区分滚动轴承故障与齿轮故障的方法

目前齿轮箱故障诊断方法是以箱体振动信号来展开研究的，信号在传递过程中经过的环节很多，主要包括：齿轮→轴→轴承→轴承座→测点，这样会导致部分信号在传递过程中衰减或受调制。另外，由于齿轮箱结构复杂，工作条件多样，箱内多对齿轮和滚动轴承同时工作。所以传感器所提取的振动信号中，频率成分复杂，干扰大，不易区分，要确定其中某类故障模式就存在一定难度。滚动轴承故障产生的振动信号能量要比齿轮或轴系故障产生的振动信号能量小，其故障信号很容易被淹没在其他振动信号中，故障特征更不明显，这为确定轴承故障特征频率增加了很大难度。

对齿轮箱的诊断核心问题是如何判断轴承存在问题还是齿轮存在问题。下面介绍一种简易诊断方法，来区分两者的故障特征。首先，在齿轮箱的4个轴承座上分别安装振动加速度传感器；然后，分别计算每个振动信号的均方根值；再利用相对比较标准设定报警线，当只有一个点出现问题时，则是滚动轴承出现故障；当4个点同时超过报警线，则可以断定是齿轮出现问题，如图7-8所示。

图7-8 齿轮箱简易诊断示意图

除了简易的特征值诊断方法外，也可以通过频谱分析的方法实现对齿轮箱的诊断分析。下面以具体例子来说明诊断的过程。

齿轮箱型号为H3SH10B（FLENDER），齿轮总速比为1520.9/38=40.023。该齿轮箱自2007年2月发现有周期性的噪声存在。随后曾两次计划停机检查齿轮箱，结果并没有发现齿轮明显损伤。2007年11月现场噪声越加尖锐，产生的强振动给板带的产品质量也带来了一定影响。为进一步诊断产生该噪声的根源并消除故障，2007年11月11日对该齿轮箱进行了振动数据的采集和分析。

根据齿轮箱结构图（见图7-9），分别针对每根轴上轴承所在位置在水平、垂直和轴向方向上设置了测点。从资料上查阅出了每根轴上的轴承型号，计算出每个轴承的故障特征频率，见表7-4。

表7-4 H3SH10B齿轮箱内轴承故障特征频率

注：f₁、f₂、f₃、f₄——所在轴转速频率。

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图7-9 H3SH10B齿轮箱结构图

根据现场参数可推算出齿轮箱输入轴转速为1419r/min，即输入轴转频f₁=23.65Hz。测量中间轴Ⅰ轴承座上的振动信号进行分析，从中间轴Ⅰ的时域图（见图7-10）可以看出：两个高强脉冲之间的时间间隔为0.0853s，相当于11.72Hz，由此可推算出中间轴Ⅰ的转速为（11.72×60）r/min=703r/min。在中间轴Ⅰ的速度频谱图（见图7-11）中存在110.9Hz频率成分及其高次谐波，且都带有11.72Hz的边带。经过换算可以得到：110.9Hz=9.47（中间轴Ⅰ速比）×11.72Hz（中间轴Ⅰ转频）。对照H3SH10B齿轮箱的轴承故障特征频率表，发现中间轴Ⅰ轴承32312的内圈故障特征频率为9.436f₂，与所计算得到的速比9.47非常接近。

图7-10 中间轴Ⅰ的时域图（2007-11-11）

图7-11 中间轴Ⅰ的频谱图（2007-11-11）

经过上面数据的分析判断，并结合以往停机检查的结果，可确诊该齿轮箱中间轴1轴承32312存在严重损伤。齿轮箱内所发出的周期性异常噪声很可能是轴承损坏引起齿轮啮合不良而产生的。在2007年12月13日按计划停机更换该轴承，结果发现：拆下的32312轴承内圈180°范围内严重剥落，轴承滚动体研磨，外圈麻点疲劳磨损。

更换轴承开机后的第二天进行检测，发现振动频谱中原轴承故障特征频率消失，振动速度值降低，如图7-12所示，现场周期性异常噪声也随之消除，运行状态良好。

图7-12 中间轴1更换轴承后的振动频谱图（2007年12月14日）