基于振动信号的减速器故障诊断方法

沈 晴 苏运波 曹 沛上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125摘 要：基于经典振动分析方法, 总结了减速器3 类常见故障（轴故障、齿轮故障、轴承故障）在振动方面的特征。利用Matlab 数据处理和信号分析功能，采用时域分析、相关分析、频域分析、时频分析等方法，结合已知的减速器基本参数，从不同角度挖掘信号中的故障信息，进行故障推断，并以案例的形式介绍了对某型门座起重机起升机构减速器故障诊断的具体执行过程，得出诊断结果。对该机减速器故障诊断的研究，能弥补其状态监测与故障诊断的不足，保证其运行的安全高效性，提升设备管理水平。关键词：门座起重机；振动信号；减速器；故障诊断；数据处理中图分类号：TH213.4：TP391.5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）07-0119-060 引言门座起重机（以下简称门机）是运用最广泛的港口装卸设备之一，目前部分门机使用起重机监控系统进行设备的状态监测和管理，但该系统仅能够对电气方面的信号进行记录、存储，缺乏对设备机械信号的监测，使对于门机状态的诊断结果在可靠性和准确性方面存在较大的不足。随着港机设备状态监测和故障诊断的要求不断提升，现有的状态监测已不能满足需求。本文研究基于振动信号的门机减速器故障诊断，利用振动监测技术，能在不拆装或少拆装的情况下，通过多种分析方法结合的方式能实现对设备的状态监测及诊断，能弥补门机的现有状态监测方面的不足，使对于门机的状态监测和诊断更为全面、准确。1 设备及参数1.1 设备概况本次检测的设备为起升机构减速器在平稳工作情况下通过按照对称布置的方式布置有6 个三向加速度传感器测得。机构和传感器布置的平面图如图1 所示，其中A、B 两个传感器布置在减速器高速轴附近壳体上，C、D 两个传感器在减速器低速轴附近壳体上，E、F 两个传感器在卷筒外侧支座上。1.2 设备参数及相关频率本次实验分析的减速器为一个四轴减速器，速比为19.564。四轴承的具体参数见表1，相关的轴转速和齿轮的啮合频率参数见表2，本次实验通过6 个3 向加速度传感器获得了18 组振动信号。图1 传感器布置图2 常见故障的振动特征及诊断思路2.1 轴故障的振动特征轴的故障主要包括不平衡和不对中故障。不平衡故障主要体现在转频的一倍频，振动幅值方面，方向以径向为主，且振幅受转速影响较大；转速增大时振幅增长很快，转速下降时，处共振范围外，振幅可趋近于零。不对中故障出现时，频率成分中二倍频的幅值会突出，有时会伴随有较为清楚的三倍频或更高倍频，而在振动幅值方面，轴向振动会明显，当轴向振动超过径向振动的50% 时，往往预示存在不同轴故障。另外，相比不平衡故障，不对中故障信号的振幅与转速关系不大。2.2 齿轮故障齿轮相关故障较多，主要有齿面磨损、负荷增大、齿轮径向间隙过大，齿轮游隙不稳定，安装或生产误差等，其主要特征为会产生齿轮啮合频率及其高次谐频成分的幅值增大；齿轮啮合频率或固有频率及其谐频为载频，齿轮所在轴转频及其倍频为调制边频。2.3 轴承故障轴承相关故障（这里是滚动轴承）主要振动机理是滚动轴承各运动副中由于磨损、点蚀、裂纹、表面脱落等引起的周期性脉冲激励，故障类型可分为内圈、外圈、滚动体、保持架和生产安装故障，其主要特征是振动频率成分中含有故障零件的通过频率与轴的转频，且含调幅、调频的成分。2.4 减速器诊断思路通过对振动信号进行时域、各阶统计量、概率密度、延时域、频谱、时频等分析，可判断故障的有无和需要进行具体分析的信号。之后运用穆勒五法中的契合差异并用法，结合其他的分析方式，对减速器的三类故障进行肯定和否定判断，最终对设备状态做出判断。3 异响减速器故障诊断案例分析故障诊断对象是门机起升机构减速器，在巡检过程中发现起升机构在正常工作状态下有轻微异响，属于一种异常的机械噪声。利用前述测点布置方式获得了6 个测点的3 向振动信号，即共获得18 组实测数据，然后将按照给定的思路分步对这18 组数据进行分析。本次案例选取起升机构的一台减速器进行分析，即以B、D、F 点的数据举例分析，共9 组数据。3.1 时域分析时域分析是机械故障诊断较为原始和直观的依据，能反映振动信号幅值的大小及变化规律，也能反映振动信号中有无剧烈冲击、畸变等情况，是设备运行状态初步判断的有效依据，同时，通过时域波形能识别判断振动信号中有无简谐、周期、脉冲信号分量，通常情况下，当设备处于正常平稳运行状态时，时域图应无周期性脉冲信号。