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飛剪機(jī)齒輪箱連接螺栓斷裂故障研究分析

2016-9-2 來源：江蘇亞威機(jī)床股份有限公司作者：楊建軍潘恩海朱蔚石磊

摘要：針對飛剪機(jī)齒輪箱連接螺栓頻繁斷裂故障，通過現(xiàn)場試驗，獲得了剪切過程中螺栓的應(yīng)力、振動以及齒輪箱的振動等信號；在信號分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對螺栓靜力學(xué)和模態(tài)分析的結(jié)果，確定了齒輪箱異常振動是螺栓頻繁斷裂的主要原因。根據(jù)剪切工藝，對齒輪箱軸承座的信號進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)了同剪切速度極其相關(guān)的邊頻帶，最終確定了其直接原因為齒輪箱輸入軸上的齒輪故障。現(xiàn)場維修發(fā)現(xiàn)了齒輪箱輸入軸的軸承偏心套磨損，證明了本文工作的有效性。

關(guān)鍵詞：飛剪機(jī)；齒輪箱；故障研究；螺栓斷裂；頻譜分析；異常振動；邊頻帶

飛剪機(jī)是帶鋼精整生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。我公司生產(chǎn)的某飛剪機(jī)使用中，齒輪箱連接螺栓在6個月中斷裂4次，且同其他飛剪機(jī)相比，振動明顯偏大，這些問題嚴(yán)重影響了該飛剪機(jī)的正常使用。

國內(nèi)外學(xué)者在齒輪箱故障診斷上做了大量研究工作。李曉虎在基于齒輪箱振動及調(diào)制邊頻帶形成機(jī)理的分析上，提出用譜平均及倒頻譜分析相結(jié)合的方法，對監(jiān)測系統(tǒng)的輸出信號進(jìn)行頻域分析，診斷齒輪箱故障?；戚曉麗利用細(xì)化功率譜和倒頻譜對某軋鋼廠齒輪箱振動信號進(jìn)行了全面分析，發(fā)現(xiàn)了整個傳動裝置產(chǎn)生的不平衡導(dǎo)致齒輪箱異常振動嘲；王曉青全面分析了螺栓斷裂原因，并詳細(xì)介紹了振動對螺栓斷裂的影響，提出了連接螺栓的振動響應(yīng)主要取決于連接螺栓的模態(tài)特性和被連接件傳遞給螺栓的振動激勵【3】。

對于高速重載的齒輪箱，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、干擾較大，涉及問題較多，國內(nèi)外學(xué)者雖然在其典型故障機(jī)理研究和特征提取方面取得了一定的成績，但仍不夠全面。通過全面深入的理論和試驗研究，并結(jié)合剪切工藝，確定了齒輪箱輸入軸軸線偏斜是其連接螺栓頻繁斷裂的直接原因；隨后的檢修也證明了本文工作的有效性。本文的工作可豐富高速重載的齒輪箱故障診斷的研究方法。

1、靜力學(xué)分析

為確定是否由于預(yù)緊力過大引起螺栓斷裂，進(jìn)行了靜應(yīng)力分析。基于有限元方法，對螺栓一端加軸向額定載荷900kN，得到螺栓在退刀槽處最大應(yīng)力為749MPa，而螺栓的最大屈服應(yīng)力為1100MPa。因此可排除由預(yù)緊力過大引起的螺栓斷裂。

2、模態(tài)分析

為確定螺栓是否會發(fā)生共振以及振型對螺栓斷裂的影響，需進(jìn)一步對其進(jìn)行模態(tài)分析。在模態(tài)提取時，考慮到實際系統(tǒng)中存在阻尼，過高頻率的振動對設(shè)備沒有嚴(yán)重的損傷作用，因此本文分析頻率不超過1000Hz【4】。表1給出了螺栓的前6階固有頻率及振型特征。

表l螺栓前6階固有頻率

3、試驗研究

由模態(tài)分析確定了螺栓的固有頻率和振型，但齒輪箱是一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗研究，可全面了解齒輪箱和螺栓的動態(tài)變化規(guī)律，為進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷螺栓斷裂原因提供依據(jù)。

3．1現(xiàn)場振動測試

根據(jù)初步分析，主要測試齒輪箱4根螺栓頂部振動，圖1為齒輪箱的測點布置圖。主要的測試信號包括：①螺栓振動信號測量。4根螺栓頂部的振動信號，測點為2#、3#、4#、5#；②轉(zhuǎn)速信號。輸人軸的轉(zhuǎn)速信號，測點為1#。

