齒輪箱中滾動軸承的診斷技巧、應用實例及經驗總結！
齒輪箱運行狀態往往直接影響到傳動設備能否正常工作。
一、振動檢測技術在齒輪箱中應用的特點
對齒輪箱的故障診斷，目前普遍採用的是基於振動技術的診斷方法，它通過提取齒輪箱軸承座上或齒輪箱殼體中上部的振動信號，運用適當的信號處理技術，分析可能出現的故障特徵資訊，以判斷發生故障性質及部位。
振動檢測技術是基於機械設備在動態下(包括正常和異常狀態)都會產生振動這一事實，振動的強弱及其包含的主要頻率成分和故障的類型、程度、部位以及原因等有著密切的聯繫。
振動檢測技術中對於振動信號分析的方法通常有頻譜分析法、倒頻譜分析法、時域分析法、包絡分析法等。
二、齒輪箱中滾動軸承故障的特點
一般情況下，當齒輪箱發生故障時，故障的特徵頻率會大量出現諧波，同時其周邊會存在許多邊頻帶。由於引起故障的原因很多，許多故障的振動現象不是單一的，軸承故障特徵頻率也會受到調製。
當齒輪箱滾動軸承出現故障時，在滾動體相對滾道旋轉過程中，常會產生有規律的衝擊，
當齒輪箱滾動軸承出現嚴重故障時，在齒輪振動頻段內可能會出現較為明顯的故障特徵頻率成分。這些成分有時單獨出現，有時表現為與齒輪振動成分交叉調製，出現和頻與差頻成分，和頻與差頻會隨其基本成分的改變而改變田。
三、齒輪箱中滾動軸承故障診斷的難點
1．確定齒輪箱中間傳動軸的轉速難
齒輪箱通常具有多級結構，每級傳動產生不同的速比。一般情況下。齒輪箱廠家僅提供齒輪總速比，並不詳細提供每級傳動速比以及齒輪齒數，這為準確判斷中間傳動軸的軸承故障增加了難度。確定每根傳動軸的轉速，是正確分析判斷軸承故障的關鍵，因為軸承故障特徵頻率是與軸承結構尺寸及軸的轉速相關。軸承的結構尺寸(滾子直徑、滾子分佈圓直徑、接觸角)以及軸承滾子數量等是內在凶素，是由軸承製造商決定的。而轉速是屬外在因素，同一軸承在不同的轉速上，軸承的故障特徵頻率不同。
2．確定頻譜中故障特徵頻率成分難
目前齒輪箱故障診斷方法是以箱體振動信號進行研究的，信號在傳遞過程中經過的環節很多，例如齒輪信號傳遞會經過以下環節：齒輪—軸—軸承一軸承座一測點，這樣會導致部分信號在傳遞過程中衰減或受調製。另外，由於齒輪箱結構複雜，工作條件多樣，箱內多對齒輪和滾動軸承同時工作，頻率成分多且複雜，各種干擾較大。所以感測器所提取的振動信號中，各信號頻率雜、多且不易區分，確定其中某故障特徵頻率就存在一定難度。滾動軸承故障產生的振動信號能量要比齒輪或軸系故障產生的振動能量小，其故障信號很容易被淹沒在其他振動信號中，故障特徵更不明顯，這為確定軸承故障特徵頻率增加了很大難度。
四、齒輪箱中滾動軸承故障診斷實例
齒輪箱型號H3SH1OB(FLENDER)，齒輪總速比1520．9／38=40．023，結構見圖1。
該齒輪箱自2017年2月發現現場有週期雜訊，如同齒輪嚙合不良產生的週期衝擊。這之後，車間曾兩次計畫停機檢查齒輪箱，結果並沒有發現齒輪明顯損傷。2007年11月現場雜訊越加尖銳，產生的高振動給產品品質也帶來了一定影響。為進一步診斷產生該雜訊的根源並消除故障，11月11日對該齒輪箱進行了振動資料獲取並分析。
根據齒輪箱結構圖，分別對每根軸上的軸承所在位置從水準、垂直和軸向設置了測 點。從資料上查閱出了每根軸上的軸承型號，以SKF作參考廠家計算出每個軸承的故障特徵頻率，見表1。
根據推算出齒輪箱輸入軸轉速在1419r／min，即輸入軸轉頻f。=23．65Hz。分析輸入軸的振動速度頻譜，發現頻譜中有非常明顯的1 10．9Hz的異常頻率及其諧波(圖2)，並有大量邊頻帶。頻率 1 10．9Hz---4．69(輸入軸轉頻倍數)x23．65Hz(輸入軸轉頻)。該諧波不像是齒輪的嚙合頻率，很可能是某軸承的故障特徵頻率。假定該異常頻率為軸承故障特徵頻率，從諧波周圍可計算出1 1．72Hz的邊頻帶。因資料中只提供了該齒輪箱的總速比為40．023，不能一一確定每根軸的實際轉速，這就需要從頻譜中捕捉軸轉速資訊。
