矿用设备减速器振动测试与频谱分析*
0 引言
齿轮传动因具有传递功率范围较大、传动比较准确、使用寿命也长等优点,是各种机械结构中应用最为广泛的一种传动机构。但矿用设备减速器的运行工况恶劣,影响因素多,故障率高,维修难度也大[1]。由于实际问题比较复杂,故减速器动力学特性的理论分析能否反应客观实际,必须通过测量和试验来验证。为此,在生产装配阶段,必须预先对减速器进行振动试验,分析其振动信号频谱,这对提高减速器的服役过程质量、降低运行维护成本具有重要意义[2]。对此,设计了一种矿用设备减速器振动测试系统,该设备由声振综合测试仪和加速度传感器构成,依托减速器试验台来测试减速器关键部位测点振动信号。同时,鉴于减速器振动信号的复杂性,对其进行了快速傅里叶变换,以获得减速器不同部位测点振动信号的频谱,并结合减速器的设计参数,分析其振动信号的频谱和边频[3]。
1 减速器试验台组成和原理
1.1 基本组成
矿用设备减速器试验台主要由驱动电动机、电动机台架、传动机构、减速器台架及被试减速器等组成,如图1所示。电动机通过螺栓固定在电动机台架上,被试减速器通过平键、螺栓固定在减速器台架上,电动机台架、减速器台架又通过压板固定在带有“T”型槽的试验台面上,电动机与被试减速器之间的传动机构由联轴器、传动轴、轴承座构成,通过控制电动机台架及减速器台架高度方向加工精度,保证了电动机输出轴、减速器输入轴同轴度要求。
1-电动机; 2-电动机台架; 3-联轴器; 4-传动轴; 5-轴承座;
6-轴承座台架; 7-被试减速器; 8-减速器台架
图1 减速器基本结构及试验台示意图
1.2 工作原理
通过实验室电控柜给电动机供电,由控制台控制电动机的启动、停止试验时,电动机转速与被试减速器按井下实际工况的输入转速相匹配,然后控制台发出指令,电动机启动,通过传动机构驱动被试减速器运转。此矿用减速器应按井下实际工况采用双电动机驱动,高速箱左右侧输入端分别布置驱动电动机。该实验台用于减速器空载运转实验,由于驱动力远小于井下实际工况,故采用单电动机驱动减速器,其驱动端布置在减速器的高速箱右侧输入端。
2 减速器振动测试
2.1 振动测试系统的构建
减速器振动测试系统由振动信号测量装置和振动信号采集装置构成,其中前者包括加速度传感器、信号放大电路,后者包括模数转换器、数据采集仪、工控机。振动测试系统框架构成如图2所示,箭头表示数据传输方向。
作为馈源阵基本辐射单元的喇叭选择基膜喇叭,喇叭的口径选择为40 mm,天线的初级辐射方向图如图2所示。
图2 减速器振动测试系统框架图
2.2 振动测试
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2.2.2 测试流程
矿用减速器结构复杂,为完整拾取减速器振动信息,采用多通道、并行测频信号的测试方法进行振动测试。减速器运转过程中齿轮及传动轴的振动通过轴承传递到壳体上,其齿轮及传动轴振动测点布置在减速器壳体上轴承位置,行星机构太阳轮为输入端,行星架为输出端,内齿圈通过螺栓、定位销固定在减速器壳体上,行星机构振动通过内齿圈传递到壳体上,故行星机构振动测点布置在行星机构内齿圈上,鉴于减速器结构的对称性,需合理简化测点数量和测量位置[5]。振动测点布置如图3所示,其测点1为高速箱轴承测点,测点2为低速箱轴承测点。
减速器基本结构如图1所示。矿用减速器由高速箱和低速箱两部分组成,高速箱为减速器输入端,尺寸较小,外形为矩形箱体,低速箱为减速器输出端,尺寸较大,外形为圆柱形箱体结构,包括左右驱动轮毂、中间驱动轮毂3部分[4]。
2.2.1 基本结构
减速器振动测试参数设置为采样频率10 240 Hz,分析带宽5 120 Hz。测试流程如下:
1-高速箱轴承测点,2-低速箱轴承测点
图3 减速器振动测点布置
1) 将加速度传感器通过磁力座固定在减速器测点处,通过数据线连接加速度传感器与数据采集仪,启动振动测试系统软件,进行通道设置、实验参数设置,然后通过敲击测点,调试振动测试系统,观察测点振动示波信号是否符合要求。
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3) 实验完成后,操作数据采集软件,停止记录,保存采集结果,控制台发出停机指令,电动机、被试减速器停止运转[6]。
