沈 晴 蘇運波 曹 沛上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125
摘 要：基於經典振動分析方法, 總結了減速器3 類常見故障（軸故障、齒輪故障、軸承故障）在振動方面的特徵。利用Matlab 數據處理和信號分析功能，採用時域分析、相關分析、頻域分析、時頻分析等方法，結合已知的減速器基本參數，從不同角度挖掘信號中的故障信息，進行故障推斷，並以案例的形式介紹了對某型門座起重機起升機構減速器故障診斷的具體執行過程，得出診斷結果。對該機減速器故障診斷的研究，能彌補其狀態監測與故障診斷的不足，保證其運行的安全高效性，提升設備管理水平。
關鍵詞：門座起重機；振動信號；減速器；故障診斷；數據處理
中圖分類號：TH213.4：TP391.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）07-0119-06
0 引言門座起重機（以下簡稱門機）是運用最廣泛的港口裝卸設備之一，目前部分門機使用起重機監控系統進行設備的狀態監測和管理，但該系統僅能夠對電氣方面的信號進行記錄、存儲，缺乏對設備機械信號的監測，使對於門機狀態的診斷結果在可靠性和準確性方面存在較大的不足。隨著港機設備狀態監測和故障診斷的要求不斷提升，現有的狀態監測已不能滿足需求。本文研究基于振動信號的門機減速器故障診斷，利用振動監測技術，能在不拆裝或少拆裝的情況下，通過多種分析方法結合的方式能實現對設備的狀態監測及診斷，能彌補門機的現有狀態監測方面的不足，使對於門機的狀態監測和診斷更為全面、準確。
1 設備及參數1.1 設備概況本次檢測的設備為起升機構減速器在平穩工作情況下通過按照對稱布置的方式布置有6 個三向加速度傳感器測得。機構和傳感器布置的平面圖如圖1 所示，其中A、B 兩個傳感器布置在減速器高速軸附近殼體上，C、D 兩個傳感器在減速器低速軸附近殼體上，E、F 兩個傳感器在捲筒外側支座上。
1.2 設備參數及相關頻率本次實驗分析的減速器為一個四軸減速器，速比為19.564。四軸承的具體參數見表1，相關的軸轉速和齒輪的嚙合頻率參數見表2，本次實驗通過6 個3 向加速度傳感器獲得了18 組振動信號。
圖1 傳感器布置圖
2 常見故障的振動特徵及診斷思路2.1 軸故障的振動特徵軸的故障主要包括不平衡和不對中故障。不平衡故障主要體現在轉頻的一倍頻，振動幅值方面，方向以徑向為主，且振幅受轉速影響較大；轉速增大時振幅增長很快，轉速下降時，處共振範圍外，振幅可趨近於零。不對中故障出現時，頻率成分中二倍頻的幅值會突出，有時會伴隨有較為清楚的三倍頻或更高倍頻，而在振動幅值方面，軸向振動會明顯，當軸向振動超過徑向振動的50% 時，往往預示存在不同軸故障。另外，相比不平衡故障，不對中故障信號的振幅與轉速關係不大。
2.2 齒輪故障齒輪相關故障較多，主要有齒面磨損、負荷增大、齒輪徑向間隙過大，齒輪遊隙不穩定，安裝或生產誤差等，其主要特徵為會產生齒輪嚙合頻率及其高次諧頻成分的幅值增大；齒輪嚙合頻率或固有頻率及其諧頻為載頻，齒輪所在軸轉頻及其倍頻為調製邊頻。
2.3 軸承故障軸承相關故障（這裡是滾動軸承）主要振動機理是滾動軸承各運動副中由於磨損、點蝕、裂紋、表面脫落等引起的周期性脈衝激勵，故障類型可分為內圈、外圈、滾動體、保持架和生產安裝故障，其主要特徵是振動頻率成分中含有故障零件的通過頻率與軸的轉頻，且含調幅、調頻的成分。
2.4 減速器診斷思路通過對振動信號進行時域、各階統計量、概率密度、延時域、頻譜、時頻等分析，可判斷故障的有無和需要進行具體分析的信號。之後運用穆勒五法中的契合差異並用法，結合其他的分析方式，對減速器的三類故障進行肯定和否定判斷，最終對設備狀態做出判斷。
3 異響減速器故障診斷案例分析故障診斷對象是門機起升機構減速器，在巡檢過程中發現起升機構在正常工作狀態下有輕微異響，屬於一種異常的機械噪聲。利用前述測點布置方式獲得了6 個測點的3 向振動信號，即共獲得18 組實測數據，然後將按照給定的思路分步對這18 組數據進行分析。本次案例選取起升機構的一臺減速器進行分析，即以B、D、F 點的數據舉例分析，共9 組數據。
