轴转频的倍数×25.46Hz (输入轴转频。这与33110轴承外圈故障特征频率很接近。时域图图1H3SH10B 齿轮箱结构图表1H3SH10B 齿轮箱内轴承故障特征频率表Hz轴轴承型号轴承故障特征频率/Hz轴承外圈轴承内圈滚动体保持架输入轴302138.08497f 110.915 f 1 3.1688f 10.4255f 1中间轴32312 6.56395f 29.436f 2 2.627f 20.410f 2中间轴32317B 7.6616f 310.338f 3 3.08967f 30.4256f 3输出轴32034X13.128f 4

12、15.8719f 45.0229f 40.4527f 4f 1、f 2、f 3、f 4所在轴转速频率图2输入轴振动速度频谱图(2007-11-11图3中间轴时域图(2007-11-11上有约246.1Hz 的冲击(图8,该冲击频率与输入轴频谱中的249.2Hz 频率相近。分析中间轴频谱,从频谱上确定出轴的转频为6.25Hz 。这样频谱中249.2Hz 的频率在中间轴上将表现为:249.2Hz=39.88(中间轴转频的倍数×6.25Hz (中间轴转频,这与中间轴轴承故障特征频率相差很远。同样,根据速比可计算出最后输出轴的转频为3Hz ,这与该轴上的轴承故障特征频率也不符。鉴于以上分析,

13、在系统中输入33110轴承外圈故障特征频率,频谱中的249.2Hz 的频率就是轴承33110的外圈故障特征频率。最后诊断齿轮箱输入轴上的33110轴承外圈严重损伤。2008年1月7日计划停机更换33110轴承。拆下的轴承外圈负荷区研磨,并有明显的滚子压痕。更换轴承开机后的第三天检测,发现振动频谱中轴承故障特征频率消失,加速度包络值大幅降低(图9。现场异常噪声也随之消失,运行状态良好。五、关于齿轮箱中滚动轴承故障诊断经验通过对齿轮箱故障的认真研究,结合现场故障诊断经验,在对齿轮箱中滚动轴承诊断时,笔者总结出以下几点需要注意的事项。1.清楚齿轮箱内部结构及轴承故障特点要知道齿轮箱内基本结构,比如齿

14、轮是何种模式、传动轴有几根、每根轴上有哪些轴承和什么型号的轴承等。因为知道哪些轴和齿轮是高速重载,可以帮助确定测点的布置;知道电动机转速和各传动齿轮的齿数、传动比,可以帮助确定各传动轴的转频、啮合频率;知道各轴承座等滚动轴承的型号,可以帮助确定各轴承的故障特征频率。另外,还要清楚轴承故障的特点。一般情况下,齿轮啮合频率是齿轮数及转频的整倍数,而轴承故障特征频率却不是转频的整倍数。清楚齿轮箱内部结构及轴承故障特点,是正确分析齿轮箱中滚动轴承故障的首要前提。2.尽可能在每根传动轴所在的轴承座上测量振动在齿轮箱壳体上不同位置的测点,由于信号传递路径不同,因而对同一激励的响应也有所差异。齿轮箱传动轴所

15、在的轴承座处对轴承的振动响应比较敏感,此处设置监测点可以较好地接收轴承振动信号,而壳体中上部比较靠近齿轮的啮合点,便于监测齿轮的其他故障。3.尽量从水平、垂直和轴向三个方向去测量振动测点的选择要兼顾轴向、水平与垂直方向,不一定所有位置都要进行三个方向的振动测量。如带散热片的齿轮箱,其输入轴的测点就不方便检测。甚至某些轴承设置在轴的中间位置,部分方向的振动也不方便测,此时可有选择的设置测点方向。但重要的部位,一般要进行三个方向的振动测量,特别注意不要忽略轴向振动测量,因为齿轮箱内很多故障都会引起轴向振动能量与频率变化。另外,同一测点多组振动数据还可为分析判断所在传动轴转速提供足够的数据参考,并为

16、进一步诊断出哪端的轴承故障更严重些而获得更多的参数依据。图7输入轴加速度包络频谱图(2007-12-17图6H2SH04B 齿轮箱结构图图5中间轴振动频谱图(2007-12-14表2H2SH04B 齿轮箱内轴承故障特征频率表Hz轴轴承型号轴承故障特征频率轴承外圈轴承内圈滚动体保持架输入轴 331109.650771f 112.34923f 133.872214f 10.438671f 1中间轴32309B 7.181758f 29.818242f 2 2.956694f 20.4224562输出轴302178.57083f 311.42917f 3 3.300186f 30.428541f 3

17、302159.0592f 311.9408f 33.433763f 30.43139f 3f 1、f 2、f 3、f 4所在轴转速频率图8输入轴时域图(2007-12-174.测量要兼顾高低频段振动,选择相应的测量范围和传感器齿轮箱振动信号中包含有固有频率、传动轴的旋转频率、齿轮的啮合频率、轴承故障特征频率、边频族等成分,其频带较宽。对这种宽带频率成分的振动进行监测与诊断时,一般情况下要按频带分级,然后根据不同的频率范围选择相应测量范围和传感器。如低频段一般选用低频加速度传感器,中高频段可选用标准加速度传感器。5.最好在齿轮满负荷状态下测量振动满负荷下测量齿轮箱振动,能够较清晰地捕捉到故障信号

18、。有时候,在低负荷时,部分轴承故障信号会被齿轮箱内其它信号所淹没,或者受其他信号调制而不容易发现。当然,在轴承故障比较严重时,在低负荷时,就是通过速度频谱也是能够清晰地捕捉到故障信号。6.分析数据时要兼顾频谱图与时域图当齿轮箱发生故障时,有时在频谱图上各故障特征的振动幅值不会发生较大的变化,无法判断故障的严重程度或中间传动轴转速的准确值,但在时域图中可通过冲击频率来分析故障是否明显或所在传动轴转速是否正确。因此,要准确确定每一传动轴的转速或者某一故障的冲击频率,都需要将振动频谱图和时域图两者结合起来推断。特别对异常谐波的边频族的频率确定,更是离不开时域图的辅助分析。7.注重边频带频率的分析对于

19、转速低、刚性大的设备,当齿轮箱内的轴承出现磨损时,往往轴承各故障特征频率的振动幅值并不是很大,但是伴随着轴承磨损故障的发展,轴承故障特征频率的谐波会大量出现,并且在这些频率周围会出现大量的边频带。这些情况的出现,表明轴承发生了严重的故障,需要及时更换。参考文献2W08.11-22作者通联:山东亚太森博浆纸有限公司维修中心预防维修山东日照市北京路369号276826编辑王其图9输入轴加速度包络频谱图(2008-01-09旋转机械故障种类通常有转子质量不平衡、转子不对中、油膜涡动、动静件摩擦、旋转脱离、喘振等。旋转机械故障诊断是一个复杂的问题,其故障具有相似性且非线性可分。故障与征兆的关系不很明确。受安装、运行等因素的影响,具有较强的模糊性。常常是多故障同时发生、故障特征相互交织1。人工神经网络具有较强的自学习能力,能够解决非线性模式识别问题,因而