減速機軸承故障振動診斷案例分析

目前減速機軸承的故障診斷技術(shù)手段較多，其中以振動診斷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，效果較為顯著。通過跟蹤檢測起重機主起升機構(gòu)減速器的異常振動信息，運用時域分析、頻域分析、包絡(luò)解調(diào)分析，并與同類設(shè)備相同工況對比分析，以及軸承運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)闡述了振動異常的發(fā)現(xiàn)、振動異常分析、劣化趨勢跟蹤，以及故障部位確認(rèn)和處理的過程。

起重機用于物料的搬運作業(yè)，減速機是起重機日常點檢維護(hù)的重要部位。隨著社會工業(yè)化水平的不斷提升及無人駕駛起重機越來越廣泛的應(yīng)用，對起重設(shè)備的運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現(xiàn)起重設(shè)備的高效率運行，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價值，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，機械振動檢測技術(shù)成功應(yīng)用于重要機械設(shè)備的監(jiān)測、故障預(yù)報和識別等方面，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，目前設(shè)備振動在線監(jiān)測平臺已普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，極大地提高了機械設(shè)備的運行效率和可靠性。

一、設(shè)備概況

某廠140t鑄造起重機主起升機構(gòu)采用2臺繞線式異步電動機分別驅(qū)動2臺減速機，電動機控制方式為定子調(diào)壓調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速589r/min。2臺減速機在低速軸通過鼓形齒聯(lián)軸器傳動軸同步，減速機內(nèi)部設(shè)置有棘輪棘爪裝置。傳動簡圖如圖1。

圖1  傳動簡圖

二、振動診斷

2.1 常用術(shù)語說明

加速度時域波形：機械振動的時間函數(shù)，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為振動加速度振幅，用以描述振動的運動規(guī)律。

加速度頻譜：將時域波形進(jìn)行傅里葉變換，把信號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)為時間，縱坐標(biāo)為加速度振幅，用來描述振動特征。

頻譜包絡(luò)解調(diào)：在調(diào)頻信號中，一個高頻信號的幅度是按調(diào)制信號變化的。如果把高頻調(diào)幅信號的峰點連接起來，就可以得到一個與低頻調(diào)制信號相對應(yīng)的曲線，這條曲線就是包絡(luò)線。

峭度：無量綱參數(shù)，反映隨機變量分布特性的數(shù)值統(tǒng)計量，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)，對沖擊信號特別敏感，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 振動異常的發(fā)現(xiàn)

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

圖2  右側(cè)減速機驅(qū)動側(cè)水平方向振動加速度時域波形

2.3振動異常原因分析

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

再觀察右側(cè)減速機振動異常的加速度頻譜，如圖5，與左側(cè)對比發(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)減速機驅(qū)動側(cè)水平方向振動加速度時域波形

圖4  左側(cè)減速機驅(qū)動側(cè)水平方向振動加速度頻譜

圖5  右側(cè)減速機驅(qū)動側(cè)水平方向振動加速度頻譜

經(jīng)過收集減速機的輸入額定轉(zhuǎn)數(shù)、各軸軸承型號及各級齒輪齒數(shù)等信息，公式計算出減速機各部件的故障頻率見表1，比對發(fā)現(xiàn)故障特征頻率31.250Hz與減速機1軸軸承的滾動體故障頻率32.593Hz極為接近。因為振動檢測過程中，設(shè)備的輸入轉(zhuǎn)數(shù)與額定值會存在一定的誤差，同時振動信號也會受到各種信號的調(diào)制，以及計算誤差等都會導(dǎo)致計算值與實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是檢測到的調(diào)心輥子軸承(型號22222CA/W33)的滾動體故障頻率。

圖6  右側(cè)減速機驅(qū)動側(cè)水平方向振動加速度包絡(luò)解調(diào)譜

表1  140t主起升機構(gòu)減速機振動診斷參數(shù)表

2022年2月定修，打開減速機端蓋檢查軸承，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，輕載、重載波形及頻譜比對，以及采用軸承聽音等段，仍然懷疑1軸軸承滾動體存在輕微的疲勞脫落。同時監(jiān)測1軸兩側(cè)的振動加度，相比于自由側(cè)，驅(qū)動側(cè)的加速度有效值稍大，故判斷驅(qū)動側(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)運行措施，每3天實施1次振動監(jiān)測，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。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)運行。

三、故障確認(rèn)

5月設(shè)備年修期間，對疑似存在缺陷的右側(cè)減速機解體檢查，打開減速機上蓋，吊出減速機1軸，仔細(xì)檢查軸承后確認(rèn)1軸驅(qū)動側(cè)軸承(型號：22222CA/W33)的3個滾動體發(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  滾動體疲勞剝落

四、滾動體剝落故障原因分析

該軸承使用時間約4年，滾動體數(shù)量為18個，其中有3個滾動體出現(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體接觸帶周長的1/5、1/10、1/20，觀察滾動體表面剝落的部位均位于與內(nèi)外圈接觸區(qū)域。該型號軸承的滾動體和內(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(機械振動.機械振動的測量和評估)和NSK產(chǎn)業(yè)機械用軸承綜合樣本(CAT.NO.CH1103b)分析故障原因為: 受到軸承質(zhì)量、載荷、潤滑的影響，滾動接觸表面在循環(huán)載荷作用下，隨著時間的推移導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生微裂紋。微裂紋在滾動體表面下的夾雜物處萌生，隨后擴展至表面，發(fā)生剝落，導(dǎo)致軸承過早的損壞。

五、結(jié)語

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

【作者】

馬廣程　歐冶工業(yè)品股份有限公司

姜永富　寶山鋼鐵股份有限公司　上海寶鋼國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易有限公司

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來源：《寶鋼技術(shù)》

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