高速齿轮机构异常振动探讨与监测分析

卞 磊

（国家能源集团宁夏煤业煤制油化工 安装检修分 公司 750411）

摘 要：多轴式压缩机齿轮机构开展振动监测，本文着重从理论、实践两方面针对齿轮机构故障开展理论研究与监测实践。本文对齿轮机构异常振动与故障进行研究与监测积累经验，在实践中应用振动理论针对设备故障进行较为符合实际的分析，为设备故障监测与预防性维修提供有益信息。

关键词：齿轮;啮合;振动特征;监测

1 前言

在现代化工装置大型机组中，齿轮机构是一种广泛应用机构，它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力。齿与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是:结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长、能保证恒定的传动比，而且其传递的功率和适用的速度范围大。故齿轮机构广泛用于机械传动中。但是齿轮机构的制造安装费用高、低精度齿轮传动的噪声大。

在大型空分装置中多使用轴式压缩机，这种设计有着装置效率高、结构紧凑等优点。通常驱动机与压缩机中间轴大齿轮相连接，再同时驱动多个小齿轮轴，小齿轮轴两侧悬臂安装压缩机叶轮、轴承，蜗壳安装在轴承箱两侧。本文着重从理论、实践两方面针对齿轮机构故障开展理论研究与监测实践。

2 齿轮啮合振动及故障发生机理

  齿轮传动是机械设备中最常用的传动方式，广泛应用于各行各业，作为传递运动和动力的齿轮装置几乎在任何大型设备中都具有重要的作用。齿轮失效又是诱发机器故障的重要因素，所以对齿轮箱准确的诊断，对降低设备维修费用、防止突发性事故、减少生产损失具有重要意义。

2.1 齿轮振动故障形成原因

相互啮合的一对齿轮，其轮齿的弹性刚度会发生周期性的变化。轮齿弹性刚度的变化使齿的弯曲量也随之变化，便造成轮齿在进出啮合区时发生互相碰撞，引起齿轮产生频率等于啮合频率的振动和噪声。齿轮受到外界持续传动力的作用，产生的瞬态自由振动，当故障非常严重时，往往还会激起的箱体自然频率振动。齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。

2.2.齿轮振动故障类型

齿轮箱是结构复杂的速度调节系统，包含齿轮（轴）组、轴承、外部箱体等。其中箱体在整个系统中起支撑与密封作用，故障率较低；故障主要集中发生在齿轮、轴承、转动轴中。根据振动信号的特点，常见的故障形式有：齿轮的啮合振动、齿轮的固有频率振动、齿轮磨损引起的振动、齿轮不同轴引起的振动、齿轮局部异常引起的振动。

2.3 齿轮故障振动机理

齿轮传动的特点是，啮合过程中啮合点的位置和参与啮合的齿数都是周期性变化的，这就造成了齿轮轮齿的受力和刚度成周期性变化，由此而引起的振动必然含有周期性成分，反映这个周期性特征信息的就是啮合频率及其高次谐波。
  显然，齿轮的啮合冲击、节线冲击、啮合刚度的变化是周期性的，而这个周期性变化的频率，就是啮合频率。实际上，在一个1/fm啮合周期中，发生了进入啮合、脱离啮合、节线冲击等多次冲击过程，因此在齿轮的振动信号中必然包含了啮合频率fm及其高次谐波成分。 

2.4 频率的调制现象 

幅值调制:齿轮的幅值调制是由于齿面上的载荷波动、齿轮加工误差（如齿距不均）、齿轮偏心以及齿轮故障所产生的局部性缺陷和均布性缺陷等因素引起的，也就是说只要有齿轮故障就会有幅值调制。其中频率相对较高的称为载波频率，频率较低的称为调制频率。对于齿轮信号来说，通常啮合频率为载波频率，齿轮的旋转频率为调制频率。
3 齿轮故障的监测与诊断

