減速機軸承故障振動診斷案例分析
2024-12-02
目前減速機軸承的故障診斷技術手段較多，其中以振動診斷技術應用最為廣泛，效果較為顯著。通過跟蹤檢測起重機主起升機構減速器的異常振動信息，運用時域分析、頻域分析、包絡解調分析，并與同類設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手段，逐步確認故障。詳細闡述了振動異常的發現、振動異常分析、劣化趨勢跟蹤，以及故障部位確認和處理的過程。
起重機用于物料的搬運作業，減速機是起重機日常點檢維護的重要部位。隨著社會工業化水平的不斷提升及無人駕駛起重機越來越廣泛的應用，對起重設備的運行效率要求越來越高。起重設備的維修策略也經歷了從事后維修到預防維修再到預知維修的轉變，其目的是最大限度地實現起重設備的高效率運行，創造更大的經濟價值，以及更早地發現故障隱患，最大限度地降低故障損失。近年來，機械振動檢測技術成功應用于重要機械設備的監測、故障預報和識別等方面，隨著電子技術、計算機技術和人工智能的不斷發展，目前設備振動在線監測平臺已普遍應用于工業領域，極大地提高了機械設備的運行效率和可靠性。
一、設備概況
某廠140t鑄造起重機主起升機構采用2臺繞線式異步電動機分別驅動2臺減速機，電動機控制方式為定子調壓調速，額定轉速589r/min。2臺減速機在低速軸通過鼓形齒聯軸器傳動軸同步，減速機內部設置有棘輪棘爪裝置。傳動簡圖如圖1。
圖1 傳動簡圖
二、振動診斷
2.1 常用術語說明
加速度時域波形：機械振動的時間函數，橫坐標為時間，縱坐標為振動加速度振幅，用以描述振動的運動規律。
加速度頻譜：將時域波形進行傅里葉變換，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。橫坐標為時間，縱坐標為加速度振幅，用來描述振動特征。
頻譜包絡解調：在調頻信號中，一個高頻信號的幅度是按調制信號變化的。如果把高頻調幅信號的峰點連接起來，就可以得到一個與低頻調制信號相對應的曲線，這條曲線就是包絡線。
峭度：無量綱參數，反映隨機變量分布特性的數值統計量，正常情況不超過3.5。由于它與軸承轉速、尺寸、載荷等無關，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，說明軸承故障越嚴重。
2.2 振動異常的發現
2022年1月檢測發現1臺140t起重機主起升機構右側減速機振動異常，周期沖擊明顯， 如圖2，但體感振動沒有明顯變化。通過對比發現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。查看時域指標加速度峭度值8.56，超過正常值。
圖2 右側減速機驅動側水平方向振動加速度時域波形
2.3振動異常原因分析
在頻域進行分析，左側減速機振動正常，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生的振動是主要振源，屬正常圖譜。
再觀察右側減速機振動異常的加速度頻譜，如圖5，與左側對比發現中心頻率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。
對該頻率段進行包絡解調見圖6，發現存在頻率為31.250 Hz的基波尖峰及諧波，說明故障頻率為31.50Hz。
圖3 左側減速機驅動側水平方向振動加速度時域波形
圖4 左側減速機驅動側水平方向振動加速度頻譜
圖5 右側減速機驅動側水平方向振動加速度頻譜
經過收集減速機的輸入額定轉數、各軸軸承型號及各級齒輪齒數等信息，公式計算出減速機各部件的故障頻率見表1，比對發現故障特征頻率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，設備的輸入轉數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制，以及計算誤差等都會導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，所以認為31.250Hz是檢測到的調心輥子軸承(型號22222CA/W33)的滾動體故障頻率。
圖6 右側減速機驅動側水平方向振動加速度包絡解調譜
表1 140t主起升機構減速機振動診斷參數表
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，但發現油液污染嚴重，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。經過后續的跟蹤檢測，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。同時監測1軸兩側的振動加度，相比于自由側，驅動側的加速度有效值稍大，故判斷驅動側軸承故障可能性更大。
圖7 開窺視孔及軸承端蓋檢查情況
在故障沒有確認和解決的情況下，采取監護運行措施，每3天實施1次振動監測，整理數據發現相同工況下加速度和速度有效值在允許值內且變化不大，加速度峭度指標上下浮動與載荷大小正相關，且變化較大。包絡譜中31.250Hz幅值呈現緩慢爬升趨勢。參考前1次開端蓋檢查情況綜合判斷，軸承缺陷可繼續監護運行。
三、故障確認
5月設備年修期間，對疑似存在缺陷的右側減速機解體檢查，打開減速機上蓋，吊出減速機1軸，仔細檢查軸承后確認1軸驅動側軸承(型號：22222CA/W33)的3個滾動體發生疲勞脫落，如圖8，內外圈滾道及保持架無可見損傷。因準備充分，當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，滾動體數量為18個，其中有3個滾動體出現表面剝落，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外圈接觸區域。該型號軸承的滾動體和內外圈材質及硬度基本相同，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，出現微裂紋和微剝落，內外圈應有損傷，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產業機械用軸承綜合樣本(CAT.NO.CH1103b)分析故障原因為: 受到軸承質量、載荷、潤滑的影響，滾動接觸表面在循環載荷作用下，隨著時間的推移導致材料結構發生變化，從而產生微裂紋。微裂紋在滾動體表面下的夾雜物處萌生，隨后擴展至表面，發生剝落，導致軸承過早的損壞。
五、結語
診斷案例證明了運用振動診斷技術實施周期性的振動監測， 是起重機關鍵減速機健康監測的有效技術手段，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。由于優點突出，振動診斷法在軸承故障診斷中得到了廣泛應用，同時在減速機的日常維護中，需定期檢測潤滑油，根據檢測結果進行更換，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 上海寶鋼國際經濟貿易有限公司
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來源：《寶鋼技術》
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