董宏，王碧琴
摘要：本文从齿轮啮合的力学模型入手，简述了齿轮故障诊断原理，并利用频谱分析的方法对轧机齿轮箱的异常振动进行故障诊断，找到了齿轮箱异常振动的原因，与实际情况基本一致。
关键词：齿轮箱；异常振动；频谱分析；故障诊断
精轧机是线材厂生产线上的关键设备之一，而传动系统中的齿轮箱的状态则关系到整个生产线能否正常工作。
一、齿轮故障诊断原理
齿轮啮合刚度是周期性变量，随参与啮合的齿轮变化而变化。因此，按照傅里叶变换的原理，可将齿轮的振动信号分解为若干个谐波分量之和。
无论齿轮传动处于正常或异常，由啮合刚度的周期变化形成的振动信号总是存在的。只是振动水平有一定差异。
当齿轮存在较大的制造与安装误差，以及产生剥落、裂纹等故障时，其啮合刚度降低，从而产生强烈振动。此时测得的振动信号畸变加剧，在频谱图上，啮合频率处的谱值显著增大，二阶、三阶啮合频率处的谱值则增加得更多。同时，这些故障会直接成为振动的激励源，使齿轮振动信号中含有轴的旋转频率及其倍频，而故障齿轮的振动信号往往表现为旋转频率对啮合频率及其倍频的调制，调制频率即为齿轮轴的旋转频率fr=n/60。在谱图上形成以啮合频率为中心、两个等间隔分布的边频带。由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群，边频带反映故障源信息，边频带的间隔反映了故障源的频率，幅值的变化表示了故障的程度。
由此可见，在已知齿轮齿数及转速的情况下，测取齿轮的振动信号，并做频谱分析，判断啮合频率及高次谐波频率处的谱幅是否异常，边频谱幅是否异常，即可诊断齿轮有无故障。
二、诊断实例
1．精轧机传动系统结构
(1)主要技术参数
轴承类型：滚动轴承，型号：7224DB（成对）；
齿轮类型：斜齿轮、圆锥齿轮；
电机转速：1150/1250r/min;
联轴器类型：齿式联轴器。
(2)主要频率
出现异常振动时，齿轮箱电机转速为1150r/min
转轴的旋转频率：fr1=19Hz，fr2=45Hz，fr3=65Hz；
齿轮的啮合频率：fm3=2847Hz(Z13与Z14的啮合频率)，fm4=2015Hz(Z23与Z24的啮合频率)；
滚动轴承的特征频率：1号轴承fi1=423Hz，fo1=299Hz，fb1=132Hz,，fc1=19Hz；2号轴承fi2＝549Hz，fo2=435Hz，fb2=214Hz，fc2=21Hz。
正常状态下，齿轮箱振动的加速度幅值一般为30mm/s2左右，异常时加速度幅值达98mm/s2，已是正常值的三倍多，属于严重危险状态。
2．振动分析
频谱图见图1。可看出，振动能量很单一，只在2855Hz处出现一较高的峰值，两边有一对称的边频，间隔为67Hz，其他各处振动能量都很小。齿轮箱中，Z13与Z14的啮合频谱为2846Hz，与频谱图的最高峰值非常接近。而Z14所在轴的旋转频率等于64Hz，恰好近似等于该边频带的间隔。
图1齿轮箱异常振动频谱图
根据前述齿轮故障诊断原理得知，哪对齿轮的啮合频率所对应的峰值较高，就说明哪对齿轮出现故障。边频带的间隔等于哪根轴的旋转频率，就说明哪根轴上的齿轮出现故障。如果滚动轴承存在故障，则加速度的频谱图在高频段应该有能量堆积。而该频谱图在高频段无能量堆积，故可以排除滚动轴承出现故障的可能性。
经分析，可初步判定齿轮箱的异常振动是因Z13与Z14这对齿轮出现故障引起的（Z14齿轮较Z13齿轮更严重），而各滚动轴承和其他齿轮均基本正常。
停机大修时，发现实际2094情况与诊断结果基本一致。Z13与Z14齿面磨损严重，尤以小齿轮Z14为最，其齿面已磨出深深的凹痕。由于提前做好了更换齿轮的准备，因此，没有延误大修工期。更换齿轮后，加速度幅值降为38mm/s2,频谱图见图2，已恢复正常。
图2齿轮箱正常振动频谱图
三、结束语
在齿轮箱中各类零件损坏的比例中，齿轮约占60%，故应坚持定期对其进行振动监测并作趋势分析。本文通过对轧机齿轮箱故障信号的提取，采用振动信号的频谱分析，找出了故障源，为齿轮箱及时、准确维修带来了极大的方便，也保证了精轧机的正常运行和企业的经济效益。
参考文献：
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