3．2信號采集與分析

編寫程序，對所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析。本文給出分析均針對同一工況下測量數(shù)據(jù)進(jìn)行，其他工況數(shù)據(jù)的分析結(jié)果均有很好的相似性。

3．2．1轉(zhuǎn)速信號

根據(jù)剪切工藝，測得兩種速度輸入分別為6．85叩s和7．45rps。根據(jù)圖2的齒輪箱傳動比，可得到輸出速度分別為9．36 rps和10．18 rps。3．2．2螺栓頂部的振動信號對所有振動測點進(jìn)行時域和輸入軸頻域分析，所有頻域結(jié)果在281．1241Hz、303．6976Hz以及其倍頻處存在能量集中，測點2能量最大，如表2所示。

圖2齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖

4、故障分析

基于靜力學(xué)、模態(tài)分析和試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，運(yùn)用故障振動診斷理論，確定螺栓斷裂原因、箱體振動原因并且找出振源。

表2螺栓各測點振動能量

4．1箱體振動分析

一般而言，箱體振動是由于齒輪箱中某些零件失效，零件失效比例分別為：齒輪60％、軸承19％、軸10％、箱體7％、緊固件3％、油封l％嘲。由于軸承的故障頻率同測得的特征頻率有明顯差距，由此可以排除軸承故障舊。進(jìn)而對齒輪進(jìn)行分析，找出振源。

4．1．1齒輪運(yùn)行狀態(tài)分析

診斷齒輪故障有多種方法，其中最常用的方法是振動頻譜分析，齒輪振動信號中包含多種頻率成分，其中主要的有3種【7】：

(2)固有頻率

齒輪固有頻率一般為1～10kHz，而且該齒輪箱的兩對齒輪質(zhì)量大，這種包含固有頻率的高頻振動當(dāng)經(jīng)過曲折途徑傳到齒輪箱時一般已經(jīng)衰減了，多數(shù)情況只能測得齒輪的嚙合頻率網(wǎng)。

(3)邊頻帶

根據(jù)圖2中各齒輪齒數(shù)和式(1)可計算出各嚙合頻率，由圖6可確定特征頻率，表3給出了在轉(zhuǎn)速6．85rps和7．45rps時頻率對比情況。

表3齒輪箱轉(zhuǎn)速和頻率

從表3可明顯看出，兩種輸入轉(zhuǎn)速時，嚙合頻率和測得振動信號的特征頻率均相當(dāng)接近，可說明齒輪五和磊這一對齒輪存在故障。為進(jìn)一步判斷出現(xiàn)故障的齒輪，需進(jìn)行振動信號的邊頻帶分析。

圖3、圖4分別給出了特征頻率281．1241Hz和303．4782Hz處的邊頻帶信息，可看出：①由圖3可見，在274Hz右側(cè)和288Hz右側(cè)的兩個區(qū)域能量集中，與281．1241Hz的間隔約為6．85Hz；②由圖4可知，在296Hz右側(cè)和311Hz處的兩個區(qū)域能量集中，與303．4782Hz的間隔約為7．45Hz。

4．1．2箱體振動原因分析

根據(jù)齒輪機(jī)構(gòu)故障的振動特征嗍，若某對齒輪的嚙合頻率對應(yīng)的峰值較高，則說明該對齒輪存在故障；邊頻帶的間隔若等于某根軸的旋轉(zhuǎn)頻率，則說明該軸上的齒輪出現(xiàn)故障。因此可以說明：①輸入軸z。齒輪可能出現(xiàn)一定故障；②結(jié)合圖3和圖4的頻率特征，此故障也應(yīng)是導(dǎo)致螺栓振動斷裂的振源。

在隨后檢修中發(fā)現(xiàn)，因齒輪箱輸入軸的軸承偏心套磨損，引起嚙合齒輪兩軸線不平行，產(chǎn)生異常振動。在更換調(diào)整偏心套后，箱體振動消失，螺栓不再斷裂。

5、結(jié)論

本文針對飛剪機(jī)齒輪箱連接螺栓頻繁斷裂故障，進(jìn)行全面系統(tǒng)的理論和試驗研究，確定了齒輪箱的輸入軸上的齒輪故障是螺栓頻繁斷裂的主要原因。齒輪箱的現(xiàn)場檢修工作證明了本文結(jié)論的正確性。本文工作對解決這一類減速器振動故障提供了有效的方法，也為其設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)。

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