目前減速機軸承的故障診斷技術(shù)手段較多，其中以振動(dòng)診斷技術(shù)應用最為廣泛，效果較為顯著(zhù)。通過(guò)跟蹤檢測起重機主起升機構減速器的異常振動(dòng)信息，運用時(shí)域分析、頻域分析、包絡(luò )解調分析，并與同類(lèi)設備相同工況對比分析，以及軸承運行過(guò)程中使用聽(tīng)音棒檢查等技術(shù)手段，逐步確認故障。詳細闡述了振動(dòng)異常的發(fā)現、振動(dòng)異常分析、劣化趨勢跟蹤，以及故障部位確認和處理的過(guò)程。

起重機用于物料的搬運作業(yè)，減速機是起重機日常點(diǎn)檢維護的重要部位。隨著(zhù)社會(huì )工業(yè)化水平的不斷提升及無(wú)人駕駛起重機越來(lái)越廣泛的應用，對起重設備的運行效率要求越來(lái)越高。起重設備的維修策略也經(jīng)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(shí)現起重設備的高效率運行，創(chuàng )造更大的經(jīng)濟價(jià)值，以及更早地發(fā)現故障隱患，最大限度地降低故障損失。近年來(lái)，機械振動(dòng)檢測技術(shù)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(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，目前設備振動(dòng)在線(xiàn)監測平臺已普遍應用于工業(yè)領(lǐng)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(chǎng)140t鑄造起重機主起升機構采用2臺繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機分別驅動(dòng)2臺減速機，電動(dòng)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(guò)鼓形齒聯(lián)軸器傳動(dòng)軸同步，減速機內部設置有棘輪棘爪裝置。傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1  傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

二、振動(dòng)診斷

2.1 常用術(shù)語(yǔ)說(shuō)明

加速度時(shí)域波形：機械振動(dòng)的時(shí)間函數，橫坐標為時(shí)間，縱坐標為振動(dòng)加速度振幅，用以描述振動(dòng)的運動(dòng)規律。

加速度頻譜：將時(shí)域波形進(jìn)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(lái)表征各次諧波，并按其頻率的高低排列呈譜狀。橫坐標為時(shí)間，縱坐標為加速度振幅，用來(lái)描述振動(dòng)特征。

頻譜包絡(luò )解調：在調頻信號中，一個(gè)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(diǎn)連接起來(lái)，就可以得到一個(gè)與低頻調制信號相對應的曲線(xiàn)，這條曲線(xiàn)就是包絡(luò )線(xiàn)。

峭度：無(wú)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(guò)3.5。由于它與軸承轉速、尺寸、載荷等無(wú)關(guān)，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(shuō)明軸承故障越嚴重。

2.2 振動(dòng)異常的發(fā)現

2022年1月檢測發(fā)現1臺140t起重機主起升機構右側減速機振動(dòng)異常，周期沖擊明顯， 如圖2，但體感振動(dòng)沒(méi)有明顯變化。通過(guò)對比發(fā)現其時(shí)域波形水平方向測點(diǎn)的沖擊波形比垂直和軸向更為明顯，即故障引起的振動(dòng)在水平方向更加敏感。查看時(shí)域指標加速度峭度值8.56，超過(guò)正常值。

圖2  右側減速機驅動(dòng)側水平方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形

2.3振動(dòng)異常原因分析

在頻域進(jìn)行分析，左側減速機振動(dòng)正常，觀(guān)察其時(shí)域波形如圖3，無(wú)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(shuō)明一級齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)是主要振源，屬正常圖譜。

再觀(guān)察右側減速機振動(dòng)異常的加速度頻譜，如圖5，與左側對比發(fā)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(jìn)行包絡(luò )解調見(jiàn)圖6，發(fā)現存在頻率為31.250 Hz的基波尖峰及諧波，說(shuō)明故障頻率為31.50Hz。

