（4）振動(dòng)故障分析
根據(jù)第1、2節(jié)故障頻率計(jì)算公式，各軸承的振動(dòng)故障頻率見下表：
表4-l軸承的振動(dòng)故障頻率 （頻率單位：Hz）
| 軸承型號(hào) |
故障類型 |
內(nèi)圈
剝落 |
外圈
剝落 |
鋼球
剝落 |
內(nèi)滾道
不圓 |
保持架不平衡 |
外圈有點(diǎn)蝕 |
內(nèi)圈有點(diǎn)蝕 |
| 故障頻率 |
| f1 |
f0 |
fb |
f，2f，3f，… |
fci |
f0，2 f0，… |
f，2f，… |
23152
（Ⅰ、Ⅳ軸） |
243.3 |
187.9 |
146.5 |
19.2，39.2，58.8，78.4，… |
11.1 |
187.9,375,8,
563.7，… |
243.3,486.6,
729.9,973.2，… |
24148
（Ⅰ、Ⅳ軸） |
231.5 |
180.1 |
153.4 |
19.2，39.2，58.8，78.4，… |
11.0 |
180.1,360.2,
540,3，… |
231.5,463.0,
694.5,926.0，… |
24056
（Ⅱ、Ⅲ軸） |
304.9 |
249.5 |
243.6 |
25.2,50.4,75.6, 100.8，… |
13.9 |
249.5,499,
748.4，… |
304.9,609.8,
914.7，… |
24148
（Ⅱ、Ⅲ軸） |
312.8 |
241.6 |
197.2 |
25.2,50.4,75.6, 100.8，… |
14.2 |
241.6.483.2,
724.8,966,4，… |
312.8,625.6,
938.4，… |
齒輪故障振動(dòng)頻率計(jì)算如下：
fz1.2=Z1f=45×19.6=882Hz；fz3.4=Z3f=882 Hz
(5）振動(dòng)故障分析
在譜圖4-3上，五個(gè)最大振動(dòng)速度譜峰所對(duì)應(yīng)的頻率分別是：245Hz,97OHz,990Hz,4OHz，485Hz。對(duì)照表1,245Hz,485Hz,970Hz分別和I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障頻率243.3Hz,486,6Hz,973.2Hz接近，也和II、III軸上的24148軸承外圈點(diǎn)蝕故障頻率241.6Hz,483.2Hz,966.4Hz接近。另外，99OHz是97OHz和I、Ⅳ工V軸軸頻19.6Hz的調(diào)制。因此可以說(shuō)明I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈可能發(fā)生了點(diǎn)蝕。譜圖4-3上的4OHz對(duì)應(yīng)兩倍I、IV軸軸頻（=39.2Hz)，說(shuō)明減速機(jī)輸入軸和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有些不對(duì)中。
在譜圖4-4上，五個(gè)最大振動(dòng)速度譜峰所對(duì)應(yīng)的頻率分別是：970Hz,240Hz,99OHz,485Hz,95OHz。其中970Hz的振動(dòng)速度為0.8llmm/s，已超過一級(jí)報(bào)警值0.65mm/s。對(duì)照表4-l,240Hz,485Hz,970Hz分別和I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障頻率243.3Hz,486.6Hz,973.2Hz接近，也和II、III軸上的24148軸承外圈點(diǎn)蝕故障頻率241.6Hz,483.2Hz,966.4Hz接近。另外，950Hz和99OHz對(duì)應(yīng)97OHz和I、IV軸一倍軸頻19.6Hz的調(diào)制。因此可以說(shuō)明I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈可能發(fā)生了點(diǎn)蝕。
在譜圖4-5上，五個(gè)最大振動(dòng)速度譜峰所對(duì)應(yīng)的頻率分別是：235Hz, 935Hz,955Hz,117OHz,895Hz。對(duì)照表4-1,235Hz,935Hz,1170Hz分別和I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障頻率233.4Hz,933.5Hz,1175Hz接近。另外，955Hz和895Hz分別對(duì)應(yīng)935Hz和I、IV軸一倍軸頻19.6Hz和兩倍軸頻39.2Hz的調(diào)制。因此可以說(shuō)明I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈發(fā)生了點(diǎn)蝕。
