边频带分析在齿轮故障诊断中的应用.pdf

T o t a l N o 1 7 5 冶金设备 总第 1 7 5期 J u n e 2 0 0 9 ME T A L L U R G I C A L E Q U I P ME N T 2 0 0 9年 6月第 3期 技术分析 边频带分析在齿轮故障诊断 中的应用 寇汉 萍 武汉钢铁股份有限公司武汉 4 3 0 0 8 1 摘要针对某精轧机齿轮分配箱存在的振动值偏大问题 采用振动信号时域分析和边频带分析相结合 的方法进行故障诊断研究 研究结果表明该齿轮分配箱的齿轮没有故障征兆存在 产生齿轮分配箱振动值 偏大的原因是电机与齿轮分配箱之间的接轴不平衡 关键词频域分析边频带齿轮故障诊断 中图分类号T G 3 3 3 1 5 文献标识码A Ap p l i c a t i o n o f S i d e ba n d An a l y s i s i n t h e Ge a r S Fa u l t Di a g n o s i s Ko u Ha n p i n g Wu h a n I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p L t d Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ABS TR ACT I n o r d e r t o fi n d o u t t h e r e a s o n o f v i b r a t i o n o f a fi n i s h mi l l g e a r d i s t ri b u t i o n b o x i s h i g h e r t h a n o the t h e t i me d o ma i n a n a l y s i s a n d the s i d e b a n d a n a l y s i s t o t h e v i b r a t i o n s i g n al are c o mb i n a t e d t o f a u l t d i a g n o s i s T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e g e ar d i s t r i b u ti o n bo x i s fi n e an d t h e r e a s o n o f h i g h e r v i b r a t i o n i s t h e c o u p l i n g s p i n d l e b e t w e e n t h e e l e c t ri c ma c h i n e a n d g e a r d i s t ri b u t i o n bo x i s o u t o f b a l an c e KEYW ORDS F r e q u e n c y d o ma i n a n aly s i s S i d e b a n d G e ar F a u l t d i a g n o s i s 1 前言 机械设备故障诊断技术一直以来都是研究 热点 其基本步骤可划分为两步 首先采集能够 反映机械设备故障状态的信号 例如振动信号 声信号以及温度信号等 然后采用数学方法对这 些信号进行分 析 从这些分析 中捕 捉故 障信 息 J 目前许多新的故障诊断算法被提出 例如 神经网络算法 J 高阶统计算法和非线性时间序 列分析算法等 J 但这些所提出的新算法往往 仅对某一类型的故障或设备敏感 并且这些算法 多依赖于前期大量数据样本 仅在实验状态下能 达到理想效果 在生产现场的使用效果有限 实 际上 传统的统计特征量法和频谱分析方法更适 用于现场状况 特别对于齿轮箱这样的设备 不 同齿轮故障对应的频率及其边频带蕴含有丰富 的设备信息 加上频谱分析运算速度快 因此是 现场故障诊断的上佳选择 将频谱中的边频带分析方法用于齿轮故障 诊断 并用于武钢某 精轧机组 6号精 轧机 简称 F 6 故障诊断 2 齿轮故障诊断 中的边频带分析 齿轮啮合产生的振动信号的功率谱或频谱 中的主要频率成分应 当包含齿轮轴转频 齿 轮啮 合频率及其倍频 转频计算公式为 n 6 0 H z 1 式中n 齿轮转速 r a d m i n 定轴转动齿轮啮合频率计算公式为 彳 H z 2 基金项 目 教育部博士点基金 2 o o 8 o 4 8 8 0 o o 2 资助 作者简介 寇汉萍 女 1 9 6 3 年出生 