案例研究：诊断低速变速箱问题

几个月前，我被要求帮助诊断一家与造纸业相关的大型工厂的疑似齿轮箱问题。有问题的变速箱有一个带 23 齿小齿轮的输入轴，驱动一个 132 齿的大齿轮，进而驱动另一个相同尺寸的大齿轮。两个齿轮连接到直径约 24 英寸的大型钢辊上。两个输出齿轮以 52 rpm 的速度旋转，小齿轮以 302 rpm 的速度旋转（见图 1）。

图 1.

变速箱内的​​润滑油定期进行分析，上次报告说油中有铁颗粒。维修主管问我们是否可以确定油污染的来源，我们做的第一件事就是检查在轴承附近测量的振动谱。

光谱看起来很正常，没有轴承音的迹象，所以我们怀疑金属来自一个或多个齿轮（见图 2）。然后问题就变成了识别故障齿轮（如果有的话），以便立即进行维护工作。

图 2.

时域信号的同步平均已经存在很长时间了，但在我看来，它在机器问题诊断中的使用还远远不够。无论如何，我们决定对齿轮箱振动特征进行同步平均。

这涉及在振动分析仪中使用转速计衍生的同步触发器来收集一系列平均在一起的波形样本。其中重要的部分是每个时间记录的开始必须在所讨论的齿轮旋转的完全相同的时间发生。

这允许来自齿轮的整个振动信号在时域平均值中被强调，并且来自其他齿轮、轴转速和轴承音调等的所有振动分量被平均掉。这会产生一个时间波形，显示齿轮上的各个齿，而机器的其他部件几乎没有污染。

在做同步平均时，分析仪的分析参数被调整，使时间记录长度跨越齿轮上一圈的时间。这很容易实现，因为时间记录长度 (T) 是频谱中 FFT 行间距 (DF) 的倒数。这只是选择频率跨度和线数的问题，因此 1/DF 大于 1 除以以赫兹 (Hz) 为单位的齿轮速度。

当然，可以查看同步波形的频谱，但我们没有费心这样做，因为波形提供了所需的信息。

使用同步平均时，使用的平均次数必须相当多；一般在100左右附近。对于此处描述的测试，我们使用了 90 个平均值。 （设置详情请参见图 3。）

图 3.

在许多同步平均的情况下，时间记录比频谱更有趣，因为频谱不包含时间信息，并且时域显示齿轮啮合中的任何不规则性。在这种情况下，所有的光谱都没什么特别的，只是显示了齿轮啮合频率和一些谐波。

当我们对两个大齿轮中的每一个进行同步平均时，波形中没有任何缺陷的迹象。但是，当我们对小齿轮进行相同的测试时，波形讲述了另一个故事。齿轮上有一个明显的区域，与大齿轮的啮合噪音很大且不均匀（见图4）。

图 4.

看到这个数据，我们要求检查齿轮，但维修负责人持怀疑态度，说这个齿轮箱运行了20年没有任何问题，振动更大。但我们坚持，最后取下了一个检修板，以便我们可以查看齿轮。

我们发现小齿轮轴中的键槽磨损严重，以至于齿轮可以在轴上来回旋转齿轮边缘处的约二分之一齿。轴和小齿轮的孔之间也有明显的间隙。大齿轮没有损坏的迹象。

我们打电话给变速箱厂的一位工程师，描述了情况。他说，在安装过程中，小齿轮和轴之间的过盈配合太松，就会出现问题。他说轴和小齿轮必须很快更换，以避免发生灾难性故障。

这让原本以为变速箱不需要大修的维修人员信了。从那时起，该工厂的振动监测项目越来越受到人们的欢迎和尊重。

如前所述，同步平均并不是一项新技术，但在工业中似乎很少使用。这不是一件困难的事情，并且可能会导致有关机器的信息几乎不可能通过任何其他方式获得。此外，市场上有许多分析仪可以做到这一点，从小型电池供电装置到大型电源供电系统。

以下小齿轮照片说明了损坏情况：

图 5. 这张照片显示了齿轮在轴上来回转动导致小齿轮孔中的剥落。

图 6。这张照片显示了轮齿侧面的磨损。

图 7。这张照片是受损牙齿边缘的特写。注意接触区域末端的镦粗金属。

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