大型游乐设施传动系统在线振动检测研究与故障诊断

汪 洋　雷庆秋

（河南省特种设备安全检测研究院　郑州　450004）

大型游乐设施传动系统在线振动检测研究与故障诊断

汪 洋雷庆秋

（河南省特种设备安全检测研究院郑州450004）

针对国内大型游乐设施的故障诊断现状和存在的问题，通过对大型游乐设施关键零部件主要失效形式和故障动态信号的分析，确定了关键零部件常见故障的敏感参数及对应频段的频谱特征。研究了关键零部件的状态评价标准，通过在线振动检测技术的运用，实现设备状态和故障的智能评价和诊断，提高故障预警的技术水平，预防和避免重大事故发生。

游乐设施传动系统振动检测故障诊断

大型游乐设施已经有了100多年的历史，随着现代科技的不断创新和发展，大型游乐设施的发展呈现这样几个特点：1）更高、更快、更刺激；2）高科技广泛应用于游乐设施中；3）组合游乐设施不断推新；4）环保型、移动式游乐设施得到发展［1］。正是由于其追求高速、惊险、刺激的运动特点，在给人们带来娱乐的同时，也决定了大型游乐设施并不是“有惊无险”的机电设备，尤其是近几年事故时有发生，并引发不同数量的人员伤亡［2］。

游乐设施事故通常有三种形式：机械故障、停机和高空坠落，其中因为机械故障引起的停机直接造成高空滞留，造成了游客的恐慌。通过对事故的调查与分析，导致事故发生的直接原因在于设备运行时出现故障或者部件失效，而间接原因缺少有效的诊断技术和针对性的维护保养措施。因此面对日益复杂、结构繁杂的大型游乐设施，迫切需要更精确、更普遍、更多元化的安全评价和检测方法，而研究关注的热点都在于寻找一种有效的方法解决现场检测时不拆卸设备而快速诊断出设备可能存在故障的技术。

目前国内外对大型游乐设施大多局限于静态（如停机、解体、探查等）检查与分析［3］，或是对速度、加速度等动态信号的采集与研究，但由于机电类设备有些故障只有在动态下才表现出来或者表现得更明显的现象出发，因此采用目视检查及运行中用人耳监听有无异常响声或者定期解体检查等落后的在役设备安全检查方法，常常不能及早有效地发现事故隐患。本文根据大型游乐设施的运动特点和故障特点，将振动分析技术用于大型游乐设施的状态监测和分析，从而较好的解决了现场检测时不拆卸设备而快速诊断出设备可能存在故障这个难题。

1　关键零部件主要失效形式分析

大型游乐设施机械传动系统中的主要零部件由齿轮、滚动轴承、轴、紧固件、密封件和箱体等组成，表1中列出了主要零部件失效比重［4］。齿轮、轴和滚动轴承作为大型游乐设施机械传动系统中的关键零部件，三者失效比重达90%，而且失效时彼此间还会出现相互影响的故障，因此分析关键零部件的主要失效形式是设备故障诊断的重点。

表1　主要零部件失效比重

1.1齿轮的主要失效形式

1）齿轮制造过程的工艺不当，造成的齿轮几何尺寸的超差，如：齿间距离误差、齿轮偏心和齿形偏差等缺陷；

2）齿轮传动系组装过程的不合理，导致齿轮传动异常，如：齿侧间隙过大、中心线不平行等；

3）齿轮自身在制造、组装和使用中形成的损伤，如：塑变、点蚀、断裂等缺陷。

1.2滚动轴承的主要失效形式

滚动轴承在运行过程中形成的主要失效形式有疲劳、胶合、磨损、烧伤、腐蚀、破损、压痕等。大型游乐设施的旋转机构转速相对较高，作为承力单元的滚动轴承的好坏直接决定着设备的健康状态。齿轮和传动轴的异常也会导致滚动轴承的失效，反之也一样［5］。

