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混凝土搅拌机减速机故障诊断的一种新方法

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混凝土搅拌机减速机故障诊断的一种新方法

发布日期:2017-10-17 作者:泰兴市和盛传动机械制造有限公司 点击:


【摘 要】 介绍倒频谱分析的基本原理, 及在齿轮减速箱故障诊断中的应用。针对混凝土搅拌机齿轮减速箱振动信号中调制源多、频率成分复杂, 功率谱中存在大量的非对称边频带及周期性结构信号, 导致故障识别工作困难的问题, 运用倒频谱分析法对其进行故障诊断, 它能将功率谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线, 分离和提取出密集泛频信号中的周期成分、多成分边频, 快速准确诊断混凝土搅拌机齿轮减速箱中零件的故障。


引言

搅拌机是混凝土砌块( 砖) 生产的重要设备, 混凝土搅拌机减速机是其核心组成部件。混凝土搅拌机所使用的减速机类型较多, 其中摆线针轮减速机成本偏高, 维修困难;蜗轮蜗杆减速机效率又偏低。同轴式渐开线硬齿面圆柱齿轮减速机, 是新开发的一种用于卧轴式混凝土搅拌机以及反转出料双锥搅拌机的传动装置[1]。该种齿轮减速箱元件多、结构复杂、功率大、工况差, 是混凝土搅拌机故障发生频率较高的部件之一。混凝土搅拌机齿轮减速箱故障诊断一般采用振动分析法。然而, 由于此齿轮减速箱属于多级传动, 包含的零部件多, 故障类型错综复杂, 当故障发生时, 对于这样同时有多对齿轮啮合的振动频谱图, 每对齿轮啮合都会产生边频带, 几个边频带交叉分布在一起, 仅进行频率细化分析有时还无法看清频谱结构。倒频谱分析由于具有谱线定位准确、幅值突出, 易于区分源信号和系统传递函数, 可较好地识别频域调制信号的边频成分等特点。本文运用倒频谱分析技术对混 凝土搅拌机齿轮减速箱进行故障诊断, 以克服传统频谱分析中的不足。


在故障诊断中倒频谱分析的优点

对振动信号的功率谱作倒频谱变换, 其根本原因是在倒频谱上可以较容易地识别信号的组成分量, 便于提取其中我们所关心的信号成分。在故障诊断中倒频谱分析的突出优点表现为:

1) 倒频谱变换受传输途径的影响很小。通常测得的信号不是振动信号本身, 而是振动信号与传递函数卷积后得到的信号。由于倒频谱的解卷积作用, 使这种卷积关系变为加法关系[2], 而振源与传递函数的倒频谱相互差别很大, 它们在倒谱中是分开的, 这使得对信号的分离变得较为简单。即倒频谱中可保留故障信号, 同时消除了传递系统函数和噪声信号的影响。这一结果也表明用倒频谱来诊断故障信号时, 测量位置的选择要求不是很严格。


2) 倒频谱能够分离和提取出密集泛频信号中的周期成分。倒频谱是对频谱图上周期性频率结构成分的能量做了又一次集中。在功率的对数转换时给低幅值分量有较高的加权, 而对高幅值分量以较低的加权,结果使小周期信号在倒频谱图中得到了突出, 从而使边频现象在倒频谱中得到全面的反映。即倒频谱识别法能将原来谱图上成簇的边频带谱线简化为单根谱线, 高度为频谱中所有该组边频分量高度的平均, 其倒频值τ为边带间距的倒数[3]。


3) 倒频谱扩大了频谱的动态范围, 提高再变换的精度。在功率谱密度图上, 边频间距的分辨率受分析频带的限制, 分析频带越宽, 分辨率也就越低, 甚至使某些边频信号不能分辨出来。为了提高分辨率, 在功率谱图中可以采用细化技术, 但这样又可能丢失某些边频信号。而倒频谱分析不但适宜于检测边频的存在或生存, 并且它能在整个功率谱的范围内求取边频的平均间距, 因而既不会漏掉边频信号, 又能给出非常精确的间距结果。


倒频谱在混凝土搅拌机齿轮减速箱故障诊断中的应用

齿轮减速箱故障按发生部位主要有: 齿轮故障、轴承故障、轴故障等。齿轮箱零件的制造与安装误差、元件故障等都会直接成为振动的激励源, 这些激励源以齿轮轴的回转为周期, 振动信号中包含轴的回转频率及其倍频。当齿轮出现故障, 故障齿轮的振动信号往往表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制, 在谱图上形成以啮合频率为中心, 两个等间隔分布的边频带。由于调频和调幅的共同作用, 最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列边频带群, 边频带反映了故障源信息, 边带的间隔反映了故障源的频率, 幅值的变化反映了故障的程度。


混凝土搅拌机齿轮减速箱振动频谱图中的谱线一般有: 齿轮的转动频率及其低阶谐频、齿轮的啮合频率及其倍频、啮合频率的边频带和齿轮副的各阶固有频率、轴承原始振动和故障振动频率等。由于多个齿轮产生了多种转速频率和啮合频率, 而且常常受到多个调制源的联合作用, 形成了非对称的边带结构,功率谱中包含了很多大小和变化周期都不相同的频率结构, 很难简单地依靠傅立叶变换或者细化谱技术把混杂的周期分量分辨出来。运用倒谱分析可把边带信号分离出来, 使得在功率谱中难以分辨的周期分量在倒谱图中变为离散的线谱, 容易识别其变化和特点。倒谱的高度反映了原功率谱中的周期分量的大小, 倒频值反映了边频带的间距。


2 混凝土搅拌机减速机齿轮减速箱故障诊断分析

以某混凝土砌块生产企业的JS350卧轴式混凝土搅拌机的CJ320C型齿轮减速箱, 作为研究对象, 该减速箱为二级同轴斜齿圆柱齿轮减速机, 结构如图1所示[4]。已知输入功率P=15k W, 输入速n=1450rpm, 齿轮的齿数z1=17, z2=77, z3=19, z4=71, 三对轴承的型号分别为7205C、7208C、7211C。选取箱体垂直方向上的振动信号为故障诊断信号。

混凝土搅拌机减速机倒频谱检测系统。 采 样 频 率2k Hz, 采样点数1024,时间间隔2ms。基本步骤为: ①用PCB480B02加速度传感器及电荷放大器, 测量记录减速箱箱盖垂直方向的振动信号。②用TEAC七通道磁带记录仪进行记录。③在HP3562A动态信号分析仪上进行信号的时域和频域分析。④利用信号处理软件, 对振动信号进行倒频谱分析。


结论

倒频谱分析具有极强的信号识别功能, 能较好地检测功率谱上的周期成分。通常在功率谱上无法对边频的总体水平做出定量估计, 而倒频谱对边频成分具有“概括”能力, 将原来谱上成簇的边频带谱线简化为单根谱线, 可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。

311专用搅拌同步减速机

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