圖3  左側減速機驅動(dòng)側水平方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形

圖4  左側減速機驅動(dòng)側水平方向振動(dòng)加速度頻譜

圖5  右側減速機驅動(dòng)側水平方向振動(dòng)加速度頻譜

經(jīng)過(guò)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(jiàn)表1，比對發(fā)現故障特征頻率31.250Hz與減速機1軸軸承的滾動(dòng)體故障頻率32.593Hz極為接近。因為振動(dòng)檢測過(guò)程中，設備的輸入轉數與額定值會(huì )存在一定的誤差，同時(shí)振動(dòng)信號也會(huì )受到各種信號的調制，以及計算誤差等都會(huì )導致計算值與實(shí)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(dòng)體故障頻率。

圖6  右側減速機驅動(dòng)側水平方向振動(dòng)加速度包絡(luò )解調譜

表1  140t主起升機構減速機振動(dòng)診斷參數表

2022年2月定修，打開(kāi)減速機端蓋檢查軸承，由于空間狹小不能直接觀(guān)察到軸承情況，但發(fā)現油液污染嚴重，軸承較臟，如圖7。在更換了潤滑油后振動(dòng)加速度幅值和加速度峭度有所下降。經(jīng)過(guò)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(tīng)音等段，仍然懷疑1軸軸承滾動(dòng)體存在輕微的疲勞脫落。同時(shí)監測1軸兩側的振動(dòng)加度，相比于自由側，驅動(dòng)側的加速度有效值稍大，故判斷驅動(dòng)側軸承故障可能性更大。

圖7  開(kāi)窺視孔及軸承端蓋檢查情況

在故障沒(méi)有確認和解決的情況下，采取監護運行措施，每3天實(shí)施1次振動(dòng)監測，整理數據發(fā)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(dòng)與載荷大小正相關(guān)，且變化較大。包絡(luò )譜中31.250Hz幅值呈現緩慢爬升趨勢。參考前1次開(kāi)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(kāi)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(dòng)側軸承(型號：22222CA/W33)的3個(gè)滾動(dòng)體發(fā)生疲勞脫落，如圖8，內外圈滾道及保持架無(wú)可見(jiàn)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(dòng)體疲勞剝落

四、滾動(dòng)體剝落故障原因分析

該軸承使用時(shí)間約4年，滾動(dòng)體數量為18個(gè)，其中有3個(gè)滾動(dòng)體出現表面剝落，分布在軸承的0°、90°、230°位置，剝落長(cháng)度分別占到滾動(dòng)體接觸帶周長(cháng)的1/5、1/10、1/20，觀(guān)察滾動(dòng)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(dòng)體和內外圈材質(zhì)及硬度基本相同，若因固體污染物過(guò)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(dòng).機械振動(dòng)的測量和評估)和NSK產(chǎn)業(yè)機械用軸承綜合樣本(CAT.NO.CH1103b)分析故障原因為: 受到軸承質(zhì)量、載荷、潤滑的影響，滾動(dòng)接觸表面在循環(huán)載荷作用下，隨著(zhù)時(shí)間的推移導致材料結構發(fā)生變化，從而產(chǎn)生微裂紋。微裂紋在滾動(dòng)體表面下的夾雜物處萌生，隨后擴展至表面，發(fā)生剝落，導致軸承過(guò)早的損壞。

五、結語(yǔ)

診斷案例證明了運用振動(dòng)診斷技術(shù)實(shí)施周期性的振動(dòng)監測， 是起重機關(guān)鍵減速機健康監測的有效技術(shù)手段，其特點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)突出，振動(dòng)診斷法在軸承故障診斷中得到了廣泛應用，同時(shí)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(jìn)行更換，良好的潤滑能有效地延長(cháng)減速機軸承的使用壽命。

【作者】

馬廣程　歐冶工業(yè)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(jīng)濟貿易有限公司

肖仕富、李坦、王會(huì )明　寶山鋼鐵股份有限公司　武漢鋼鐵有限公司

來(lái)源：《寶鋼技術(shù)》

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