1.3轴的主要失效形式

游乐设施传动机构中的轴与轴之间是通过联轴器连接，在运行时，当这种轴系出现轴不对中、轴不平衡、轴弯曲等缺陷时，使得旋转中的轴在径向承受较大交变力作用，从而产生振动。同时当安装于轴上的齿轮、轴承出现故障时，也会引起轴的失效，这些故障也将严重影响设备整体健康状态。

2　故障振动信号特征

与其他特征量相比，振动特征不仅对设备的状态反应迅速、全面真实，而且很好地反应齿轮、滚动轴承和轴系故障的性质、范围等，因此振动信号是公认的、较好的特征提取量，用途也最为广泛，同时也具有比较完善的分析方法。

2.1齿轮故障特征

齿轮故障的特征大多以振动和噪声信号中体现出来，这些信号可以通过相关传感器、放大器等测量仪器进行采集，然后对这些信号进行识别、处理与分析，从中找出关注的频域、啮合波形等信息［6］。

1）正常齿轮的振动波形的衰减呈周期性，其低频信号的啮合波形近似正弦波，在频谱图上主要表达了轴的旋转频率、齿轮啮合频率和谐波分量的情况，如图1所示，图中：fr表示齿轮的旋转频率（Hz），fg表示齿轮的啮合频率（Hz），而nfg（n=1，2，···）则表示齿轮的谐波分量（Hz），下同。

图1　齿轮正常的频谱

2）当传动齿轮发生均匀磨损，此时齿侧间隙增加，初期时不会产生明显的冲击，但随着磨损的加剧，齿侧间隙会进一步增大，振动的幅值相对也会产生较大改变，导致原有的正弦波形发生变形，如图2所示。

图2　齿轮均匀磨损的频谱

3）当齿轮出现几何偏心时，使得齿轮的附加脉冲幅值增大，形成周期性的载荷波动，进而出现调幅现象，如图3所示。

图3　齿轮几何偏心的频谱

4）当齿轮发生局部异常（如裂纹、折断和齿形误差等）时，也是以齿轮轴旋转频率为基本频率，通常的局部异常都会影响频率结构以及该频率处的振幅情况，如图4所示。

图4　齿轮局部异常的频谱

5）若齿轮存在质量不平衡，就会产生不平衡力，就会引起以调幅为主、调频为辅的不平衡振动，在相应的旋转频率及其谐波处的幅值也增加，如图5所示。

图5　齿轮质量不平衡的频谱

2.2滚动轴承故障特征

滚动轴承除本身固有振动外，还因自身存在的缺陷（如偏心、点蚀、加工波纹等）引起振动，此外设备运转时，零部件相互间产生机械冲击，导致冲击脉冲变动幅度较大的力。常见轴承故障所造成的缺陷部位、频率构成、产生原因的对应关系见表2。