在譜圖4-6上五個(gè)最大振動(dòng)速度譜峰所對(duì)應(yīng)的頻率分別是：235Hz,700Hz,935Hz,117OHz,720Hz。對(duì)照表4-l,235Hz,70OHZ,935Hz,117OHz分別對(duì)應(yīng)I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障頻率。另外，72OHz對(duì)應(yīng)700Hz和I、IV軸一倍軸頻18.8Hz的調(diào)制。因此可以說(shuō)明I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈發(fā)生了點(diǎn)蝕。
在譜圖4-7上，振動(dòng)速度非常明顯的譜峰只有一條，所對(duì)應(yīng)的頻率是：235Hz。對(duì)照表4-l，它和I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障頻率233.4Hz接近，也和II、III軸上的24148軸承外圈點(diǎn)蝕故障頻率231.7Hz非常接近。
在譜圖4-8上，振動(dòng)速度非常明顯的譜峰也只有一條，所對(duì)應(yīng)的頻率是：235Hz。對(duì)照表4-1，它和I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障頻率233.4Hz接近，也和II、III軸上的24148軸承外圈點(diǎn)蝕故障頻率231.7Hz非常接近。
(6）結(jié)論
綜合以上分析，該減速機(jī)主要故障發(fā)生在I、IV軸上的23152軸承內(nèi)圈上，也可能發(fā)生在Ⅱ、III軸上的24148軸承外圈上，故障類型為點(diǎn)蝕。振動(dòng)速度雖然超過了一級(jí)報(bào)警值0.56mm/s，但離二級(jí)報(bào)警值較遠(yuǎn)。由于該機(jī)組未到大修時(shí)間，中間不允許停機(jī)檢修，故要定期監(jiān)測(cè)該減速機(jī)機(jī)組，密切注視該減速機(jī)機(jī)組運(yùn)行情況。
4.3 基于雙時(shí)基技術(shù)的減速機(jī)箱蓋振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)重要工具，為評(píng)價(jià)設(shè)備的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)水平并為設(shè)備故障診斷排除非故障頻率提供了科學(xué)的依據(jù)。模態(tài)試驗(yàn)中，用裝有力傳感器的手錘進(jìn)行的沖擊激勵(lì)由于具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施力方便、測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)場(chǎng)模態(tài)試驗(yàn)中獲得了較廣泛的應(yīng)用。但由于這種方法受沖擊產(chǎn)生的脈沖寬度窄以及激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)采用的等時(shí)基采樣使得沖擊激勵(lì)的頻域細(xì)化倍數(shù)不能太高，影響了傳遞函數(shù)頻率分辨率和導(dǎo)納精度，因而模態(tài)參數(shù)的識(shí)別精度也就低（對(duì)有密集模態(tài)的結(jié)構(gòu)尤其嚴(yán)重）。激勵(lì)和響應(yīng)如采用兩種不同時(shí)基采樣（即雙時(shí)基采樣）技術(shù)即可解決沖擊激勵(lì)法傳遞函數(shù)頻率分辨率和精度的矛盾，提高了工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析質(zhì)量。本文以某減速機(jī)箱體上蓋的模態(tài)分析為例，介紹了變時(shí)基技術(shù)在沖擊激勵(lì)法模態(tài)分析中的應(yīng)用。
4.3.1 雙時(shí)基傳遞函數(shù)技術(shù)