3.1 時域分析時域分析是機械故障診斷較為原始和直觀的依據，能反映振動信號幅值的大小及變化規律，也能反映振動信號中有無劇烈衝擊、畸變等情況，是設備運行狀態初步判斷的有效依據，同時，通過時域波形能識別判斷振動信號中有無簡諧、周期、脈衝信號分量，通常情況下，當設備處於正常平穩運行狀態時，時域圖應無周期性脈衝信號。
1）時域波形分析首先對試驗獲得的9 組數據進行時域分析，通過Matlab 的繪圖功能，繪製振動隨時間的響應曲線（X 為水平徑向、Y 為軸向、Z 為垂直徑向），分析圖可以看出每組數據都存在明顯的調製信號，且軸向振動幅值較大，圖2 為F 測點3 個方向的時域圖。存在調製信號的現象說明可能存在振動相關故障，如齒輪故障和軸承故障；軸向振動幅值較大說明可能存在軸故障，如軸不對中故障。
圖2 F 測點3 個方向時域圖
2）時域特徵參量振動信號時域特徵參量可作為信號的統計特徵分析的依據，其中旋轉機械振動分析中經常用到的有峰峰值、均方差、峭度。峰峰值又稱通頻幅值，反映振幅大小；均方差用於描述振動相對於零值的波動情況，反映減速器振動的平穩水平，且能代表能量水平；峭度反映信號概率密度函數峰頂的凸平度，是對衝擊靈敏的物理量，正常情況下，峭度指標約為3，數值過大（超過8）往往預示有相關故障。對各階統計量分析的曲線如圖3 所示。
由圖3 可知，3 個測點的Y 向均有較大峰值，Y 向對應軸向，說明減速器可能存在軸不對中故障；據均方差值可知D 測點Y 向具有最大能量值，其餘測點和方向的能量值均不大；D 點Y 向和E、F 點的3 個方向都測得數據具有較高的峭度，但數值均未超過4.5，故可推斷應警惕衝擊振動，但衝擊振動應不是此次的故障源。
圖3 各測點3 個方向統計量對照圖
3）概率密度分析概率密度曲線通常呈現正態分布，當曲線出現「浴盆」曲線時，往往說明存在磨損性的故障。繪製概率密度曲線，如圖4 所示，由上至下分別是X、Y、Z 軸方向概率密度曲線。分析圖可以看出曲線基本服從正態分布，但在DY 方向有出現「浴盆」狀的曲線，D 點在減速器低速軸附近，故可推斷低速軸位置可能存在磨損性故障。
圖4 各測點3 個方向概率密度曲線圖
4）時域分析小結由時域分析的結果可知，可能存在軸或軸承相關的故障，衝擊類故障的可能性小，低速軸部分可能有輕微磨損相關故障。
3.2 相關分析相關分析分為自相關分析和互相關分析，其中自相關分析可用來識別振動的周期性信號，是齒輪點蝕等故障的有效分析工具，但其不能清晰地表現出齒輪嚙合頻率的周期特徵；而互相關分析可以通過將故障信號與已知故障的歷史信號進行相關分析，確認是否存在相同故障，但需要建立在對同一機械大量歷史故障數據積累的基礎上，適用範圍有一定局限性。1）自相關分析繪製各組數據的自相關曲線，可發現各測點3 個方向振動信號均含有周期性成分，圖5 為D、E、F 點X向振動信號的自相關曲線圖，將自相關曲線圖放大後見圖6。
圖5 各測點X 方向自相關曲線對照圖
圖6 F 測點X 方向自相關曲線細化圖
可以看出每組數據都存在兩個周期成分，即調製波周期為0.828 6 s，對應1.207 Hz，接近低速軸轉頻（1.23Hz）；每兩個尖峰之間的時間間距為0.055 18 s，對應18.07 Hz，頻率接近低速軸外圈頻率（16.88 Hz）。
2）軸心軌跡分析軸心軌跡反映軸的不對中情況，在正常情況下軌跡接近圓形，當軌跡呈香蕉形或8 字形時，說明存在軸相關故障。分析圖7 所示軸心軌跡可知，B、D 兩測點數據繪製的軸心軌跡圖均接近於圓形，即接近正常振動時的軸心軌跡圖，但F 測點存在一定偏差，其所在位置為捲筒附近，偏差不大可接受。
圖7 D 測點軸心軌跡圖
3）相關分析小結相關分析得出低速軸位置可能存在軸不平衡或軸承相關故障，排除不對中故障。
3.3 頻譜分析頻譜分析常用的方法有幅值譜、功率譜、倒譜分析等，其目的在於將複雜的時間歷程波形分解成若干單一的諧波分量，從而獲得信號的頻率組成以及諧波等信息，用於識別可能的故障。
1）幅值譜分析將信號進行快速傅立葉變換（FFT），繪製振動信號的幅值譜曲線，比較分析各測點各方向幅值譜可發現D 測點幅值明顯較高，最大值發生在Y 方向接近537.3Hz 頻率位置，如圖8 所示。
該頻率接近減速器嚙合頻率2 的二倍頻，但沒有邊頻帶，且Y 方向對應軸向，排除齒輪故障的可能性，推測為捲筒衝擊造成。另外，在低頻段有數個能量集中的頻率成分，需要進行進一步細化分析，細化後的幅值譜見圖9 和圖10。
