减速机轴承故障振动诊断案例分析
2024-12-02目前减速机轴承的故障诊断技术手段较多，其中以振动诊断技术应用最为广泛，效果较为显著。通过跟踪检测起重机主起升机构减速器的异常振动信息，运用时域分析、频域分析、包络解调分析，并与同类设备相同工况对比分析，以及轴承运行过程中使用听音棒检查等技术手段，逐步确认故障。详细阐述了振动异常的发现、振动异常分析、劣化趋势跟踪，以及故障部位确认和处理的过程。
起重机用于物料的搬运作业，减速机是起重机日常点检维护的重要部位。随着社会工业化水平的不断提升及无人驾驶起重机越来越广泛的应用，对起重设备的运行效率要求越来越高。起重设备的维修策略也经历了从事后维修到预防维修再到预知维修的转变，其目的是最大限度地实现起重设备的高效率运行，创造更大的经济价值，以及更早地发现故障隐患，最大限度地降低故障损失。近年来，机械振动检测技术成功应用于重要机械设备的监测、故障预报和识别等方面，随着电子技术、计算机技术和人工智能的不断发展，目前设备振动在线监测平台已普遍应用于工业领域，极大地提高了机械设备的运行效率和可靠性。
一、设备概况
某厂140t铸造起重机主起升机构采用2台绕线式异步电动机分别驱动2台减速机，电动机控制方式为定子调压调速，额定转速589r/min。2台减速机在低速轴通过鼓形齿联轴器传动轴同步，减速机内部设置有棘轮棘爪装置。传动简图如图1。
图1 传动简图
二、振动诊断
2.1 常用术语说明
加速度时域波形：机械振动的时间函数，横坐标为时间，纵坐标为振动加速度振幅，用以描述振动的运动规律。
加速度频谱：将时域波形进行傅里叶变换，把信号分解为许多谐波分量，用其振幅和相位来表征各次谐波，并按其频率的高低排列呈谱状。横坐标为时间，纵坐标为加速度振幅，用来描述振动特征。
频谱包络解调：在调频信号中，一个高频信号的幅度是按调制信号变化的。如果把高频调幅信号的峰点连接起来，就可以得到一个与低频调制信号相对应的曲线，这条曲线就是包络线。
峭度：无量纲参数，反映随机变量分布特性的数值统计量，正常情况不超过3.5。由于它与轴承转速、尺寸、载荷等无关，对冲击信号特别敏感，特别适用于表面损伤故障、尤其是早期故障的诊断。峭度值越大，说明轴承故障越严重。
2.2 振动异常的发现
2022年1月检测发现1台140t起重机主起升机构右侧减速机振动异常，周期冲击明显， 如图2，但体感振动没有明显变化。通过对比发现其时域波形水平方向测点的冲击波形比垂直和轴向更为明显，即故障引起的振动在水平方向更加敏感。查看时域指标加速度峭度值8.56，超过正常值。
图2 右侧减速机驱动侧水平方向振动加速度时域波形
2.3振动异常原因分析
在频域进行分析，左侧减速机振动正常，观察其时域波形如图3，无明显的冲击，频谱如图4存在一级啮合频率209 Hz及4次谐波的尖峰，说明一级齿轮啮合产生的振动是主要振源，属正常图谱。
再观察右侧减速机振动异常的加速度频谱，如图5，与左侧对比发现中心频率2400Hz，带通宽度500Hz位置异常突出，怀疑为故障激起了某一部件的固有频率。
对该频率段进行包络解调见图6，发现存在频率为31.250 Hz的基波尖峰及谐波，说明故障频率为31.50Hz。
图3 左侧减速机驱动侧水平方向振动加速度时域波形
图4 左侧减速机驱动侧水平方向振动加速度频谱
图5 右侧减速机驱动侧水平方向振动加速度频谱
