齿轮主要振动故障特征及实测频谱案例

转动设备常见振动故障频谱特征及案例分析

一、不平衡

转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障，它是旋转机械最常见的故障。结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀造成的质量偏心，以及转子运行过程中由于腐蚀、结垢、交变应力作用等造成的零部件局部损坏、脱落等，都会使转子在转动过程中受到旋转离心力的作用，发生异常振动。

转子不平衡的主要振动特征：

1、振动方向以径向为主，悬臂式转子不平衡可能会表现出轴向振动；

2、波形为典型的正弦波；

3、振动频率为工频，水平与垂直方向振动的相位差接近90度。

案例：某装置泵轴承箱靠联轴器侧振动烈度水平13.2 mm／s，垂直11.8mm／s，轴向12.0 mm／s。各方向振动都为工频成分，水平、垂直波形为正弦波，水平振动频谱如图1所示，水平振动波形如图2所示。再对水平和垂直振动进行双通道相位差测量，显示相位差接近90度。诊断为不平衡故障，并且不平衡很可能出现在联轴器部位。

解体检查未见零部件的明显磨损，但联轴器经检测存在质量偏心，动平衡操作时对联轴器相应部位进行打磨校正后振动降至2.4 mm／s。

二、不对中

转子不对中包括轴系不对中和轴承不对中两种情况。轴系不对中是指转子联接后各转子的轴线不在同一条直线上。轴承不对中是指轴颈在轴承中偏斜，轴颈与轴承孔轴线相互不平行。通常所讲不对中多指轴系不对中。

不对中的振动特征：

1、最大振动往往在不对中联轴器两侧的轴承上，振动值随负荷的增大而增高；

2、平行不对中主要引起径向振动，振动频率为2倍工频，同时也存在工频和多倍频，但以工频和2倍工频为主；

3、平行不对中在联轴节两端径向振动的相位差接近180度；

4、角度不对中时，轴向振动较大，振动频率为工频，联轴器两端轴向振动相位差接近180度。

案例：某卧式高速泵振动达16.0 mm／s，由振动频谱图(图3)可以看出，50 Hz（电机工频）及其2倍频幅值显著，且2倍频振幅明显高于工频，初步判定为不对中故障。再测量泵轴承箱与电机轴承座对应部位的相位差，发现接近180度。

齿轮的固有频率振动 固有频率振动是指齿轮受到外界持续传动力的作用，产生的瞬态

自由振动，并带来噪声。齿轮将以多个固有频率振动，但测量时．具

有高阶固有频率的振动多数在很短时间内就消失，只剩下基本的低阶

固有频率振动。 齿轮在正常和异常状态下都将产生固有频率振动，根据齿轮振动

形态的变化、就能对齿轮作出故障判断。所以，对齿轮进行故障诊断

时，必须分析固有振动频率。一对直齿圆柱齿轮的固有振动频率就可

由下列最典型的计算式求得： 齿轮的固有振动频率多为1—10kHz的高频，当这种高频振动传

递到齿轮箱等机件时，高频冲击振动已衰减，多数情况下只能测到齿

轮的啮合频率。实际的自由振动频率比固有振动频率稍低。 (2)若对不对中进行诊断．应分析的频率为fmrf；若对不平衡进

行诊断，应分析的频率为轴频rf，；若对齿轮磨损进行诊断．应对啮

合频率fm的倍频进行分析;

制定正常频谱作为判断标准时，还必须根据齿轮装置过去的实际

统计资料，以确定各种状态的实测值与正常值的倍数比。对于低频振

动．通常将判断标准定为：实测值达到正常值的1．5—2倍时为注意

区，达4倍时为异常区。对于高频振动，据实验结果指出：当实测值

达3倍时定为注意区，6倍左右定为异常区。 应该指出的是，利用振动加速度所测定的l—10kHz频率是机械

局部共振频域．除齿轮以外，轴承、电机等也会发生同样频率的振动。特别是使用滚动轴承时，易发生误诊为滚动轴承异常的情况。但因齿

轮的固有振动频率比滚动轴承要低一些，所以，合理选择测定齿轮振

动的频域，能将齿轮和滚动轴承的异常振动区分开来，以免发生误诊

断。 在进行频谱分析时，要避免错误地将不相关的频率成分与故障联

系在一起。这就要求从事诊断的人员不仅要熟悉仪器的操作使用，还

要深入掌握齿轮装置的结构特点和主要参数。诊断人员应该了解的内

容包括：系统的共振频率、齿轮的材料、热处理工艺、轴承的结构、

齿轮的齿数和模数、齿轮运行的历史情况、同类产品的主要失效形式

第３３卷第ｌ２期　２０１１年１２月　武汉工程大学学报　Ｊ．　Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．　ＶｏＬ　３３　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．　２Ｏ１ｌ　