分析中間軸I振動速度頻譜，頻譜中有明顯的11．72Hz的頻率，特別在時域圖(圖3)中捕捉到了11．72Hz的高強度脈衝。因為中間軸I的轉頻是11．72Hz，即703r/min。這樣頻譜中的110．9Hz的頻率將變為1 10．9Hz=9．47(中間軸I轉頻倍數)×11．72Hz(中間軸1轉頻)。對照H3SHIOB齒輪箱內軸承故障特徵頻率表，發現中間軸I軸承32312的內圈故障特徵頻率9．436x11．72Hz(此時f2=11.72Hz)與頻譜中的9．47x11．72Hz非常接近。在系統中輸入置32312軸承內圈故障特徵頻率，頻譜中的110．9Hz的頻率就是軸承32312的內圈故障特徵頻率(圖4)。
經過上面資料的分析判斷，並結合以往停機檢查的結果，可確診該齒輪箱中間軸I軸承32312存在嚴重損傷。齒輪箱內所發出的週期性異常雜訊很可能是軸承損壞引起齒輪嚙合不良產生的。
劃停機更換軸承。拆下的32312軸承內圈180°範圍嚴重剝落，軸承滾動體研磨，外圈麻點疲勞磨損。
更換軸承開機後的第二天檢測，發現振動頻譜中原軸承故障特徵頻率消失，振動速度值降低(圖5)現場週期性異常雜訊也隨之消除，運行狀態良好，產品品質也明顯好轉。
五、關於齒輪箱中滾動軸承故障診斷經驗
通過對齒輪箱故障的認真研究，結合現場故障診斷經驗，在對齒輪箱中滾動軸承診斷時，筆者總結出以下幾點需要注意的事項。
1．清楚齒輪箱內部結構及軸承故障特點
要知道齒輪箱內基本結構，比如齒輪是何種模式、傳動軸有幾根、每根軸上有哪些軸承和什麼型號的軸承等。因為知道哪些軸和齒輪是高速重載，可以幫助確定測點的佈置；知道電動機轉速和各傳動齒輪的齒數、傳動比，呵以幫助確定各傳動軸的轉頻、嚙合頻率；知道各軸承座等滾動軸承的型號，可以説明確定各軸承的故障特徵頻率。另外，還要清楚軸承故障的特點。一般情況F．齒輪嚙合頻率是齒輪數及轉頻的整倍數，而軸承故障特徵頻率卻不是轉頻的整倍數。清楚齒輪箱內部結構及軸承故障特點，是lE確分析齒輪箱中滾動軸承故障的首要前提。
2．盡可能在每根傳動軸所在的軸承座上測量振動
在齒輪箱殼體上不同位置的測點，由於信號傳遞路徑不同。因而對同一激勵的響應也有所差異。齒輪箱傳動軸所在的軸承座處對軸承的振動回應比較敏感，此處設置監測點可以較好地接收軸承振動信號，而殼體中上部比較靠近齒輪的嚙合點，便於監測齒輪的其他故障。
3．儘量從水準、垂直和軸向三個方向去測量振動
測點的選擇要兼顧軸向、水準與垂直方向，不一定所有位置都要進行三個方向的振動測量。如帶散熱片的齒輪箱，其輸入軸的測點就小方便檢測。甚至某些軸承設置在軸的中間位置，部分方向的振動也不方便測，此時可有選擇的設置測點方向。但重要的部位，一般要進行三個方向的振動測量，特別注意不要忽略軸向振動測量，因為齒輪箱內很多故障都會引起軸向振動能量與頻率變化。另外，同一測點多組振動資料還可為分析判斷所在傳動軸轉速提供足夠的資料參考，並為進一步診斷出哪端的軸承故障更嚴重些而獲得更多的參數依據。
4．測量要兼顧高低頻段振動，選擇相應的測最範圍和感測器
齒輪箱振動信號中包含有【司有頻率、傳動軸的旋轉頻率、齒輪的嚙合頻率、軸承故障特徵頻率、邊頻族等成分，其頻帶較寬。對這種寬頻頻率成分的振動進行監測與診斷時，一般情況下要按頻帶分級，然後根據不同的頻率範圍選擇相應測饋範嗣和感測器。如低頻段一般選用低頻加速度感測器，中高頻段可選用標準加速度感測器。
5．最好在齒輪滿負荷狀態下測量振動
滿負荷下測量齒輪箱振動，能夠較清晰地捕捉到故障信號。有時候．在低負荷時，部分軸承故障信號會被齒輪箱內其它信號所淹沒，或者受其他信號調製而不容易發現。當然，在軸承故障比較嚴重時．在低負荷時，就是通過速度頻譜也是能夠清晰地捕捉到故障信號。