经过收集减速机的输入额定转数、各轴轴承型号及各级齿轮齿数等信息，公式计算出减速机各部件的故障频率见表1，比对发现故障特征频率31.250Hz与减速机1轴轴承的滚动体故障频率32.593Hz极为接近。因为振动检测过程中，设备的输入转数与额定值会存在一定的误差，同时振动信号也会受到各种信号的调制，以及计算误差等都会导致计算值与实际值存在较小的差异，且其他部件的故障特征频率都与该频率存在较大的差异，所以认为31.250Hz是检测到的调心辊子轴承(型号22222CA/W33)的滚动体故障频率。
图6 右侧减速机驱动侧水平方向振动加速度包络解调谱
表1 140t主起升机构减速机振动诊断参数表
2022年2月定修，打开减速机端盖检查轴承，由于空间狭小不能直接观察到轴承情况，但发现油液污染严重，轴承较脏，如图7。在更换了润滑油后振动加速度幅值和加速度峭度有所下降。经过后续的跟踪检测，轻载、重载波形及频谱比对，以及采用轴承听音等段，仍然怀疑1轴轴承滚动体存在轻微的疲劳脱落。同时监测1轴两侧的振动加度，相比于自由侧，驱动侧的加速度有效值稍大，故判断驱动侧轴承故障可能性更大。
图7 开窥视孔及轴承端盖检查情况
在故障没有确认和解决的情况下，采取监护运行措施，每3天实施1次振动监测，整理数据发现相同工况下加速度和速度有效值在允许值内且变化不大，加速度峭度指标上下浮动与载荷大小正相关，且变化较大。包络谱中31.250Hz幅值呈现缓慢爬升趋势。参考前1次开端盖检查情况综合判断，轴承缺陷可继续监护运行。
三、故障确认
5月设备年修期间，对疑似存在缺陷的右侧减速机解体检查，打开减速机上盖，吊出减速机1轴，仔细检查轴承后确认1轴驱动侧轴承(型号：22222CA/W33)的3个滚动体发生疲劳脱落，如图8，内外圈滚道及保持架无可见损伤。因准备充分，当天更换了高速轴轴承，故障排除。
图8 滚动体疲劳剥落
四、滚动体剥落故障原因分析
该轴承使用时间约4年，滚动体数量为18个，其中有3个滚动体出现表面剥落，分布在轴承的0°、90°、230°位置，剥落长度分别占到滚动体接触带周长的1/5、1/10、1/20，观察滚动体表面剥落的部位均位于与内外圈接触区域。该型号轴承的滚动体和内外圈材质及硬度基本相同，若因固体污染物过度碾压引起金属与金属的接触，从而造成表面微凸体相互剪切，出现微裂纹和微剥落，内外圈应有损伤，故排除这种可能。参照ISO 20816:2016(机械振动.机械振动的测量和评估)和NSK产业机械用轴承综合样本(CAT.NO.CH1103b)分析故障原因为: 受到轴承质量、载荷、润滑的影响，滚动接触表面在循环载荷作用下，随着时间的推移导致材料结构发生变化，从而产生微裂纹。微裂纹在滚动体表面下的夹杂物处萌生，随后扩展至表面，发生剥落，导致轴承过早的损坏。
五、结语
诊断案例证明了运用振动诊断技术实施周期性的振动监测， 是起重机关键减速机健康监测的有效技术手段，其特点是具有在早期检测出轴承异常的能力，可以确定具体损伤部位并对损伤的程度作出量化分析。由于优点突出，振动诊断法在轴承故障诊断中得到了广泛应用，同时在减速机的日常维护中，需定期检测润滑油，根据检测结果进行更换，良好的润滑能有效地延长减速机轴承的使用寿命。
【作者】
马广程 欧冶工业品股份有限公司
姜永富 宝山钢铁股份有限公司 上海宝钢国际经济贸易有限公司
肖仕富、李坦、王会明 宝山钢铁股份有限公司 武汉钢铁有限公司
来源：《宝钢技术》
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