在微机继电保护装置安装调试完成后,对其进行验收运行工作。对微机继电保护装置验收,主要利用保护整组传动来进行数据观测,结合遥测、遥控、遥调功能进行对应管理操作,确保设备整体正常运行后,对其功能参数以及性能指标做好及时的跟踪比对,明确其质量新性能无误后,将其投入运行,对相关重要数据库资料进行及时备份,为后续设备改造或故障排除时,提供参考资料。
3 振动信号频谱分析
3.1 测点主频率分析
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通过对减速器振动测试数据进行快速傅里叶变换(FFT),得到以频率为变量的谱函数,减速器高低速箱轴承测点频谱如图4、图5所示。从分析减速器测点频谱可知,各个测点主要频率成分为450 Hz及其倍频成分,测点频率统计见表1。由此,矿用减速器设计参数中,其减速器输入端一级齿轮副啮合频率为450 Hz,即该矿用减速器各个测点振动载波频率为减速器输入端啮合频率。
作为时间函数的振动信号,通常在时间域里描述该信号随时间变化的性质,但在振动信号的分析方法中,往往还需要采用频率域的概念对信号进行描述[7],即把信号从时域描述变换为频域描述的方法称为傅里叶变换。但傅里叶变换的计算量太大,计算成本又过高,使之缺乏实用性,而采用快速傅里叶变换的运算,其效率较高,存储空间开销较小[8]。
2) 调试完成后,控制台发出指令,电动机启动,通过传动机构驱动被试减速器运转,传感器布置在减速器振动测点处,拾取减速器关键部位振动信号,通过数据线将采集的数据传递至数据采集前端,操作数据采集软件,实时记录采集的数据信号。
图4 高速箱测点频谱图
图5 低速箱测点频谱图
表1 测点频率统计 Hz
频率452.00 900.25 1348.00 1800.25
3.2 测点边频分析
对减速器测点某一载波频率展开,比如对已知450 Hz为中心频率进行局部展开,得到减速器高速箱轴承的测点边频,如图6所示,低速箱轴承的测点边频,如图7所示。通过分析减速器测点边频成分得知,减速器的各个测点边频间隔为25 Hz及其倍频,减速器各个测点边频统计如表2所示。由此通过矿用减速器输入轴转动频率为25 Hz,可得知矿用减速器各个测点边频为减速器输入轴转频及其倍频[9]。
图6 高速箱测点边频图
图7 低速箱测点边频图
表2 测点边频成分统计
Hz
边频成分401.50 425.00 450.25 475.50 500.00
4 结论
本文以某矿用设备减速器为研究对象,以减速器试验台及被试减速器为载体,构建了减速器关键部位振动测试系统,并进行了减速器空载运转试验,测试了减速器关键部位测点振动加速度,并对测点加速度数据进行了频域分析。由减速器测点振动信号频谱分析表明,高速箱测点和低速箱测点载波频
率基本一致,均为减速器输入端啮合频率,减速器各个测点频谱的边频成分为输入轴转频及其倍频。
由此得出,减速器输入轴转频对输入端啮合频率信号成了调制作用,减速器输入端啮合频率、减速器输入轴转频对减速器各部位振动影响显著。该矿用减速器已经研制成功,在短短的几年里,累计销售量达到60余台,已创造产值数千万元,其传动效率达到95%左右,故障率低,返工返修率几乎为零,在神东公司等大型现代化矿井得到了广泛的应用。
参考文献:
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[2] 马凤苹.矿用车辆驾驶室振动分析[J].煤矿机电,2016(5):94-96.
[3] 贺洪华,陆俭.刨煤机刨头的振动分析与仿真研究[J].煤矿机电,2013(2):5-7.
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[8] 胡丽莹,肖蓬.快速傅里叶变换在频谱分析中的应用[J].福建师范大学学报(自然科学版),2011, 27(4):27-30.
[9] 王明敏.掘进机截割减速器的故障分析研究[J].煤矿机电,2016(3):105-106.
作者简介:张礼才(1983—),男,工程师。2009年毕业于辽宁工程技术大学机械设计专业(硕士学位),现从事软岩采掘装备研发工作,发表论文10篇。
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