减速机故障诊断实例分析

张升华 王奉涛 徐 勇 张 涛 陈旭涛 王 贝

（1.大连理工大学机械工程学院振动工程研究所 辽宁大连 2.大连西太平洋石油化工有限公司 辽宁大连）

对减速机采取预防性维修，即周期性开箱检测，不但费时费力，而且会导致整个生产线停产。主动维修是在不对减速机解体的情况下进行精确性维修，这依赖于准确的振动信号采集和正确的信号处理方法。

减速机主要由轴承、齿轮、轴及箱体组成，其中轴承和齿轮为易发故障部件。对石化厂1台减速机进行振动信号的诊断分析，并应用LabVIEW开发针对轴承和齿轮的诊断分析系统，取得较好效果。

一、减速机常见故障

1.轴承常见故障

轴承由4部分构成，内环、外环、滚动体与保持架。轴承故障一般是这4种部件中的某个部件损坏所致。常见故障形式包括疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、断裂、胶合以及保持架损坏。齿轮常见故障形式，轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合及齿面磨损。

2.减速机诊断方法

（1）幅值域分析。首先对采集得到的振动信号进行幅值域分析，包括RMS、峭度、峰值、峰峰值等。其中RMS和峭度值应用较多，ISO 10816给出用振动信号的RMS评价设备运行状态的标准。Antoni J指出当振动信号峭度值＞3时，说明机组中有冲击信号存在。当被诊断机组机壳较大时，采集得到的振动信号是经过衰减的，仅用振动烈度指标对机组运行状态做评价是不完善的，频谱分析是故障诊断的必备技术。

（2）频谱分析。频谱分析是减速机故障诊断最常用的方法之一。轴承发生某种故障时，频谱图中会出现相应的故障特征频率。齿轮发生故障时，频谱图中会出现相应的图谱。齿面点蚀、断齿、不均匀磨损时，频谱图中啮合频率附近伴有轴频的边频带，应用解调技术可解调出轴频。齿轮均匀磨损时，频谱图中无明显冲击、调制现象，啮合频率及其倍频的幅值增大。

二、实例分析

减速机是石化厂的关键设备，对其进行长期状态监测。采用DH5901动态信号分析仪，速度传感器及加速度传感器采集减速机振动信号，采样频率fs=2560 Hz，每通道采样点数4096。应用振动速度信号表征减速机振动大小，应用振动加速度信号进行频谱分析。

（1）测点布置。为了采集到准确的振动信号，首先要做到正确的测点布置，将传感器放置到轴承座上采集信号，减速机振动测点布置如图1所示。

图1 减速机振动测点布置

减速机测点布置示意图如图 2 所示，1、2、3、4、5、6、7、8 为对应测点，此减速机为3级减速，共4根轴，最左侧为输入轴，最右侧为输出轴。

图2 减速机测点布置示意图

（2）减速机结构参数。在进行诊断分析前，要明确分析对象的结构及工况。此减速机中共有6个齿轮，按照从输入到输出的啮合顺序，各齿轮齿数如表1所示。按照上图2所示测点，相应测点号对应的轴承型号如表2所示。

减速机中各轴轴频。已知，减速机减速比16.26，输出轴转速n4=35 r/min，轴频=转速/60。根据齿轮齿数计算出各轴间的传动比，计算各轴转速及轴频，设输入轴至输出轴转速依次为n1，n2，n3，n4，轴频依次为 f1，f2，f3，f4，各轴转速及轴频如表 3 所示。

表1 齿轮齿数

表2 轴承型号

表3 各轴转速及轴频

减速机中齿轮啮合频率。已知，齿轮啮合频率=轴频×齿数，减速机中共3对齿轮啮合，啮合频率分别为f12，f23，f34，计算得f12=253.1 Hz，f23=57.5 Hz，f34=19.72 Hz。

减速机中轴承故障特征频率。查询资料，计算减速机中各轴承故障特征频率，各故障特征频率如表4所示。

表4 轴承故障特征频率 Hz

三、诊断结果

1.测试数据汇总

表5为测试数据表，由于篇幅限制在此仅展示部分测试结果数据。

表5 测试数据表

2.分析过程

在发现减速机断齿故障前，已对此减速机进行了较长时期的状态监测，根据历史数据做出振动趋势图，如图3所示。

直至2014.12.16发现减速机振动显著增大，并在采集信号的时域图中出现了较大的冲击成分，判定减速机有某种故障存在。首先对各测点数据进行频谱分析，比对轴承的故障特征频率，在各频谱图中未发现轴承的故障特征频率，排除轴承故障的存在。其次判断齿轮是否有故障存在。

图3 减速机振动趋势图

分析2号测点VG202-V振动加速度信号（图4），振动时域波形中存在较大冲击（图5），振动频谱图形中啮合频率256.3 Hz处出现以第一根轴轴频9.3 Hz的调制现象（图6），信号Hilbert包络谱中解调出9.375 Hz的轴频及其倍频，很明确地判定出第1根轴上齿轮断齿。打开减速机机箱进行拆解，发现第1根轴上齿轮有断齿，验证了诊断的正确性。

图4 振动时域波形

图5 振动频谱图形

图6 信号Hilbert包络谱

图7 转速-振动图

在诊断出减速机断齿后，对该减速机进行了跟踪测试分析。跟踪测试中发现，当减速机输出轴转速超过50 r/min时，减速机振动显著增大，而在＜50 r/min时，振动在可控范围内，图7为不同转速下对应的振动值。提出将减速机输出轴转速定在50 r/min之内，厂方采取了此建议，将其定在35 r/min左右。

四、结论

综合应用状态监测和故障诊断知识能及时发现减速机故障存在，精确定位故障源，给出设备合理运行工况，留给厂方足够的购买备件的时间，避免设备发生重大停机事故。