飛剪機(jī)齒輪箱連接螺栓斷裂故障研究分析
2016-9-2 來(lái)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(duì)飛剪機(jī)齒輪箱連接螺栓頻繁斷裂故障，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了剪切過(guò)程中螺栓的應(yīng)力、振動(dòng)以及齒輪箱的振動(dòng)等信號(hào)；在信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)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(dòng)是螺栓頻繁斷裂的主要原因。根據(jù)剪切工藝，對(duì)齒輪箱軸承座的信號(hào)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?yàn)辇X輪箱輸入軸上的齒輪故障。現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)；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(gè)月中斷裂4次，且同其他飛剪機(jī)相比，振動(dòng)明顯偏大，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了該飛剪機(jī)的正常使用。
國(guó)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(dòng)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(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)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(duì)某軋鋼廠齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了全面分析，發(fā)現(xiàn)了整個(gè)傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的不平衡導(dǎo)致齒輪箱異常振動(dòng)嘲；王曉青全面分析了螺栓斷裂原因，并詳細(xì)介紹了振動(dòng)對(duì)螺栓斷裂的影響，提出了連接螺栓的振動(dòng)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(dòng)激勵(lì)【3】。
對(duì)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(wèn)題較多，國(guó)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(jī)，但仍不夠全面。通過(guò)全面深入的理論和試驗(yàn)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(guò)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(duì)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(guò)大引起的螺栓斷裂。
2、模態(tài)分析
為確定螺栓是否會(huì)發(fā)生共振以及振型對(duì)螺栓斷裂的影響，需進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。在模態(tài)提取時(shí)，考慮到實(shí)際系統(tǒng)中存在阻尼，過(guò)高頻率的振動(dòng)對(duì)設(shè)備沒(méi)有嚴(yán)重的損傷作用，因此本文分析頻率不超過(guò)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(yàn)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(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，可全面了解齒輪箱和螺栓的動(dòng)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(chǎng)振動(dòng)測(cè)試
根據(jù)初步分析，主要測(cè)試齒輪箱4根螺栓頂部振動(dòng)，圖1為齒輪箱的測(cè)點(diǎn)布置圖。主要的測(cè)試信號(hào)包括：①螺栓振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。4根螺栓頂部的振動(dòng)信號(hào)，測(cè)點(diǎn)為2#、3#、4#、5#；②轉(zhuǎn)速信號(hào)。輸人軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)，測(cè)點(diǎn)為1#。
3．2信號(hào)采集與分析
編寫程序，對(duì)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(duì)同一工況下測(cè)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(hào)
根據(jù)剪切工藝，測(cè)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(dòng)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(dòng)信號(hào)對(duì)所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)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(cè)點(diǎn)2能量最大，如表2所示。
圖2齒輪箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4、故障分析
基于靜力學(xué)、模態(tài)分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，運(yùn)用故障振動(dòng)診斷理論，確定螺栓斷裂原因、箱體振動(dòng)原因并且找出振源。
表2螺栓各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)能量
4．1箱體振動(dòng)分析
一般而言，箱體振動(dòng)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(cè)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(duì)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(dòng)頻譜分析，齒輪振動(dòng)信號(hào)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(duì)齒輪質(zhì)量大，這種包含固有頻率的高頻振動(dòng)當(dāng)經(jīng)過(guò)曲折途徑傳到齒輪箱時(shí)一般已經(jīng)衰減了，多數(shù)情況只能測(cè)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(jì)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(shí)頻率對(duì)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(shí)，嚙合頻率和測(cè)得振動(dòng)信號(hào)的特征頻率均相當(dāng)接近，可說(shuō)明齒輪五和磊這一對(duì)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(dòng)信號(hào)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(jiàn)，在274Hz右側(cè)和288Hz右側(cè)的兩個(gè)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(gè)區(qū)域能量集中，與303．4782Hz的間隔約為7．45Hz。
4．1．2箱體振動(dòng)原因分析
根據(jù)齒輪機(jī)構(gòu)故障的振動(dòng)特征嗍，若某對(duì)齒輪的嚙合頻率對(duì)應(yīng)的峰值較高，則說(shuō)明該對(duì)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(shuō)明該軸上的齒輪出現(xiàn)故障。因此可以說(shuō)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(dòng)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(dòng)。在更換調(diào)整偏心套后，箱體振動(dòng)消失，螺栓不再斷裂。
5、結(jié)論
本文針對(duì)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(yàn)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(chǎng)檢修工作證明了本文結(jié)論的正確性。本文工作對(duì)解決這一類減速器振動(dòng)故障提供了有效的方法，也為其設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)。
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