1 9 8 5 年毕业于华中科技大学获硕士学位 现在武汉钢铁股份有限公司设备管理部工作 主 要从事冶金设备运行管理 设备故障诊断相关工作 一 3 6 寇汉萍 边频带分析在齿轮故障诊断中的应用 2 0 0 9年 6月第 3期 式中 齿轮齿数 齿轮转频 典型的齿轮啮合振动信号频谱图如图 1 所 示 图中 是齿轮转频 是齿轮啮合频率 为啮合频率的二倍频 在啮合频率 以及啮合 频率的二倍频 两侧存在一定的频率峰值 这 些峰值之间的距离 a b C 正好与转频 相等 这些啮合频率周围的频率分布称为边频带 这 是由于齿轮在运转时存在多个激励源 所采集到 的振动信号往往是以齿轮啮合频率及其谐波为 载波频率 齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率 的已调制信号 在频谱中则表现为在齿轮啮合 频率及其谐波或齿轮各阶固有频率及其谐波周 围出现边频带 此外 齿轮箱内其它零部件的特 征运动频率对齿轮的振动频率进行调制 也会产 生边频带 j 四 馨 r 图1 典型齿轮啮合振动信号频谱图 这些频率成份即其边频带中包含丰富的齿 轮状态信息 1 正常齿轮振动信号的频谱以啮合频率及 其倍频为主 其谐波值依次减小 边频带较少 2 齿轮发生磨损后的振动信号仍然以啮合 频率及其倍频为主 但其幅值增大 且高次谐波 值增大 3 发生 断 齿 时振 动能 量 有 较 大 幅度 的增 加 齿轮啮合频率及其谐波周围产生边频带 边 频带宽而高 此外 由于瞬态冲击能量大 时常 激励起固有频率 产生齿轮固有频率调制现象 出现以齿轮各阶固有频率为中心频率 以断齿 所在轴的转频及其高次谐波为调制频率的调制 边频带 4 齿轮若存在齿形误差 其频谱上产生以齿 轮啮合频率及其谐波为载波频率 故障齿轮所在 轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制现 象 谱图上在啮合频率及其倍频产生幅值小且稀 疏的边频带 特别的 对于周节误差 这种边频带 为不对称结构 5 齿轮箱发生轴不对中的故障 主要出现在 齿轮箱与其他部件相连接的联轴器部位 当联轴 器两端的轴虽平行却不对中时 在轴旋转过程中 轴受径向交变力的作用 轴每转一周 径向力交 变两次 在径向力的作用下 轴会在径向产生振 动 而且由于轴之间的偏差 在齿轮箱传动中通 常会导致分布类型 的齿形误差 在齿轮箱运行过 程中会产生齿轮的啮合频率调制现象 即以啮合 频率为中心的边频带 其频谱图与齿形误差的 频谱图相似 3 边频带分析用于齿轮分配箱故障诊断 在对武钢某精轧机组 6号精轧机 下称 F 6 齿轮分配箱的例行点检中发现其齿轮分配箱振 动值较其余精轧机的齿轮分配箱大得多 为此 对该齿轮分配箱进行了现场测试与故障诊断 3 1 测试方案 F 6传动系统结构简图如图 2所示 电机 1 通过接轴 2将扭矩传递给齿轮分配箱 3 然后 通过齿轮分配箱 速比为 1 1 3将扭矩等值地 分配给精轧机上 下工作辊 4 振动信号采用 P C B公司的加速度传感器采集 测点分布在分 配箱 3上各轴承座附近 测点布置方案如表 1 所示 由于振动信号的频谱分析与齿轮箱转频 具 有一定 的函数关 系 因此 在接轴 2上还设 有 一 个转速测点 转速采用涡电流位移传感器进 行测量 图2 F 6主传动系统齿轮分配箱测点布置图 1 一电机 2 一接轴 3 一齿轮分配箱 4 一工作辊 一 3 7 一 总第1 7 5 期 冶金设备 2 0 0 9年 6月第 3期 表1 F 6 精轧机测点位置列表 齿数 z为 3 0 测点位置 振动信号方向 表2 各测点振动信号的均方根值 p r m m s F 6 齿轮分配箱上人字齿轮轴传动端 1 一 铅垂方向 F 6 齿轮分配箱下人字齿轮轴传动端 一 水平 方向 径向 F 6 齿轮分配箱上人字齿轮轴转速 3 一 转速 3 2 测试工况及测试曲线 为不失一般性 测试在主轧线正常生产工况 下进行 分别测取多组齿轮分配箱在空转状态 与轧制状态的振动信号 测点的典型振动时域 信号如图 3所示 j 霉 霉 F 每 时间 a a F 6 上人字齿轮轴传动侧铅垂方向振动加速度 一 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 时间 s b 1 F 6 下人字齿轮轴传动侧水平方向振动加速度 图3 部分测点的典型测试曲线 3 3 振动信号分析 从测试记录曲线可以看出 F 6 在轧制与空转 状态下垂直方向的振动差别较小 而水平方向的 振动差别较大 冲击较大咬钢和抛钢瞬间存在 