6．分析資料時要兼顧頻譜圖與時域圖
當齒輪箱發生故障時。有時在頻譜圖上各故障特徵的振動幅值不會發生較大的變化，無法判斷故障的嚴重程度或中間傳動軸轉速的準確值，但在時域圖中可通過衝擊頻率來分析故障是否明顯或所在傳動軸轉速是否正確。因此，要準確確定每一傳動軸的轉速或者某一故障的衝擊頻率，都需要將振動頻譜圖和時域圖兩者結合起來推斷。特別對異常諧波的邊頻族的頻率確定，更是離不開時域圖的輔助分析。
7．注重邊頻帶頻率的分析
對於轉速低、剛性大的設備，當齒輪箱內的軸承出現磨損時，往往軸承各故障特徵頻率的振動幅值並不是很大，但是伴隨著軸承磨損故障的發展。軸承故障特徵頻率的諧波會大量出現，並且在這些頻率周圍會出現大量的邊頻帶。這些情況的出現，表明軸承發生了嚴重的故障，需要及時更換。
軸承的結構尺寸(滾子直徑、滾子分佈圓直徑、接觸角)以及軸承滾子數量等是內在凶素，是由軸承製造商決定的。而轉速是屬外在因素，同一軸承在不同的轉速上，軸承的故障特徵頻率不同。2．確定頻譜中故障特徵頻率成分難
目前齒輪箱故障診斷方法是以箱體振動信號進行研究的，信號在傳遞過程中經過的環節很多，例如齒輪信號傳遞會經過以下環節：齒輪—軸—軸承一軸承座一測點，這樣會導致部分信號在傳遞過程中衰減或受調製。另外，由於齒輪箱結構複雜，工作條件多樣，箱內多對齒輪和滾動軸承同時工作，頻率成分多且複雜，各種干擾較大。所以感測器所提取的振動信號中，各信號頻率雜、多且不易區分，確定其中某故障特徵頻率就存在一定難度。滾動軸承故障產生的振動信號能量要比齒輪或軸系故障產生的振動能量小，其故障信號很容易被淹沒在其他振動信號中，故障特徵更不明顯，這為確定軸承故障特徵頻率增加了很大難度。
四、齒輪箱中滾動軸承故障診斷實例
齒輪箱型號H3SH1OB(FLENDER)，齒輪總速比1520．9／38=40．023，結構見圖1。
該齒輪箱自2017年2月發現現場有週期雜訊，如同齒輪嚙合不良產生的週期衝擊。這之後，車間曾兩次計畫停機檢查齒輪箱，結果並沒有發現齒輪明顯損傷。2007年11月現場雜訊越加尖銳，產生的高振動給產品品質也帶來了一定影響。為進一步診斷產生該雜訊的根源並消除故障，11月11日對該齒輪箱進行了振動資料獲取並分析。
根據齒輪箱結構圖，分別對每根軸上的軸承所在位置從水準、垂直和軸向設置了測 點。從資料上查閱出了每根軸上的軸承型號，以SKF作參考廠家計算出每個軸承的故障特徵頻率，見表1。
根據推算出齒輪箱輸入軸轉速在1419r／min，即輸入軸轉頻f。=23．65Hz。分析輸入軸的振動速度頻譜，發現頻譜中有非常明顯的1 10．9Hz的異常頻率及其諧波(圖2)，並有大量邊頻帶。頻率 1 10．9Hz---4．69(輸入軸轉頻倍數)x23．65Hz(輸入軸轉頻)。該諧波不像是齒輪的嚙合頻率，很可能是某軸承的故障特徵頻率。假定該異常頻率為軸承故障特徵頻率，從諧波周圍可計算出1 1．72Hz的邊頻帶。因資料中只提供了該齒輪箱的總速比為40．023，不能一一確定每根軸的實際轉速，這就需要從頻譜中捕捉軸轉速資訊。
分析中間軸I振動速度頻譜，頻譜中有明顯的11．72Hz的頻率，特別在時域圖(圖3)中捕捉到了11．72Hz的高強度脈衝。因為中間軸I的轉頻是11．72Hz，即703r/min。這樣頻譜中的110．9Hz的頻率將變為1 10．9Hz=9．47(中間軸I轉頻倍數)×11．72Hz(中間軸1轉頻)。對照H3SHIOB齒輪箱內軸承故障特徵頻率表，發現中間軸I軸承32312的內圈故障特徵頻率9．436x11．72Hz(此時f2=11.72Hz)與頻譜中的9．47x11．72Hz非常接近。在系統中輸入置32312軸承內圈故障特徵頻率，頻譜中的110．9Hz的頻率就是軸承32312的內圈故障特徵頻率(圖4)。