1）时域波形分析首先对试验获得的9 组数据进行时域分析，通过Matlab 的绘图功能，绘制振动随时间的响应曲线（X 为水平径向、Y 为轴向、Z 为垂直径向），分析图可以看出每组数据都存在明显的调制信号，且轴向振动幅值较大，图2 为F 测点3 个方向的时域图。存在调制信号的现象说明可能存在振动相关故障，如齿轮故障和轴承故障；轴向振动幅值较大说明可能存在轴故障，如轴不对中故障。图2 F 测点3 个方向时域图2）时域特征参量振动信号时域特征参量可作为信号的统计特征分析的依据，其中旋转机械振动分析中经常用到的有峰峰值、均方差、峭度。峰峰值又称通频幅值，反映振幅大小；均方差用于描述振动相对于零值的波动情况，反映减速器振动的平稳水平，且能代表能量水平；峭度反映信号概率密度函数峰顶的凸平度，是对冲击灵敏的物理量，正常情况下，峭度指标约为3，数值过大（超过8）往往预示有相关故障。对各阶统计量分析的曲线如图3 所示。由图3 可知，3 个测点的Y 向均有较大峰值，Y 向对应轴向，说明减速器可能存在轴不对中故障；据均方差值可知D 测点Y 向具有最大能量值，其余测点和方向的能量值均不大；D 点Y 向和E、F 点的3 个方向都测得数据具有较高的峭度，但数值均未超过4.5，故可推断应警惕冲击振动，但冲击振动应不是此次的故障源。图3 各测点3 个方向统计量对照图3）概率密度分析概率密度曲线通常呈现正态分布，当曲线出现“浴盆”曲线时，往往说明存在磨损性的故障。绘制概率密度曲线，如图4 所示，由上至下分别是X、Y、Z 轴方向概率密度曲线。分析图可以看出曲线基本服从正态分布，但在DY 方向有出现“浴盆”状的曲线，D 点在减速器低速轴附近，故可推断低速轴位置可能存在磨损性故障。图4 各测点3 个方向概率密度曲线图4）时域分析小结由时域分析的结果可知，可能存在轴或轴承相关的故障，冲击类故障的可能性小，低速轴部分可能有轻微磨损相关故障。3.2 相关分析相关分析分为自相关分析和互相关分析，其中自相关分析可用来识别振动的周期性信号，是齿轮点蚀等故障的有效分析工具，但其不能清晰地表现出齿轮啮合频率的周期特征；而互相关分析可以通过将故障信号与已知故障的历史信号进行相关分析，确认是否存在相同故障，但需要建立在对同一机械大量历史故障数据积累的基础上，适用范围有一定局限性。1）自相关分析绘制各组数据的自相关曲线，可发现各测点3 个方向振动信号均含有周期性成分，图5 为D、E、F 点X向振动信号的自相关曲线图，将自相关曲线图放大后见图6。图5 各测点X 方向自相关曲线对照图图6 F 测点X 方向自相关曲线细化图可以看出每组数据都存在两个周期成分，即调制波周期为0.828 6 s，对应1.207 Hz，接近低速轴转频（1.23Hz）；每两个尖峰之间的时间间距为0.055 18 s，对应18.07 Hz，频率接近低速轴外圈频率（16.88 Hz）。2）轴心轨迹分析轴心轨迹反映轴的不对中情况，在正常情况下轨迹接近圆形，当轨迹呈香蕉形或8 字形时，说明存在轴相关故障。分析图7 所示轴心轨迹可知，B、D 两测点数据绘制的轴心轨迹图均接近于圆形，即接近正常振动时的轴心轨迹图，但F 测点存在一定偏差，其所在位置为卷筒附近，偏差不大可接受。图7 D 测点轴心轨迹图3）相关分析小结相关分析得出低速轴位置可能存在轴不平衡或轴承相关故障，排除不对中故障。3.3 频谱分析频谱分析常用的方法有幅值谱、功率谱、倒谱分析等，其目的在于将复杂的时间历程波形分解成若干单一的谐波分量，从而获得信号的频率组成以及谐波等信息，用于识别可能的故障。1）幅值谱分析将信号进行快速傅里叶变换（FFT），绘制振动信号的幅值谱曲线，比较分析各测点各方向幅值谱可发现D 测点幅值明显较高，最大值发生在Y 方向接近537.3Hz 频率位置，如图8 所示。该频率接近减速器啮合频率2 的二倍频，但没有边频带，且Y 方向对应轴向，排除齿轮故障的可能性，推测为卷筒冲击造成。另外，在低频段有数个能量集中的频率成分，需要进行进一步细化分析，细化后的幅值谱见图9 和图10。图8 D 测点Y 方向幅值谱图图9 D 测点Y 方向幅值谱细化图1图10 D 测点Y 方向幅值谱细化图2由图9 可以看出存在数个能量集中成分，各频率成分呈现周期性，对应频率约为18.03 Hz，频率接近低速轴外圈频率（16.88 Hz），推测低速轴轴承位置存在相关故障；由图10 可得出低频部分存在边频带现象，对应频率为1.23 Hz，等于低速轴转频（1.23 Hz），推测为低速轴转频调制的结果。两周期成分与自相关分析的结果吻合。