强大冲击 振 动加速度 冲击峰值最大达到 3 0 m s 轧件抛出时也出现较大的冲击振动 振动信号的均方根值是反映系统能量状态 的统计量之一 若振动信号的均方根值过大 往 往表明系统存在故障 各次测试的均方根值计 算结果如表 2所示 从表 2可 以看 出轧钢状态 下 各测点的振动加速度均方根值比空转状态下 有所增加 但其绝对值差别并不大 并且均没有 超过 I S 0 3 9 4 5 1 9 8 5的建议标准 表明齿轮分配 箱没有恶化趋势 3 4 振动信号的频域分析 对振动信号进行频谱分析 可找出齿轮分配 箱存在的潜在故障 齿轮分配箱的人字齿轮的 一 38 一 齿轮分配箱的典型频率特征为 1 转频 4 1 l H z 2 齿轮啮合频率 3 0 x 4 1 1 1 2 3 3 Hz 取测试数据 中的典型数据进行分析 1 测点 振动信号及频谱分析如图4所示 其中图 a 为 时域信号的放大图 从中可明显看出时域信号存 在周期性的冲击 其间隔约为 0 2 5 s 其频率正好 与人字齿轮轴的转频 相等 并且一个周期 0 2 5 s 内 共 出现大小 不同的振动峰值 3 0个 即人字齿轮 3 0个齿 每对齿啮合一次出现一次 冲击振动 进一步对该时域信号进行功率谱分析 图 4 b 可发现在齿轮啮合频率 1 2 3 3 8 H z 及其 二倍频 2 4 6 7 4 H z 周围存在边频带 并且边频 带的分布并不对关于啮合频率及其二倍频对称 2 1 5 1 景 0 5 1 1 5 3 0 2 3 0 A 3 0 6 3 0 8 3l 31 2 时间 s a 时域信号局部放大图 2 3 3 8 Hz iJj j 2 4 6 7 4 H 1 胁 图4 F 6上人字齿轮轴传动侧水平方向频谱分析 从振动信号的时域波形和频谱分析特征来 看 与齿轮周节误差和联接轴不平衡两种故障状 态的信号特征相似 但精轧机组7 台齿轮分配 转 7 1 页 张战波等 A N T A R A钢厂型钢及棒材车间的改造 2 0 0 9 年 6 月第 3 期 根据 A B线产品特点和厂房条件 选择不同型式 的轧机 如 B线精轧机采用二辊闭口轧机 轧制 力大 备件及操作维护简单 而 A线立轧机主要 考虑厂房天车高度 采用短应力线轧机 轧机万 向接轴一端花键齿与减速机齿轮轴连为一体 水 平轧机其减速机采用立剖型式 尽量缩短机架间 距 实现了在总长 2 9 2 m厂房内布置一条由2 0 架 轧机组 成 的连轧线 最大 速度 1 6 m s 年 产能力 6 0万 t 2 扭转轧制 B线无扭转轧制 A线主要考虑 能够生产角钢及扁钢 在中轧机组采用平 一 平 一 立 一 平 一 平 一 立布置型式 轧制棒材时仅有一个 扭转道次 采用滚动扭转导 卫后 事 故率几乎 为 零 其他均为无扭转轧制 避免了很多工艺事 故 3 孔型设计 充分考虑各种产 品的不 同变形 特性 同时又要考虑尽可能减少生产备件品种和 数量 设计孔型时将精轧前孔型尽量共用 这 可行性已在使用中得到验证 4 电气传动及 自动化 除 B线粗轧机外 其 余所有轧机均为直流电机单独驱动 与飞剪 变 频辊道及步进式冷床 夹送辊等组成了 P L C控制 系统 这套技术属当代棒材连轧国际水平和国内 先进水平 既保证了产品的高质量 又体现了装 备的高水平 在直流传动控制方面 采用了德国 西 门子公 司 的 6 R A 7 0控制装置 在 P L C控 制方 面 采用 了德国西 门子公 司的 S 7系列 P L C以及 网络控制系统 计算机二级控制系统等 通过上 位机设定轧制程序表 对轧机 活套 飞剪进行控 制 连轧速度调节为逆向级联 比例调速 该套 系统在国内外棒材生产线 中处于先进水平 已成 功应用于中国众多钢铁企业 5 结束语 1 该项目B线及加热炉于2 0 0 8 年 1 月投人 生产 A线轧机于2 0 0 8年 7 月投人运行 冷床及 精整设备于2 0 0 9年 1 月投人运行 轧制出来的产 品尺寸精度符合 B S标准 项 目历时两年整 做 到了真正意义上的不停产改造 累计为该企业创 造效益 1 亿元马币 2 该项 目 成功地对马来西亚金狮集团 A n t a m S t e e l 钢厂 的横列式老轧机进行 了现代化升级 改造 其低成本的改造模式可供其他东南亚企业 参考 参考文献 1 钟廷珍 程知松等 集棒 线 带材于一体的高效 低成 本连轧生产线 钢铁 2 0 0 3 1 0 2 程知松等 一种滚动发展的棒材轧机改造模式 轧 钢 2 0 0 4 1 3 张战波 Y型轧机研究与设计 冶金设备 1 9 9 6 6 收稿日期 2 0 0 9 0