減速機(jī)軸承故障振動(dòng)診斷案例分析

目前減速機(jī)軸承的故障診斷技術(shù)手段較多，其中以振動(dòng)診斷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，效果較為顯著。通過跟蹤檢測(cè)起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)減速器的異常振動(dòng)信息，運(yùn)用時(shí)域分析、頻域分析、包絡(luò)解調(diào)分析，并與同類設(shè)備相同工況對(duì)比分析，以及軸承運(yùn)行過程中使用聽音棒檢查等技術(shù)手段，逐步確認(rèn)故障。詳細(xì)闡述了振動(dòng)異常的發(fā)現(xiàn)、振動(dòng)異常分析、劣化趨勢(shì)跟蹤，以及故障部位確認(rèn)和處理的過程。

起重機(jī)用于物料的搬運(yùn)作業(yè)，減速機(jī)是起重機(jī)日常點(diǎn)檢維護(hù)的重要部位。隨著社會(huì)工業(yè)化水平的不斷提升及無人駕駛起重機(jī)越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)起重設(shè)備的運(yùn)行效率要求越來越高。起重設(shè)備的維修策略也經(jīng)歷了從事后維修到預(yù)防維修再到預(yù)知維修的轉(zhuǎn)變，其目的是最大限度地實(shí)現(xiàn)起重設(shè)備的高效率運(yùn)行，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以及更早地發(fā)現(xiàn)故障隱患，最大限度地降低故障損失。近年來，機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于重要機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)、故障預(yù)報(bào)和識(shí)別等方面，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，目前設(shè)備振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)已普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，極大地提高了機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。

一、設(shè)備概況

某廠140t鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)采用2臺(tái)繞線式異步電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)減速機(jī)，電動(dòng)機(jī)控制方式為定子調(diào)壓調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速589r/min。2臺(tái)減速機(jī)在低速軸通過鼓形齒聯(lián)軸器傳動(dòng)軸同步，減速機(jī)內(nèi)部設(shè)置有棘輪棘爪裝置。傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1  傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

二、振動(dòng)診斷

2.1 常用術(shù)語說明

加速度時(shí)域波形：機(jī)械振動(dòng)的時(shí)間函數(shù)，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為振動(dòng)加速度振幅，用以描述振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

加速度頻譜：將時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換，把信號(hào)分解為許多諧波分量，用其振幅和相位來表征各次諧波，并按其頻率的高低排列呈譜狀。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度振幅，用來描述振動(dòng)特征。

頻譜包絡(luò)解調(diào)：在調(diào)頻信號(hào)中，一個(gè)高頻信號(hào)的幅度是按調(diào)制信號(hào)變化的。如果把高頻調(diào)幅信號(hào)的峰點(diǎn)連接起來，就可以得到一個(gè)與低頻調(diào)制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的曲線，這條曲線就是包絡(luò)線。

峭度：無量綱參數(shù)，反映隨機(jī)變量分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，正常情況不超過3.5。由于它與軸承轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等無關(guān)，對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感，特別適用于表面損傷故障、尤其是早期故障的診斷。峭度值越大，說明軸承故障越嚴(yán)重。

2.2 振動(dòng)異常的發(fā)現(xiàn)

2022年1月檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1臺(tái)140t起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)右側(cè)減速機(jī)振動(dòng)異常，周期沖擊明顯， 如圖2，但體感振動(dòng)沒有明顯變化。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)其時(shí)域波形水平方向測(cè)點(diǎn)的沖擊波形比垂直和軸向更為明顯，即故障引起的振動(dòng)在水平方向更加敏感。查看時(shí)域指標(biāo)加速度峭度值8.56，超過正常值。

圖2  右側(cè)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)水平方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形

2.3振動(dòng)異常原因分析

在頻域進(jìn)行分析，左側(cè)減速機(jī)振動(dòng)正常，觀察其時(shí)域波形如圖3，無明顯的沖擊，頻譜如圖4存在一級(jí)嚙合頻率209 Hz及4次諧波的尖峰，說明一級(jí)齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)是主要振源，屬正常圖譜。

再觀察右側(cè)減速機(jī)振動(dòng)異常的加速度頻譜，如圖5，與左側(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)中心頻率2400Hz，帶通寬度500Hz位置異常突出，懷疑為故障激起了某一部件的固有頻率。

對(duì)該頻率段進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)見圖6，發(fā)現(xiàn)存在頻率為31.250 Hz的基波尖峰及諧波，說明故障頻率為31.50Hz。

圖3  左側(cè)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)水平方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形

圖4  左側(cè)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)水平方向振動(dòng)加速度頻譜

圖5  右側(cè)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)水平方向振動(dòng)加速度頻譜

