淺議減速機的故障診斷

文/孫守明，丁集礦綜機工區(qū)

1 減速機的結構

圖1所示為一單級直齒圓柱齒輪減速機結構圖,主要由齒輪、軸及軸承組合、箱體和減速機附件等組成。箱體是減速機的重要組成部分,是傳動零件的基座。箱體通常用灰鑄鐵制造,對于重載或有沖擊載荷的減速機可以采用鑄鋼箱體。單件生產(chǎn)的減速機,可采用鋼板焊接的箱體。為了便于安裝和拆卸,箱體制成沿軸心線水平剖分式結構。上箱蓋和下箱體用螺栓聯(lián)接成一體。箱座與地基用地腳螺栓聯(lián)接。箱蓋上的視孔是為檢查嚙合情況及向箱內(nèi)注入潤滑油而設置的,箱蓋頂部還裝有通氣器,它能及時排出箱內(nèi)廢氣。為了檢查箱內(nèi)油面的高低,在箱座側面裝有測油尺,箱座底部設有放油螺塞,用以放出箱內(nèi)的油。

箱蓋上的吊鉤是為了吊裝箱蓋用的,而整個減速機的吊運,則用箱座上鑄出的吊耳。為了便于打開箱蓋,有些減速機上常設有起蓋螺釘。為了保證在拆裝箱蓋時,保證箱蓋與箱座的定位精確,而設置了兩個定位銷。

2 減速機的故障特征分析

2.1 軸不平衡

不平衡是旋轉機械最常見的故障。引起轉子不平衡的原因有結構設計不合理，制造和安裝誤差，材質不均勻，運行中轉子的腐蝕、磨損、結垢、零部件的松動和脫落等。軸系不平衡的主要故障特征：

1）軸頻或基頻出現(xiàn)峰值，其他倍頻振幅較?。?/p>

2）徑向振動大；

3）軸心軌跡成為橢圓形；

4）振動強烈程度對工作轉速的變化很敏感。

2.2 軸不對中

軸不對中通常是指相鄰兩轉子的軸心線與軸承中心線的傾斜或偏移程度。軸不對中可分為聯(lián)軸器不對中和軸承不對中，聯(lián)軸器不對中又可分為平行不對中、偏角不對中和平行偏角不對中三種情況。軸不對中的主要故障特征：

1）平行不對中徑向出現(xiàn)軸的一倍頻、二倍頻峰值，尤以二倍頻顯著。

2）偏角不對中軸向振動大，在基頻、二倍頻甚至三倍頻處有穩(wěn)定的高峰。

3）平行偏角不對中軸向和徑向均發(fā)生振動。

2.3 滾動軸承故障

滾動軸承的主要故障形式有：

1）疲勞剝落。滾動軸承工作時，滾道和滾動體表面既承受載荷又相對滾動，由于交變載荷的作用，首先在表面下一定深度處最大剪應力處形成裂紋，繼而擴展到接觸表面層生剝落坑，最后發(fā)展到大片剝落，這種現(xiàn)象就稱為疲勞剝落。

2）磨損。由于滾道和滾動體的相對運動包括滾動和滑動和塵埃異物的侵入等都會引起表面磨損，而當潤滑不良時更會加劇表面磨損。磨損的結果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低運轉精度。

3）塑性變形。在工作負荷過重的情況下，軸承受到過大的沖擊載荷和靜載荷，或者因為熱變形引起的額外的載荷，或者當有高硬度的異物侵入時，都會在滾道表面上形成凹痕或劃痕。

4）斷裂。當載荷超過軸承滾道或滾動體的強度極限時會引起軸承零件的斷裂。此外，由于磨削加工、熱處理或裝配時引起的殘余應力、工作時的熱應力過大等也都有可能造成軸承零件的斷裂。