表2　轴承缺陷部位、频率构成与产生原因对应关系

表2中：

n ——轴承安装轴的转速；

Z ——轴承滚动体的数量；

fr——轴承内圈旋转频率；

fi——为轴承一个滚动体（或保持架）通过内圈上一点的频率；

fb——为轴承一个滚动体上的一点通过内圈或外圈的频率；

fc——为轴承一个滚动体（或保持架）通过外圈上一点的频率。

3　设备状况评价的研究

3.1状况评价参数

为了监测设备运行状态或评价其健康状况，一般选择与振动有关的参数，作为评价指标［7，8］。

●3.1.1动态参数

1）振幅：直观地反映了振动的程度，可采用不同型式的传感器，分别对位移、速度和加速度等振动信号进行幅值采集。图6给出了不同型式振动传感器的常用测量频率范围。

图6　振动传感器的常用测量频率

2）振动烈度：对于机器振动状态，现行多选用振动烈度来反映其特征，就是振动速度的均方根值，即：

式中：

vrms——振动烈度，mm/s；

v ——振动速度，mm/s；

T ——采样长度，s 。

通过传感器测得的数据，采用式（2）的算法，即可求得振动速度的均方根，避免了采用其他数学方法计算所产生的误差。

式中：

aj——加速度的幅值单边峰值，mm/s2；

ωj——角速度，rad/s；

sj——位移的幅值单边峰值，mm；

vj——速度的幅值单边峰值，mm/s；

n——测得的加速度或速度或位移的数量；

j——对应测量的次数，1，2，3，…，n。

3）相位：这个参数适用于旋转类设备的故障特性、动态特性及转子动平衡的评价。

●3.1.2静态参数

1）轴心重合度：轴承旋转中心应当与轴颈转动中心重合，若出现重合度偏差，会造成轴承磨损等缺陷。

2）轴向定位：设备转子上的止推环对轴承在轴向应起到止推定位，当两者之间发生相对移动就会产生静摩擦，易出现事故。

3）转子与静子间差胀：旋转机构的转子与静子沿轴向相对间隙的变化量，若过大则会造成设备启动困难。

4）轴系对中：反映了轴系转子之间的连接对中情况，它与各轴承之间的相对位置有关，不对中故障是旋转机械的常见故障之一。

5）轴承温度：轴承处的温度反映了设备运行的状态。

6）轴承油压：反映了滑动轴承轴瓦处油膜的形成状况。

3.2评价标准

目前国际上大多以振动烈度的作为评价的依据，如德国VDI 2056、英国BS4675、加拿大CDA/MS/ NVSH107和国际标准化组织标准ISO 2372。根据大型游乐设施的机械传动特征，此处主要以ISO 2372作为评价标准，表3为该标准中有关振动烈度的评价表。按照不同型式的大型游乐设施的有关参数和信息（转速、电动机功率、机座安装型式等），可根据测得的数据经换算为振动烈度的大小，对相关设备的状态（A——良好；B——允许；C——较差；D——不合格）进行分级评价。

表3　振动烈度评价表

3.3评价过程

●3.3.1测点布置原则

从设备输入端往输出端按序对测点进行编号，采集数据的传感器应尽可能布置在离轴承座近的位置，如输入轴或输出轴附近。

●3.3.2固有参数分析

齿轮传动系的啮合频率与轴的转速和齿轮的齿数有关，通过对每一对齿轮间传动系的分析，计算出每根传动轴的转频，从而进一步计算出两两轴间的啮合频率。

根据轴承的型号，可以查得轴承的内圈外径、外圈内径、滚动体直径、滚动体个数和厚度等相关信息。

●3.3.3采样参数设置

采样参数主要包括采样频率和采样点数，对采样频率设置，应当根据所测点的最低转速、齿轮啮合频率、最高分析频率、最小频率分辨率来确定。

●3.3.4报警门槛值设置

设备故障关注点主要为齿轮故障和滚动轴承故障，考虑到现场采集到的一次信号为宽带信号，既包含了齿轮信息也包含了滚动轴承信号和其它信息，结合滚动轴承与齿轮故障的频率特性，宜采用分频带的方式进行报警，以提高报警的可靠性及灵敏性。

●3.3.5评价过程

评价过程中要分析各测点的振动烈度、峰值、峭度和峰值指标等值［9］，原则上若有任何一个指标超过了界限值，即可认为设备可能存在健康问题。

4　工程应用实例

对大型游乐设施“阿拉伯飞毯”，使用“PDESE型设备状态检测与安全评价系统”，进行了现场振动测试，分析振动原因，提出解决问题建议，从而验证所研究方法的有效性。

4.1测试流程

振动测试流程如图7所示。

图7　振动测试流程图

4.2测量点选择

该大型游乐设施的传动系统由电动机通过减速器拖动，采用滚动轴承支承，电动机底座为钢结构焊接而成，减速机直接坐落在地板上，其低速轴输出转速为25r/min，传动系统示意及测点布置简图见图8。

图8　传动示意图及测点布置图

4.3测试参数设置

根据机组的相关情况，考虑到减速机及滚动轴承的振动特性，结合现场的振动特点，为了能够准确全面分析该机组的振动情况，采集参数设置为：自由采集，采样长度4096，采样频率792Hz（分析频率为309Hz），选用速度传感器磁座安装，分别测1～3点水平和垂直方向的振动。