經(jīng)過收集減速機(jī)的輸入額定轉(zhuǎn)數(shù)、各軸軸承型號(hào)及各級(jí)齒輪齒數(shù)等信息，公式計(jì)算出減速機(jī)各部件的故障頻率見表1，比對(duì)發(fā)現(xiàn)故障特征頻率31.250Hz與減速機(jī)1軸軸承的滾動(dòng)體故障頻率32.593Hz極為接近。因?yàn)檎駝?dòng)檢測(cè)過程中，設(shè)備的輸入轉(zhuǎn)數(shù)與額定值會(huì)存在一定的誤差，同時(shí)振動(dòng)信號(hào)也會(huì)受到各種信號(hào)的調(diào)制，以及計(jì)算誤差等都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)際值存在較小的差異，且其他部件的故障特征頻率都與該頻率存在較大的差異，所以認(rèn)為31.250Hz是檢測(cè)到的調(diào)心輥?zhàn)虞S承(型號(hào)22222CA/W33)的滾動(dòng)體故障頻率。

圖6  右側(cè)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)水平方向振動(dòng)加速度包絡(luò)解調(diào)譜

表1  140t主起升機(jī)構(gòu)減速機(jī)振動(dòng)診斷參數(shù)表

2022年2月定修，打開減速機(jī)端蓋檢查軸承，由于空間狹小不能直接觀察到軸承情況，但發(fā)現(xiàn)油液污染嚴(yán)重，軸承較臟，如圖7。在更換了潤滑油后振動(dòng)加速度幅值和加速度峭度有所下降。經(jīng)過后續(xù)的跟蹤檢測(cè)，輕載、重載波形及頻譜比對(duì)，以及采用軸承聽音等段，仍然懷疑1軸軸承滾動(dòng)體存在輕微的疲勞脫落。同時(shí)監(jiān)測(cè)1軸兩側(cè)的振動(dòng)加度，相比于自由側(cè)，驅(qū)動(dòng)側(cè)的加速度有效值稍大，故判斷驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承故障可能性更大。

圖7  開窺視孔及軸承端蓋檢查情況

在故障沒有確認(rèn)和解決的情況下，采取監(jiān)護(hù)運(yùn)行措施，每3天實(shí)施1次振動(dòng)監(jiān)測(cè)，整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)相同工況下加速度和速度有效值在允許值內(nèi)且變化不大，加速度峭度指標(biāo)上下浮動(dòng)與載荷大小正相關(guān)，且變化較大。包絡(luò)譜中31.250Hz幅值呈現(xiàn)緩慢爬升趨勢(shì)。參考前1次開端蓋檢查情況綜合判斷，軸承缺陷可繼續(xù)監(jiān)護(hù)運(yùn)行。

三、故障確認(rèn)

5月設(shè)備年修期間，對(duì)疑似存在缺陷的右側(cè)減速機(jī)解體檢查，打開減速機(jī)上蓋，吊出減速機(jī)1軸，仔細(xì)檢查軸承后確認(rèn)1軸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承(型號(hào)：22222CA/W33)的3個(gè)滾動(dòng)體發(fā)生疲勞脫落，如圖8，內(nèi)外圈滾道及保持架無可見損傷。因準(zhǔn)備充分，當(dāng)天更換了高速軸軸承，故障排除。

圖8  滾動(dòng)體疲勞剝落

四、滾動(dòng)體剝落故障原因分析

該軸承使用時(shí)間約4年，滾動(dòng)體數(shù)量為18個(gè)，其中有3個(gè)滾動(dòng)體出現(xiàn)表面剝落，分布在軸承的0°、90°、230°位置，剝落長度分別占到滾動(dòng)體接觸帶周長的1/5、1/10、1/20，觀察滾動(dòng)體表面剝落的部位均位于與內(nèi)外圈接觸區(qū)域。該型號(hào)軸承的滾動(dòng)體和內(nèi)外圈材質(zhì)及硬度基本相同，若因固體污染物過度碾壓引起金屬與金屬的接觸，從而造成表面微凸體相互剪切，出現(xiàn)微裂紋和微剝落，內(nèi)外圈應(yīng)有損傷，故排除這種可能。參照ISO 20816:2016(機(jī)械振動(dòng).機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)估)和NSK產(chǎn)業(yè)機(jī)械用軸承綜合樣本(CAT.NO.CH1103b)分析故障原因?yàn)? 受到軸承質(zhì)量、載荷、潤滑的影響，滾動(dòng)接觸表面在循環(huán)載荷作用下，隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生微裂紋。微裂紋在滾動(dòng)體表面下的夾雜物處萌生，隨后擴(kuò)展至表面，發(fā)生剝落，導(dǎo)致軸承過早的損壞。

五、結(jié)語

診斷案例證明了運(yùn)用振動(dòng)診斷技術(shù)實(shí)施周期性的振動(dòng)監(jiān)測(cè)， 是起重機(jī)關(guān)鍵減速機(jī)健康監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)手段，其特點(diǎn)是具有在早期檢測(cè)出軸承異常的能力，可以確定具體損傷部位并對(duì)損傷的程度作出量化分析。由于優(yōu)點(diǎn)突出，振動(dòng)診斷法在軸承故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)在減速機(jī)的日常維護(hù)中，需定期檢測(cè)潤滑油，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行更換，良好的潤滑能有效地延長減速機(jī)軸承的使用壽命。

【作者】

馬廣程　歐冶工業(yè)品股份有限公司

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來源：《寶鋼技術(shù)》

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