當(dāng)用脈沖激勵(lì)對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞函數(shù)分析時(shí)，一方面，大型工程結(jié)構(gòu)（如汽車、減速機(jī)箱體等）固有頻率低，需要低頻采樣（即大的采樣時(shí)基）才能保證較高的分辨率精度；另一方面，由于脈沖力的作用時(shí)間非常短，如要采準(zhǔn)信號(hào)，采樣時(shí)間間隔△t必須非常小，即需要很高的采樣頻率。對(duì)于響應(yīng)和激勵(lì)采用相同時(shí)基、相同窗長(zhǎng)的傳遞函數(shù)分析方法是無(wú)法克服以上兩方面的矛盾。為了解決脈沖力激勵(lì)系統(tǒng)低頻結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的分辯率和精度的矛盾，本文采用一種不同時(shí)基采樣為基礎(chǔ)的傳遞函數(shù)變窗長(zhǎng)細(xì)化分析方法，簡(jiǎn)單介紹如下：
設(shè)脈沖激勵(lì)x(t）和響應(yīng)信號(hào)y（t）分別采用小時(shí)基△t1和大時(shí)基△t2采樣，關(guān)系如下：
△t2=m△tl (4-13)
式中m為細(xì)化倍數(shù)。
通過以上的采樣處理，可以得到較多的脈沖信號(hào)，從而保證力譜幅值和相位的精度。采樣后得到T1、T2兩個(gè)窗長(zhǎng)。
T1=N△t1、T2= N△t2、T2=m*T1 (4-14)
上式中N為采樣點(diǎn)數(shù)
分析時(shí)，可以根據(jù)需要的導(dǎo)納精度和頻率分辨率，改變時(shí)基和窗長(zhǎng)，從而定出細(xì)化倍數(shù)m，得到一個(gè)“雙時(shí)基、雙窗長(zhǎng)”的離散時(shí)間序列。對(duì)這個(gè)離散的時(shí)間序列進(jìn)行FFT變換，并采用巧妙的軟件技術(shù)，可使傳遞函數(shù)H(n △f）的分辨率提高m倍．
H（n △f）=Y（n △f）/X（n △f） （4-16）
式中△f=
。
4.3.2 減速機(jī)箱蓋模態(tài)實(shí)驗(yàn)
(l）支撐方案的確定
通常采用橡皮繩將減速機(jī)箱蓋懸吊起來(lái)，雖然可使減速機(jī)箱蓋獲得近似自由支撐狀態(tài)，但不易得到減速機(jī)箱蓋全部的模態(tài)，另外，試驗(yàn)費(fèi)用也較高。本實(shí)驗(yàn)采用減速機(jī)箱體箱蓋停放在地面，由木塊支撐。
(2）試驗(yàn)頻段的選擇和采樣頻率的確定
試驗(yàn)頻段的選擇應(yīng)綜合考慮減速機(jī)箱蓋在實(shí)際條件下可能的激振頻率范圍和有限元計(jì)算要求。在本實(shí)驗(yàn)中，選取0-5OOHz為試驗(yàn)頻段。響應(yīng)采樣頻率為125OHz。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，力通道采樣頻率為1OkHz。此時(shí)變時(shí)基細(xì)化倍數(shù)為10000/1250=8。傳遞函數(shù)的頻率分辨率則為△f=1250/1024=1.22Hz，符合模態(tài)分析精度的要求。
(3）激振錘的選擇
激振錘的選擇包括激振錘大小的選擇和激勵(lì)點(diǎn)數(shù)的選擇。激振錘的大小選擇應(yīng)充分考慮激勵(lì)能否提供足夠的能量，把所需要頻段內(nèi)的模態(tài)全部激發(fā)出來(lái)。激勵(lì)點(diǎn)數(shù)有單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)兩種，它的選擇應(yīng)考慮比較激振錘激振方便和傳感器安裝方便。由于減速機(jī)箱體只有2T重，高度也不大，且我們感興趣的頻段為O-500Hz，故我們用5kg的DFC-2型高性能聚能力錘進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì)，傳感器采用多點(diǎn)移步拾振。
(4）測(cè)點(diǎn)布置的安排
測(cè)點(diǎn)布置包括測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)數(shù)量和測(cè)量方向的選擇。測(cè)點(diǎn)的布置既要能夠明確反映箱蓋所有的模態(tài)又要保證我們所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點(diǎn)（如傳感器布置點(diǎn)、外力作用點(diǎn)、重要的響應(yīng)點(diǎn)、部件或結(jié)構(gòu)的聯(lián)接點(diǎn)）都在所選的測(cè)點(diǎn)之中。
