频谱分析在齿轮故障诊断中的应用
一、齿轮箱故障诊断技术齿轮减速箱在运行中与其状态有关的特征有振动、温度 、噪声 、润滑油中的磨粒等。齿轮故障比较复杂，齿轮装置振动的特征提取量具有测试方便、反应迅速、信息量全面、方法较成熟的特点。目前，齿轮的故障诊断主要是通过对运行中的动态信号的分析处理来实现的，一般有时域 、频域和幅值域三种。频域分析是对信号进行FFT变换，得到频谱图，频谱突出了信号在各频率下的强弱变化，可以根据频谱特征来判别设备的状态和进行故障分析。频域分析方法的多样性和诸多优点，使其成为故障诊断中应用最多的方法。在实际工作中，通常会先利用常规的时域分析做出初步故障判断，再利用频谱方法得出齿轮故障精密诊断结果 。
二、减速机结构简图及测点布置
齿轮工作过程中的常见故障有减速机轴承振动噪声及发热 、齿轮啮合不良及振动。现场监测过程中，发现减速机的传动轴及齿轮啮合部噪声大，振动增大。为确保齿轮减速箱的正常运行，随时掌握其运行情况，应在减速箱的两级齿轮啮合处及轴承位置设置水平、垂直两个测点。通过安装在齿轮箱上的加速度传感器测得振动信号，并对振动信号进行频谱分析，可有效评价齿轮箱齿轮和轴承的质量，并对异常振动源进行诊断。
图1 齿轮箱的示意图
设备的相关技术参数包括：
1、电机的额定转速为1500r/min ，G1，G2，G3，G4 分别表示两级减速齿轮箱的四个齿轮。齿轮齿数分别为Z1=8，Z2=96 ，Z3=8，Z4=100。
2、测试设备为YVD一5904手持式动态信号分析仪和ICP加速度传感器。动态信号分析仪的采样频率为1.28kHz，分析频率为500Hz，频域线数为400线。
3、测试位置和传感器安装位置。根据减速箱外壳为铝合金，在线监测时应采用刚性高的蜡固定传感器，其特点是频率特性好，但不耐高温。选择将传感器安装在减速机的两级齿轮啮合处及轴承位置设置水平、垂直两个测点。
三、减速机齿轮故障机理分析与实例
在电机空载的情况下测试了电机的工频。测试数据显示共振峰值频率在25Hz，幅值为0.02mm/s。由此计算出电机的工作转速为1500r/min，并可计算出各级啮合频率 ：
· 主轴1的转频率fr1=750r/min (12.5Hz);
· 中间轴2的转频r2=Z1fr1/Z2=62.5r/min (1.04Hz)；
· 输出轴3的转频r3=Z3fr2/Z4=5r/min (0.083Hz)；
· Z1与Z2的啮合频率fe1=fr1Z1=fr2Z2=100Hz；
· Z3与Z4的啮合频率fe2=fr3Z3=fr4Z4=8.3Hz。
根据主轴和各级齿轮传动啮合频率所在的范围，设定以下几个频率为监测时需要重点关注的频率和幅值：主轴1、2 、3的转频，Z1与Z2的啮合频率以及倍频，Z3与Z4的啮合频率以及倍频。
图2 测点1减速箱振动分析的时域波形图和振动频谱图
图3 测点1减速箱振动分析的频域峰值图谱
从频谱分析图中，显示边频啮合频率的边频不是很多，主要峰值以主轴1的转频 (12.5Hz) 、电机的工作频率(25Hz)和Z1与Z2的啮合频率及其倍频为主(100Hz、200Hz、300Hz、402Hz、492.5Hz)。其中，以Z1与Z2的齿轮啮合频率的倍频峰值最高，说明Z1与Z2的齿轮啮合是主要的振动源。据此，判断G1与G2齿轮啮合存在局部缺陷。另外，频谱图中存在次较高峰值的是主轴1的转频，且其振动速度值高于一倍频，很可能存在由于转轴不对中或不平行引起的齿轮啮合不良。
图4 测点2的减速箱振动分析的时域波形图和振动频谱图
从频谱分析图中没有发现明显的高频故障成分，说明G3与G4齿轮啮合良好。
四、现场验证
停机后检查设备，发现减速机G1与G2齿轮啮合表面有剥落现象，与上述诊断结果吻合。由于处理及时，避免了一起重大设备事故，说明应用状态监测技术，可以快速、高效地检测出设备的故障，提高设备的运转安全性，有效降低企业因设备故障带来的经济损失。
参考文献：
张碧波 ，丛文龙.设备状态监测与故障诊断.北京：化学工业出版社，2004.
万年红.空压机组的状态跟踪与故障诊断.宝钢技术 ，2002(5).
易良榘.简易振动诊断现场实用技术.北京：机械工业出版社，2003.
来源：传动在线公众号(ID：chuandong-online)，作者：邓吟 郑翔 王华。
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