2）功率谱分析功率谱是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，包括自功率谱和互功率谱，其中自功率谱与幅值谱所能提供的信息量相同。在相同条件下，自功率谱比幅值谱更为清晰，故实用中多采用功率谱分析技术。由图11 通过细化分析得出的结论与幅值谱分析的结果一致。图11 D 测点Y 方向功率谱图3) 倒谱分析倒谱分析是对频域信号取对数后的傅里叶变换，能突出信号能量，主要应用之一是分离边频带信号。当齿轮和滚动轴承发生故障、信号中出现调制现象时，倒谱分析对于检测故障和分析振动信号十分有效。对各组数据绘制倒谱图均可发现图12 中存在两个峰值，并可看出两个峰值分别对应0.055 18 s、0.828 6 s，时间对应的频率分别为18.12 Hz、1.2 Hz，与自相关分析、幅值谱分析、功率谱分析的结果一致，但倒谱图上频率成分更直观。图12 D 测点Y 方向倒谱图4）频谱分析小结多种频谱分析均得出相同结论：低速轴存在轴承相关故障，排除齿轮相关故障的可能性。3.4 时频分析时频分析用来描述一个信号能量随时间和频率同时变化的规律。常用的分析法有Wigner-Ville 分布和Choi-Williams 分布（CWD）。1）Wigner-Ville 分布Wigner-Ville 分布具有明确的物理意义，可被看做信号能量在时域和频域中的分布。通过分析图13 所示数据Wigner-Ville 分布图，当存在点蚀故障时，在Wigner-Ville 分布图的低频带会出现斑点区域，如果存在裂纹故障，在图上会出现啮合频率及其倍频，在本图中只出现了谐频，所以故障并非齿轮点蚀、裂纹等故障。图13 F 测点Y 方向Wigner-Ville 分布图2）Choi-Williams 分布Choi-Williams 分布具有较强的交叉项抑制能力，被广泛地研究和应用。正常状态下振动信号的Choi-Williams分布应为两条直线，分别对应于齿轮的啮合频率及其倍频。取截止频率20 Hz 进行低通滤波后再计算图14 所示的Choi-Williams 分布，查看细化图可以看出时频面存在18 Hz 左右的频率成分，与前述分析结果吻合。图14 F 测点Y 方向Choi-Williams 分布图综上所述，由时频分析可知，设备不存在齿轮点蚀、裂纹等故障，且低速轴轴承存在相关故障。3.5 案例分析结论通过时域、相关、频域、时频分析，排除了冲击故障、齿轮相关故障、轴不对中故障，并将故障锁定低速轴的轴承相关故障。经综合分析可推测：低速轴外圈频率与低速轴通过频率的和差频率接近实测数据分析得出的特征频率18 Hz，这种幅值调制通常是由于齿轮偏心导致啮合一边紧一边松造成，可能是安装滚动轴承时滚动轴承安装误差大，使得保持架座孔和引导面偏载，轴运转时则引起振动，导致异常噪声的产生。由此，建议检修轴承安装，尤其是低速轴轴承，并检测附近保持架是否有异常；设置测试工况，获得同一型号起升机构标况下的振动信号，将本台机构振动信号和标况信号运用互相关分析等方式作对比分析。4 总结使用Matlab 强大的数据处理功能，对减速器振动信号进行时域、相关、频域、时频分析，分析显示各种分析均有自己的功效和突出点，但不同分析方法得到的分析结果一致，故针对不同的故障类型、可针对性地分析指向性明确的振动特征参数进行初步判断，作为对设备状态监测的参量，当这些状态参量显示存在相关故障时，采用更为全面的分析和诊断，进一步确定设备的故障有无、故障类型及故障程度。这种故障诊断和状态监测的思路能较好实现对设备的监测和诊断，对门机的管理、维护，保证设备安全性有重要的意义。参考文献[1] 王建华，谢红委. 振动状态监测在机械设备故障诊断中的应用[J]. 山东冶金，2016(6)：96，97.[2] 褚福磊. 机械故障诊断中的现代信号处理方法[M].北京：科学出版社，2009.[3] 江源泽，宋久文. 振动信号分析技术在齿轮故障诊断中的应用[J]. 冶金设备，2017(S1)：24-26.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章量子中继是在需要接入中继的时候，使用中继的ap量变到质变，电竞新选，铭瑄MS-iCraft B460M入手工业机器人轴承 使其轻松高效地承受较大负载“芯”突破！“小华为”突然发力，掌握重要技术三频WIFI6，MESH路由选它不后悔——Linksys MX12600升级体验

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