文章编号：１６７４—２８６９（２０１１）１２—００７０—０３　

齿轮箱振动的故障诊断与分析　

安　妮　，徐建民　

（１．武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉４３００７４；２．武钢股份公司设备维修总厂，湖北武汉４３００８０）　

摘要：针对齿轮箱常见的振动故障，通过振动信号的频谱分析得出其主要原因是齿轮啮合过程中产生了振　

动的激励源．建立齿轮箱螺栓的有限元模型，在模拟工况下计算得出螺栓的第３阶固有频率与齿轮箱振动主　

频率相近，形成共振是致使螺栓断裂的主要原因．通过这种分析计算方法，螺栓断裂事故得到了有效的控制．　

关键词：齿轮箱；振动；频谱分析；螺栓断裂；有限元分析　

中图分类号：ＴＨ１６６　．３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０１１．１２．０１７　

０　引　言　

齿轮箱作为主要机械传动设备，被广泛应用　

于现代冶金、化工、动力等工业领域［】＿３１．在冶金行　

业中，轧机齿轮箱长期在高速、重载荷条件下连续　

工作，容易出现故障，甚至引起生产事故，对生产　

有很大的影响．设备运行中，齿轮箱振动为常见故　

障之一，导致其部件疲劳破坏『４。］．本文以某酸轧　

机组齿轮箱故障为例，通过对轧机齿轮箱振动信　

号的频谱分析进行故障诊断，并对断裂螺栓的力　

学特性进行研究，找到螺栓断裂的根本原因．　

１　齿轮箱振动特征分析　

轧机作为酸轧机组的核心设备，其运行状态　

直接影响到产品的质量和产量．２０１０年５月，轧机　

４＃机架齿轮箱连接螺栓断裂事故，严重影响到该　

产线的正常生产，其后，齿轮箱螺栓断裂事故频频　

发生，４＃机架齿轮箱在１～５架中振动最为明显，　

造成长时间停机抢修，给企业生产带来了一定的　

影响．因此，公司在‘４＃机架安装在线监测系统，实　

现对４＃机架齿轮箱的实时监控，从齿轮箱运行状　

振动与冲击第!"卷第#期$%&’()*%+,-.’)/-%()(012%34,567!"(57#!""!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!8

齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略"

丁康朱小勇陈亚华

（汕头大学机械电子工程系，汕头989":#）（重庆大学机械工程学院，重庆;""";;）

摘要准确地提取各种典型故障的特征是进行齿轮箱故障诊断的关键。通过大量的实验，对齿轮箱中的齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点蚀等九种典型故障进行分析，总结其振动信号的时频域特征，并在此基础上提出采用基于建档案的两时域（原始时域和包络时域）三频域（频谱、细化谱、解调谱）的诊断方法，为齿轮箱智能诊断系统的研制打下良好的基础。关键词：齿轮箱，故障诊断，特征提取，信号分析中图分类号：/

"引言

随着现代工业的发展，齿轮已成为现代工业中最

关键的零件之一，齿轮箱由于传动比固定，传动力矩

大，结构紧凑，因此在各种机器中得到了广泛的应用，

成为各类机器的变速传动部件。据日本新日铁会社

的统计［8］，齿轮故障约占机器总故障次数的8"7#=左

右。据统计，在齿轮箱失效零件中，齿轮本身的失效

比重最大约占:"=，可见齿轮传动是诱发机器故障的

重要部位。因此，进行齿轮箱故障诊断研究有着重要

的意义。

齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振

动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变

化，振动信号是齿轮箱故障特征的载体。在齿轮箱典

型故障机理研究和特征提取方面，由于齿轮箱的结构

复杂，工作环境一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问

题较多，国内外学者虽然取得了一定的成绩［9］，但对

于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入，需要进一

步的完善和研究。

通过理论研究和实验分析，对具有故障的齿轮箱

振动信号进行时域分析和频域分析，其中在领域分析