2.4 齒輪故障

由于齒輪制造，操作，維護以及齒輪材料、熱處理、運行狀態(tài)等因素的不同，產(chǎn)生異常的形式也不同，常見的齒輪異常有以下幾種形式。

1）齒面磨損。潤滑油不足或油質不清潔，將造成齒面劇烈的磨粒磨損。

2）齒面膠合和擦傷。重載和高速的齒輪傳動，使齒面工作區(qū)溫度很高。新齒輪未經(jīng)跑合時，常在某一局部產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒輪擦傷。

3）齒面接觸疲勞。齒輪在嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節(jié)點兩側的方向相反，從而產(chǎn)生脈動載荷。

4）彎曲疲勞與斷齒。輪齒承受載荷，如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環(huán)的彎曲應力作用。

3 主要故障診斷方法分析

一般而言，對隨機信號可從時域和頻域這兩個角度來進行分析。如果對所測得的時間歷程信號直接實行各種運算且運算結果仍然屬于時域范疇，則這樣的分析運算即為時域分析，如統(tǒng)計特性參量分析、相關分析等；反之，如果首先將所測時域信號經(jīng)過傅立葉變換為頻域信號，然后再對其施行各種運算的分析方法稱為頻域分析。

3.1 時域分析

常用工程信號都是時間波形的形式。時間波形有直觀、易于理解等特點，由于是最原始的信號，所以包含的信息量大。缺點是不太容易看出所包含信息與故障的聯(lián)系。對于某些故障信號，其波形具有明顯的特征，這時可以利用時間波形做出初步判斷。時域分析方法包括自相關函數(shù)、互相關函數(shù)、概率密度，時域平均等。

3.1.1 自相關函數(shù)

信號或數(shù)據(jù)X（t）的自相關函數(shù)Rx（τ）用以描述一個時刻的取值與另一個時刻的取值之間的依賴關系。不同信號具有不同的相關函數(shù)，是利用自相關函數(shù)進行故障診斷依據(jù)。正常運動的機器，其平穩(wěn)狀態(tài)下的振動信號的自相關函數(shù)往往與寬帶隨機噪聲的自相關函數(shù)相近，而當有故障，特別是周期性沖擊故障時，自相關函數(shù)就會出現(xiàn)較大的峰值。

3.1.2 互相關函數(shù)

互相關函數(shù)是表示兩組數(shù)據(jù)之間的依賴關系的相關統(tǒng)計量，互相關函數(shù)在時間位移等于信號通道系統(tǒng)所需時間值時，將出現(xiàn)峰值。互相關分析不但可以利用互相延時和能量信息對傳輸通道進行識別，還可以檢測外界噪聲中的信號。

3.2 頻域分析

3.2.1 自功率譜分析

自功率譜密度函數(shù)是在頻域中對信號能量或功率分布情況的描述，它可由自相關函數(shù)的傅立葉變換求得，也可以直接用FFT求得。

自功率譜分析能夠將實測的復雜工程信號分解成簡單的諧波分量來研究，描述了信號的頻率結構，因此對機器設備的動態(tài)信號作功率譜相當于給機器“透視”，從而了解機器設備各個部分的工作狀況。功率譜分析在解決工程實際問題中獲得了廣泛的應用。

3.2.2 倒頻譜分析

由于一般減速機中都有很多齒輪和轉軸，因而有很多不同的轉軸速度和齒輪嚙合頻率。每一個軸速度都有可能在每一個嚙合頻率周圍調(diào)制出一個邊帶信號。因此，在減速機振動的功率譜中，就可能有很多調(diào)制頻率不同的邊帶信號，即功率譜圖中包含很多大小和周期都不同的成分，在功率譜圖上都混在一起，很難分離，即很難直觀看出其特點。如果對具有連帶信號的功率譜本身再做一次譜分析，則能把連帶信號分離出來，因為功率中的周期分量在第二次譜分析的譜圖中是離散譜線，其高度就反映原功率譜中周期分量的大小。這就是倒譜分析法。