圖8 D 測點Y 方向幅值譜圖
圖9 D 測點Y 方向幅值譜細化圖1
圖10 D 測點Y 方向幅值譜細化圖2
由圖9 可以看出存在數個能量集中成分，各頻率成分呈現周期性，對應頻率約為18.03 Hz，頻率接近低速軸外圈頻率（16.88 Hz），推測低速軸軸承位置存在相關故障；由圖10 可得出低頻部分存在邊頻帶現象，對應頻率為1.23 Hz，等於低速軸轉頻（1.23 Hz），推測為低速軸轉頻調製的結果。兩周期成分與自相關分析的結果吻合。
2）功率譜分析功率譜是在頻域中對信號能量或功率分布情況的描述，包括自功率譜和互功率譜，其中自功率譜與幅值譜所能提供的信息量相同。在相同條件下，自功率譜比幅值譜更為清晰，故實用中多採用功率譜分析技術。由圖11 通過細化分析得出的結論與幅值譜分析的結果一致。
圖11 D 測點Y 方向功率譜圖
3) 倒譜分析倒譜分析是對頻域信號取對數後的傅立葉變換，能突出信號能量，主要應用之一是分離邊頻帶信號。當齒輪和滾動軸承發生故障、信號中出現調製現象時，倒譜分析對於檢測故障和分析振動信號十分有效。對各組數據繪製倒譜圖均可發現圖12 中存在兩個峰值，並可看出兩個峰值分別對應0.055 18 s、0.828 6 s，時間對應的頻率分別為18.12 Hz、1.2 Hz，與自相關分析、幅值譜分析、功率譜分析的結果一致，但倒譜圖上頻率成分更直觀。
圖12 D 測點Y 方向倒譜圖
4）頻譜分析小結多種頻譜分析均得出相同結論：低速軸存在軸承相關故障，排除齒輪相關故障的可能性。
3.4 時頻分析時頻分析用來描述一個信號能量隨時間和頻率同時變化的規律。常用的分析法有Wigner-Ville 分布和Choi-Williams 分布（CWD）。
1）Wigner-Ville 分布Wigner-Ville 分布具有明確的物理意義，可被看做信號能量在時域和頻域中的分布。通過分析圖13 所示數據Wigner-Ville 分布圖，當存在點蝕故障時，在Wigner-Ville 分布圖的低頻帶會出現斑點區域，如果存在裂紋故障，在圖上會出現嚙合頻率及其倍頻，在本圖中只出現了諧頻，所以故障並非齒輪點蝕、裂紋等故障。
圖13 F 測點Y 方向Wigner-Ville 分布圖
2）Choi-Williams 分布Choi-Williams 分布具有較強的交叉項抑制能力，被廣泛地研究和應用。正常狀態下振動信號的Choi-Williams分布應為兩條直線，分別對應於齒輪的嚙合頻率及其倍頻。取截止頻率20 Hz 進行低通濾波後再計算圖14 所示的Choi-Williams 分布，查看細化圖可以看出時頻面存在18 Hz 左右的頻率成分，與前述分析結果吻合。
圖14 F 測點Y 方向Choi-Williams 分布圖
綜上所述，由時頻分析可知，設備不存在齒輪點蝕、裂紋等故障，且低速軸軸承存在相關故障。
3.5 案例分析結論通過時域、相關、頻域、時頻分析，排除了衝擊故障、齒輪相關故障、軸不對中故障，並將故障鎖定低速軸的軸承相關故障。經綜合分析可推測：低速軸外圈頻率與低速軸通過頻率的和差頻率接近實測數據分析得出的特徵頻率18 Hz，這種幅值調製通常是由於齒輪偏心導致嚙合一邊緊一邊松造成，可能是安裝滾動軸承時滾動軸承安裝誤差大，使得保持架座孔和引導面偏載，軸運轉時則引起振動，導致異常噪聲的產生。由此，建議檢修軸承安裝，尤其是低速軸軸承，並檢測附近保持架是否有異常；設置測試工況，獲得同一型號起升機構標況下的振動信號，將本臺機構振動信號和標況信號運用互相關分析等方式作對比分析。
4 總結使用Matlab 強大的數據處理功能，對減速器振動信號進行時域、相關、頻域、時頻分析，分析顯示各種分析均有自己的功效和突出點，但不同分析方法得到的分析結果一致，故針對不同的故障類型、可針對性地分析指向性明確的振動特徵參數進行初步判斷，作為對設備狀態監測的參量，當這些狀態參量顯示存在相關故障時，採用更為全面的分析和診斷，進一步確定設備的故障有無、故障類型及故障程度。這種故障診斷和狀態監測的思路能較好實現對設備的監測和診斷，對門機的管理、維護，保證設備安全性有重要的意義。
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