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飛（fēi）剪（jiǎn）機齒輪箱連接螺栓斷裂故障研究分析

2016-9-2 來源：江蘇（sū）亞威機床股份有限公司作者：楊（yáng）建軍潘（pān）恩海朱蔚石磊

摘（zhāi）要：針對飛剪機齒輪箱連接螺（luó）栓頻繁斷裂故障，通過現場試驗（yàn），獲得了（le）剪切過（guò）程中螺栓的（de）應力（lì）、振動以（yǐ）及齒輪箱的（de）振動等信號；在信號分析的基礎上，結合對螺栓靜力學和（hé）模態分析的結果，確定（dìng）了齒輪箱異（yì）常振動是螺栓頻繁斷裂的主要原因。根據剪切工藝，對（duì）齒輪箱軸承座的信號進一步分析，發（fā）現了同剪切速度極（jí）其相關的邊頻帶，最終確定了其直接原因為齒輪箱輸入軸上的齒輪（lún）故障。現場維修發現了齒輪箱輸入軸的軸承偏心（xīn）套磨損，證明了本文（wén）工作的有效（xiào）性。

關鍵詞：飛剪機；齒輪箱；故障研究；螺栓斷（duàn）裂；頻譜分析；異（yì）常振動（dòng）；邊頻（pín）帶

飛剪機是帶鋼精（jīng）整（zhěng）生產的（de）關鍵設備。我公司（sī）生產的某飛剪機使用中，齒輪箱（xiāng）連接（jiē）螺栓在6個月（yuè）中斷裂4次（cì），且同（tóng）其他飛（fēi）剪機相比，振動明顯偏（piān）大，這些問題嚴重影響了該飛剪機（jī）的正常使用。

國內外學者在齒輪箱故障診（zhěn）斷上做了大量研究工作。李曉（xiǎo）虎在（zài）基於齒輪箱振動及調製邊頻帶形成機理的（de）分析上，提（tí）出用譜平（píng）均及倒頻譜（pǔ）分析相結合的方法，對監測係統的輸出信號進行頻域分析，診斷齒輪箱故障（zhàng）⋯；戚曉麗利用細化功（gōng）率（lǜ）譜和倒頻譜（pǔ）對某軋（zhá）鋼廠齒輪箱振動信號進行了全麵分析，發現了整個傳動裝置產生的（de）不平衡導（dǎo）致齒輪箱異常振動嘲；王曉（xiǎo）青全麵分析了螺栓斷裂（liè）原因，並詳細介紹了振動對螺栓斷裂的影響，提出（chū）了連（lián）接螺栓的振動響應主要取決於連接（jiē）螺栓的模（mó）態（tài）特性和被連接件（jiàn）傳遞給螺栓（shuān）的振動激勵【3】。

對於高速重載的齒（chǐ）輪箱，由於其結構複雜、工作環境惡（è）劣、幹擾較大，涉及問題較多，國內（nèi）外學（xué）者雖然在其典型故障機理研究和特征提取方麵取得了一定的成績，但仍不夠全麵。通（tōng）過全麵深入的理論和試驗（yàn）研究，並結合剪切工藝，確定了齒輪箱輸（shū）入（rù）軸軸線偏斜是其連接螺栓頻繁斷裂的直（zhí）接原因；隨後的檢修也證明了（le）本文工作的有效性。本（běn）文的工作可豐富高速重載的（de）齒輪箱故（gù）障診斷的研究方法。

1、靜力學（xué）分（fèn）析

為確（què）定是否（fǒu）由於預緊力過大引起螺栓斷裂，進行了靜應力分析（xī）。基於有（yǒu）限元方法，對螺栓（shuān）一端加軸向額（é）定載荷900kN，得到螺栓在退刀槽（cáo）處最大應力為（wéi）749MPa，而螺栓的最大屈服應力為1100MPa。因此可排除由預（yù）緊力過大引起的螺栓斷裂。

2、模態分析

為確定螺栓是（shì）否會發生共振以及振型對螺栓斷裂的（de）影響，需進一步對其進（jìn）行模態分析。在模態提取（qǔ）時，考慮到實際係統中存在阻尼，過高頻率的振動對設備沒有嚴重的損傷作用，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（zhēng）。

表l螺栓前6階固有頻率

3、試驗研究

由模態分析確定了（le）螺（luó）栓的固（gù）有（yǒu）頻率和振型，但齒輪箱是一個複雜的動力學係統，通過現場試驗研究，可（kě）全麵了解齒輪箱和螺（luó）栓（shuān）的動態變化（huà）規律，為進（jìn）一步準確判斷螺栓斷（duàn）裂原因提供依據。