4.4测试结果

各测试点振动烈度值见表4，各测试点波形频谱图分别见图9～图11。

表4　振动烈度值

图9　测试点1的X和Y方向波形频谱图

图10 测试点2 的X 和Y 方向波形频谱图

图11 测试点3的X和Y方向波形频谱图

4.5分析与评价

根据3个测点的测试结果发现，测点1（也就是电动机）的振动最大，已经远远超过相关标准关于壳体振动烈度标准的危险值，电动机处于危险工作状态，其次是电动机底座的振动，而减速机的径向振动相对较小，而轴向振动与电动机相差不多。这说明，振源应在电动机这边。从振动方向上看，电动机的水平方向振动最大，其次是竖直方向。

从电动机输出端测点水平方向的波形频谱看，波形相对于X轴对称，频谱主要表现为1倍频；而竖直方向的波形也相对于X轴对称，但是频谱则以2倍频最明显，还有明显的3～8倍频等高次谐波分量，而1倍频则不明显；轴向则以1倍频最明显，伴有明显的2倍频以及其它高次谐波分量；测点2（减速器高速轴）水平方向波形表现出明显的不对称性，其频谱以2倍频为主，伴有明显的1倍频和3倍频及其它高次谐波分量；竖直方向波形对称，但是频谱与水平方向相似；测点3的情况与测点2情况类似。

综合以上振动特征，结合该大型游乐设施以往工作情况，评价如下：

1）电动机基础刚度具有明显的不足，特别是水平方向的刚度更弱，而在垂直方向的单向支承刚度的不足，导致电动机与底座出现松动产生振动；

2）根据现场信号表现出的超低频振动现象，经分析可能是减速器大齿轮的旋转频率，齿轮可能发生轻微磨损；

3）由于该设施长期带病工作，轴承滚动体严重磨损。

4.6处理建议

根据以上评价情况，建议重点检查以下项目：

1）检查电动机底座的刚度，可以通过增加支承的方式来加强底座的刚度；

2）检查减速器内部齿轮磨损情况，看是否存在点蚀或断齿；

3）检查滚动轴承进行磨损情况，必要时进行更换。

5　结束语

大型游乐设施日益向大型化、高速化、连续化和自动化等方向发展，对其实施现代化管理提出了更高的要求。当大型游乐设施运行异常或出故障时，通过在线振动检测手段，运用振动检测设备的分析诊断功能，能及时判明故障原因，提供治理和检修措施，防止了设备事故的发生，避免了不必要的设备检修，提高设备利用率，提升企业经济效益，这将为大型游乐设施的科学管理，指导安全运行提供了有价值的信息，为制定科学检修决策提供了依据，从而为提高我国大型游乐设施的安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行提供有力的技术保障。

［1］陈刚，宋继红，陶雪荣.21世纪特种设备安全科技发展战略［M］.北京：国防工业出版社，2007.

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［9］卢文祥，杜润生.工程测试与信息处理［M］.武汉：华中科技大学出版社，1999.

On-line Vibration Detection Research and Fault Diagnosis of Large Amusement Ride Drive System

Wang YangLei Qingqiu
（Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and TestingZhengzhou450004）

For the fault diagnosis present situation and the existing problems of domestic large amusement ride， based on the fault dynamic signal analysis and main failure forms of key components in large amusement ride，the sensitive parameters and corresponding frequency spectrum characteristics of common failures for key components is determined. This paper researches on state evaluation standard of key components， realizes intelligent evaluation and diagnosis of equipment state and fault through the use of on-line vibration testing technology， improves the technological level of fault early warning， preventes and avoides major accidents.

Amusement rideDrive systemVibration detectionFault diagnosis

X924.2

B

1673-257X（2016）08-0022-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.006

汪洋（1960～），男，本科，院长，高级工程师，从事机电类特种设备检验与机构管理工作。

2016-05-04）