3.1 某公司GR 56-6空分压缩机齿轮监测

3.1.1设备情况

压缩机1到3级组成第一级组；压缩机4到6级组成第二级组。已经从第一级组下游抽取了一部分工艺气体，并提供给下游工艺。轴通过叶轮将驱动器产生的机械能传递给工艺气体。齿轮轴支撑大齿轮。小齿轮轴1到3分别支撑一个小齿轮和两个叶轮。驱动轴4支撑一个小齿轮。驱动轴将驱动汽轮机的转速和力矩传递给齿轮压缩机。下午为压缩机数据表：

名称	参数	单位
额定功率	23950	kW
小齿轮轴数目	3	-
带大齿轮的大齿轮轴的速度	1896	rpm
大齿轮齿的数目	227	-
驱动轴的速度	4348	rpm
驱动轴上齿的数目	99	-
小齿轮轴1的速度	11327	rpm
小齿轮轴1上齿的数目	38	-
小齿轮轴2的速度	14348	rpm
小齿轮轴2上齿的数目	30	-
小齿轮轴3的速度	17218	rpm
小齿轮轴3上齿的数目	25	-

3.1.2在线监测数据

在线监测系统中机组振动值、直流量及相位趋势基本稳定，由于电涡流传感器的特性采用频宽有限、高频率的齿轮振动特征很难捕捉。

3.1.3离线监测

下表为压缩机齿轮箱的部分参数，根据Ｆ_啮合=f₁×Z₁=f₂×Z₂计算可得齿轮啮合频谱为7173Hz，设置相应的离线监测采样规则（由于设备的采集频宽限制分析频率上限为20000Hz）。

名称	参数	单位
额定功率	23950	kW
小齿轮轴数目	3	-
带大齿轮的大齿轮轴的速度	1896	rpm
大齿轮齿的数目	227	-
驱动轴的速度	4348	rpm
驱动轴上齿的数目	99	-
小齿轮轴1的速度	11327	rpm
小齿轮轴1上齿的数目	38	-
小齿轮轴2的速度	14348	rpm
小齿轮轴2上齿的数目	30	-
小齿轮轴3的速度	17218	rpm
小齿轮轴3上齿的数目	25	-
啮合频率	7173	Hz
分析频率上限	20000	Hz
分析频率下限	2	Hz
分析线数	12800	线
分辨率	1.56	Hz/线

按照设备结构与运行参数建立了监测模型，对压缩机各级壳振进行了监测。在采集大齿轮轴壳振数据时，发现振动频谱中存在明显的f_m为7173Hz齿轮啮合频谱特征，齿轮啮合频率两侧幅值很高的边带，齿轮的旋转调制另一个齿轮的转速啮合频谱与边频带的差值约为f_r=31.6Hz，预示着大齿轮的运行出现了问题。在圆坐标图上齿轮的运作中振动过程非常明显这组数据中每个周期出现约多组尖峰。它们是以载波频率fm为中心，以调制频率fr为间隔，形成对称分布的多对的边带。

在监测数据中周期信号齿轮调制频率的成分虽然较多，但在时域上是一条幅度变化较小、脉动周期较长的包络线，频谱图上边频带的特点是分布比较高而窄，而且幅值变化起伏较大，这种特征比较符合在点蚀、划痕（胶合）、局部磨损断裂等分布比较均匀的缺陷。在随后的检修中这种现象也有了印证。

4 本文总结

本文从理论上研究了齿轮故障特征产生的机理和振动特征，运用离线监测手段进行数据采集并进行实践，分析了设备运行过程中齿轮振动波形和频谱图特征，对齿轮可能存在的故障进行分析预判，为设备故障的预防与健康管理作出了有益尝试。

参考文献

【1】徐敏，黄邵毅.设备故障诊断手册【M】西安交通大学出版社，1998.

【2】杨国安.齿轮故障诊断使用技术 中国石化出版社，2012.

【3】杨隽.齿轮箱故障诊断基础 ，2019.