3．1現場振（zhèn）動測試

根據初步分析，主要測試齒輪箱4根螺栓頂部振動，圖（tú）1為齒輪箱的測點布（bù）置圖。主要（yào）的測試（shì）信（xìn）號包括：①螺栓振（zhèn）動信號測量（liàng）。4根螺栓頂部的振動信號，測點為2#、3#、4#、5#；②轉速信號。輸人軸的轉速信號，測點為1#。

3．2信號采集與分析

編寫程序，對所有采集數（shù）據進行處理（lǐ）及分析。本文給出分析均針對同一工況下測量（liàng）數（shù）據進行，其他工況數據的分析結果均有很好的相（xiàng）似（sì）性。

3．2．1轉速信（xìn）號

根據剪切工藝，測得兩種速度輸入（rù）分別為6．85叩s和7．45rps。根（gēn）據圖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（dǐng）部的振動（dòng）信（xìn）號對所有振動測點進（jìn）行時域和輸（shū）入軸頻域分析，所有頻域結果在281．1241Hz、303．6976Hz以及其倍頻（pín）處存在能量集中，測（cè）點2能量最大，如表2所示。

圖2齒輪（lún）箱結構簡圖

4、故障分析

基（jī）於（yú）靜力學、模態分析和試驗數據分析結果，運（yùn）用故障（zhàng）振（zhèn）動診斷理（lǐ）論，確定螺栓斷裂原因、箱體振動原因並且找（zhǎo）出振源。

表2螺栓各測點振動（dòng）能（néng）量

4．1箱體振（zhèn）動（dòng）分析

一（yī）般而言，箱體振動是由（yóu）於齒輪箱中某些零件失效，零件失效比例分（fèn）別為：齒輪60％、軸承19％、軸10％、箱體7％、緊固件3％、油封l％嘲。由於軸承的故障頻率同測得（dé）的特征頻率有明顯差距，由此可以排除軸（zhóu）承故障舊（jiù）。進而對齒輪進行分析，找出振源。

4．1．1齒輪運行狀態（tài）分（fèn）析

診斷齒輪故障有多種（zhǒng）方法（fǎ），其（qí）中最常用的方法是振動頻（pín）譜分析，齒輪振動（dòng）信號中包含多種（zhǒng）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（lún）箱的兩對齒輪質量大（dà），這種包含固有（yǒu）頻率的高頻振動當經過曲折（shé）途徑傳到齒輪箱時一般已經衰減了，多數情況（kuàng）隻能測得齒輪的齧合（hé）頻率網。

(3)邊頻帶（dài）

根據圖2中各齒輪齒（chǐ）數和式（shì）(1)可計算（suàn）出各齧合頻率，由圖6可確定特征頻率，表（biǎo）3給出了在轉速6．85rps和7．45rps時（shí）頻率對比情況。

表3齒輪（lún）箱轉速和（hé）頻率

從表3可明顯看出，兩種輸入轉速時（shí），齧合頻率和測得振動（dòng）信號的特（tè）征頻率均相當接近，可說明齒輪（lún）五和磊這一對齒輪存在故障。為進一步判斷出現故障的齒輪，需（xū）進行振動信號的邊頻帶分析（xī）。

圖3、圖4分別給出了特征頻率（lǜ）281．1241Hz和303．4782Hz處的邊頻帶信息，可看（kàn）出：①由圖3可見，在274Hz右側和288Hz右側的兩個區域能量集（jí）中，與281．1241Hz的間隔約為6．85Hz；②由（yóu）圖4可（kě）知（zhī），在296Hz右側和311Hz處的兩個區域能量（liàng）集中，與303．4782Hz的間隔（gé）約為7．45Hz。

4．1．2箱體振（zhèn）動原因分析

根據齒輪機構故障的振動特（tè）征嗍，若某對齒（chǐ）輪的齧（niè）合頻率對應的峰值較高，則說明該對齒輪（lún）存在故障（zhàng）；邊頻帶的間隔若等於某根軸的旋轉頻率，則說明該軸上的齒輪出現故障。因此可以說明：①輸入軸z。齒輪可能（néng）出現一定故障；②結合圖3和圖4的頻率特征，此故障也應是導致螺栓振動斷裂的（de）振源。

在隨後檢修中發現，因齒輪箱輸（shū）入軸的軸承偏心（xīn）套磨損，引起齧合齒輪兩軸線不平行，產生（shēng）異常振動。在更（gèng）換調整（zhěng）偏心套後，箱體振動（dòng）消失，螺栓不再斷裂。

5、結論

本文針對飛剪機（jī）齒輪（lún）箱連接螺栓頻繁斷裂故障，進行全麵係統的理（lǐ）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（xiāng）的現場（chǎng）檢（jiǎn）修（xiū）工作證明了本文結論的正（zhèng）確性。本文工作（zuò）對解決這一類減速器振動故障提供了有（yǒu）效的方法（fǎ），也為其設計提供了一定的指導。

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