根據(jù)以上要求，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上選取了71個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖4-9為測(cè)點(diǎn)布置圖。
(5）測(cè)試系統(tǒng)和模態(tài)分析軟件
測(cè)試系統(tǒng)見圖4-10。
（6）減速機(jī)箱體上蓋模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
減速機(jī)箱體上蓋振動(dòng)模態(tài)可分為減速機(jī)箱體上蓋側(cè)滾（剛體模態(tài)）、減速機(jī)箱體上蓋整體振動(dòng)、減速機(jī)箱體上蓋彎曲和減速機(jī)箱體上蓋頂蓋局部振動(dòng)。
振動(dòng)模態(tài)參數(shù)如下表4-2。上蓋第三、六彈性模態(tài)的對(duì)應(yīng)振型見圖4-11和圖4-12所示。
表4-2 振動(dòng)模態(tài)參數(shù)
| 振型形式 |
模態(tài)參數(shù) |
| 頻率（Hz） |
阻尼（%） |
| 剛體模態(tài)（側(cè)滾） |
21.09 |
3.365 |
| 頂部局部振動(dòng) |
26.58，96.07，122.97，319.17 |
1.755，1.529，1.667，0.305 |
| 頂部彎曲振動(dòng) |
39.98，50.61，55.49，71.67，
419.87，474.76 |
3.131，1.874，1.928，2.609，0.854，0.372 |
| 整體振動(dòng) |
192.62，202.97，223.92，239.42，2
49.48，443.66 |
1.023，2.136，0.622，0.626，0.803，0.603 |
圖4-13是測(cè)點(diǎn)1垂直方向的傳遞函數(shù)及相干函數(shù)圖，其它點(diǎn)的傳遞函數(shù)圖由于篇幅關(guān)系省略。
(6）用模態(tài)參數(shù)對(duì)減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷提供幫助
這次減速機(jī)箱體模態(tài)分析試驗(yàn)共做出了17個(gè)模態(tài)，從振型動(dòng)畫圖和振型數(shù)據(jù)看出，減速機(jī)箱體上蓋頂部振動(dòng)稍大一些，因此在布置振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器時(shí)，傳感器不能放在減速機(jī)箱體上蓋頂部。振動(dòng)模態(tài)參數(shù)可以幫助從監(jiān)測(cè)信號(hào)中區(qū)分出那些是傳動(dòng)元件的振動(dòng)故障頻率，哪些是減速機(jī)箱體的振動(dòng)固有頻率，從而為減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷提供幫助。顯然，在運(yùn)行中箱體（包括箱蓋）出現(xiàn)的固有頻率與由于試驗(yàn)條件情況不同而有差別，這點(diǎn)是要注意的。
4.4 小結(jié)
l 分析研究減速機(jī)傳動(dòng)元件的故障振動(dòng)頻率，尤其是調(diào)心滾子軸承的故障振動(dòng)頻率，對(duì)減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷是至關(guān)重要的。
2 基于變時(shí)基技術(shù)為基礎(chǔ)的沖擊激勵(lì)模態(tài)分析方法設(shè)備簡(jiǎn)單、頻率分辨率高、成本低、測(cè)試快是進(jìn)行減速機(jī)箱體動(dòng)態(tài)分析的有效手段，也能對(duì)減速機(jī)箱體的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)水平進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。
3 減速機(jī)箱體模態(tài)分析的結(jié)果可為今后故障診斷區(qū)別剔除信號(hào)中可能出現(xiàn)的減速機(jī)箱體固有振動(dòng)的成分。
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