經過上面資料的分析判斷，並結合以往停機檢查的結果，可確診該齒輪箱中間軸I軸承32312存在嚴重損傷。齒輪箱內所發出的週期性異常雜訊很可能是軸承損壞引起齒輪嚙合不良產生的。
劃停機更換軸承。拆下的32312軸承內圈180°範圍嚴重剝落，軸承滾動體研磨，外圈麻點疲勞磨損。
更換軸承開機後的第二天檢測，發現振動頻譜中原軸承故障特徵頻率消失，振動速度值降低(圖5)現場週期性異常雜訊也隨之消除，運行狀態良好，產品品質也明顯好轉。
五、關於齒輪箱中滾動軸承故障診斷經驗
通過對齒輪箱故障的認真研究，結合現場故障診斷經驗，在對齒輪箱中滾動軸承診斷時，筆者總結出以下幾點需要注意的事項。
1．清楚齒輪箱內部結構及軸承故障特點
要知道齒輪箱內基本結構，比如齒輪是何種模式、傳動軸有幾根、每根軸上有哪些軸承和什麼型號的軸承等。因為知道哪些軸和齒輪是高速重載，可以幫助確定測點的佈置；知道電動機轉速和各傳動齒輪的齒數、傳動比，呵以幫助確定各傳動軸的轉頻、嚙合頻率；知道各軸承座等滾動軸承的型號，可以説明確定各軸承的故障特徵頻率。另外，還要清楚軸承故障的特點。一般情況F．齒輪嚙合頻率是齒輪數及轉頻的整倍數，而軸承故障特徵頻率卻不是轉頻的整倍數。清楚齒輪箱內部結構及軸承故障特點，是lE確分析齒輪箱中滾動軸承故障的首要前提。
2．盡可能在每根傳動軸所在的軸承座上測量振動
在齒輪箱殼體上不同位置的測點，由於信號傳遞路徑不同。因而對同一激勵的響應也有所差異。齒輪箱傳動軸所在的軸承座處對軸承的振動回應比較敏感，此處設置監測點可以較好地接收軸承振動信號，而殼體中上部比較靠近齒輪的嚙合點，便於監測齒輪的其他故障。
3．儘量從水準、垂直和軸向三個方向去測量振動
測點的選擇要兼顧軸向、水準與垂直方向，不一定所有位置都要進行三個方向的振動測量。如帶散熱片的齒輪箱，其輸入軸的測點就小方便檢測。甚至某些軸承設置在軸的中間位置，部分方向的振動也不方便測，此時可有選擇的設置測點方向。但重要的部位，一般要進行三個方向的振動測量，特別注意不要忽略軸向振動測量，因為齒輪箱內很多故障都會引起軸向振動能量與頻率變化。另外，同一測點多組振動資料還可為分析判斷所在傳動軸轉速提供足夠的資料參考，並為進一步診斷出哪端的軸承故障更嚴重些而獲得更多的參數依據。
4．測量要兼顧高低頻段振動，選擇相應的測最範圍和感測器
齒輪箱振動信號中包含有【司有頻率、傳動軸的旋轉頻率、齒輪的嚙合頻率、軸承故障特徵頻率、邊頻族等成分，其頻帶較寬。對這種寬頻頻率成分的振動進行監測與診斷時，一般情況下要按頻帶分級，然後根據不同的頻率範圍選擇相應測饋範嗣和感測器。如低頻段一般選用低頻加速度感測器，中高頻段可選用標準加速度感測器。
5．最好在齒輪滿負荷狀態下測量振動
滿負荷下測量齒輪箱振動，能夠較清晰地捕捉到故障信號。有時候．在低負荷時，部分軸承故障信號會被齒輪箱內其它信號所淹沒，或者受其他信號調製而不容易發現。當然，在軸承故障比較嚴重時．在低負荷時，就是通過速度頻譜也是能夠清晰地捕捉到故障信號。
6．分析資料時要兼顧頻譜圖與時域圖
當齒輪箱發生故障時。有時在頻譜圖上各故障特徵的振動幅值不會發生較大的變化，無法判斷故障的嚴重程度或中間傳動軸轉速的準確值，但在時域圖中可通過衝擊頻率來分析故障是否明顯或所在傳動軸轉速是否正確。因此，要準確確定每一傳動軸的轉速或者某一故障的衝擊頻率，都需要將振動頻譜圖和時域圖兩者結合起來推斷。特別對異常諧波的邊頻族的頻率確定，更是離不開時域圖的輔助分析。
7．注重邊頻帶頻率的分析
對於轉速低、剛性大的設備，當齒輪箱內的軸承出現磨損時，往往軸承各故障特徵頻率的振動幅值並不是很大，但是伴隨著軸承磨損故障的發展。軸承故障特徵頻率的諧波會大量出現，並且在這些頻率周圍會出現大量的邊頻帶。這些情況的出現，表明軸承發生了嚴重的故障，需要及時更換。