案例：立磨高速轴在空载时出现转频冲击的问题

weixin

1、设备长什么样

设备长结构图

设备实物图

糟糕至极的现场环境

表1 本案涉及参数

2、设备有什么问题

我单位有两台这样的立磨，工况和工作环境基本一致。从2013年开始发现这样的奇怪情况：两台立磨在启动和停止的过程中有一小段时间（约2分钟左右）完全无负载，在这段时间里可以从立磨入力高速轴总成的前端（靠近迷宫密封处）能听到规律的冲击音，声音类似于小锤敲击的效果。在现场用手机录音，以及启停机过程中耳听的方式确认冲击音和入力高速轴总成当前转速几乎一致，每转一圈会听到一次冲击音。而在设备带上轻量的载荷后这个声音就会立刻消失，测振值以及谱分析无任何异常。因为两台立磨都有这种情况，带载荷之后又一切正常，所以很长的时间里对这个情况并没有得到重视，甚至认为这可能是一种正常现象。

入力高速轴部分图解

2016年需要分解维保，花了一段时间用来收集该立磨的运行状态，以作为维保后试运行时标准。在这个过程中，通过分析推断，上面所介绍的情况是由于入力高速轴总成的轴上负责轴向定位的两个角接触轴承内圈和轴配合松动所致，最后在维保期间得到验证。

入力高速轴总成：
立磨是复杂的，不过本案涉及的部分恰好是立磨高速轴和低速大伞齿部分，跟复杂的行星齿轮组没啥关系。没接触过立磨的兄弟可能奇怪入力高速轴总成是个什么玩意，其实就是指的立磨上接受电机动力输入的那根轴和周围的一部分，之所以叫总成，是因为这部分可以从立磨减速机上整体拆下来。

左上角是入力轴总成的壳体部分；左下角是入力轴总成在立磨本体上的安装位置；右图显示了两者是如何装配的。

左为入力轴轴体和总成主体的装配过程；右侧两图为一级啮合的两个齿，对应结构简图上的部件7和部件8。

3、问题的分析过程

在齿轮箱结构中谈到转频为间隔的冲击，第一反应自然是轴上局部齿面损伤甚至断齿。但本案中这个猜测的可能性近乎为零，原因有很多。

作为工艺中极为重要的一台A类设备（出问题整个生产线停产，最高等级），我们每年大修时都会通过立磨本体上的点检口检查立磨的齿面情况，齿面损伤这种问题有经验的检修工是不会看走眼的。同时本案中，冲击音从入力轴总成前部靠近联轴器的迷宫密封处听得最明显，可以肯定声音不是从立磨本体中发出的。最后，本案的一大特征就是带载荷冲击音消失，齿面损伤的情况下，即便带载荷无序吵杂冲击的噪音变大的情况下也应该会十分的明显，没理由带载荷后消失。

而从振动分析的层面上来说：

   · 水平方向的频谱：右上角的幅值较大时因为低频有很大的滑雪坡干扰，实际的振动有效值并不大。频谱上显示的内容与时域图形正好相对应，由两大部分构成：啮合频率以及周边的转频边带为一个构成部分，约6倍和7倍转频的成份构成另一个主体。其他部分幅值较低。单独从频谱上啮合频率以及周边的转频边带这部分看，的确符合齿损伤像是一个入力轴上伞齿断齿的故障，但是结合时域信号看情况就是另一回事了。

   · 水平方向时域信号：时域图上出现了转频为间隔的规律成分，粗看像是齿面损伤形成的冲击波形，但是细看则完全不是一回事。冲击音出现时振动较大，此时以啮合频率为主体；冲击音之间的时间段里近似7倍转频的成份为主体。这样的规律性在整个采集时间段内重复性极好，但是并不符合传统上的齿轮断齿振动机理。传统的断齿机理认为时域信号整体应当是啮合频率为主体构成，断齿形成规律的转频冲击，冲击后迅速以固有频率进行衰减。不应该也不会出现近似7倍转频的成份，而且冲击时啮合频率并没有明显可见的振动以固有频率衰减的过程。这种时域信号更像是齿轮从无啮合状态到啮合状态，在到无啮合状态的变化。

   · 轴向和垂直方向的振动信号：轴向和垂直方向的振动时域波形和频谱主体相似，只是6x转频和7x转频及其周边频率成份的幅值变小了。因此，时域图中啮合频率更加的明显。而且从时域信号的角度看，轴向和垂直两方向的波形不像是局部齿损伤形成的冲击，更像是周期性的齿轮啮合调制现象。入力轴本体每旋转一周，就在固定位置产生较强的啮合频率现象。

三方向的振动信号体现出的是一种对啮合频率的调制现象，入力轴每旋转一周的过程中，啮合频率在特定的角度出现，出现的形式并不类似于齿损伤的冲击波形，更倾向于一种稳态的调制现象。在局部的过程中，6x和7x转频也有相当的能量。结合该设备的运转状况和本单位对设备的定修体制结果，主观上我们不认为这个异常状况和齿轮有关联。

齿面损伤之后，该设备中能够引发转频冲击的因素里可能性最大的就是轴上旋转部件松动。非常多的轴承松动（游隙大或者跑内外圈）案例中都可以观察到时域信号上规律的转频冲击，严重的时候靠近设备就可以听到转频冲击。

上图中已标注出轴上靠近异响部位的旋转部件，从左往右分别是迷宫密封套、锁紧螺母、轴承外圈和入力轴总成套配合位置、轴承游隙、轴承内圈和轴配合位置、能松动的部件大体就这些地方。结合设备结构和上次维保记录进行分析，基本可以确定可能性最大的是轴承内圈和轴配合松动，其他部件松动的可能性极低。

左起第一个为迷宫密封套，通过热套装配到轴上，上次维保记录中显示该部件内孔和轴上对应安装位置尺寸精度良好，而且运转时该处并不会受力，理论上不应该会出现松动的情况。像这种热套安装在轴上且正常情况下不承担载荷的部件，在过盈量不是极端差的情况下不会产生松动故障。

上图为迷宫密封外部组建，下图为迷宫密封套

左起第二个为锁紧螺母，锁紧螺母背后还有一锁紧垫片，当螺母打紧到位后通过垫片卡死螺母，只有垫片断裂的情况下才会发生螺母松动的情况。长期以来的现场经验中，发现锁紧垫片锻炼和锁紧螺母松动的情况一例都没有。主观上我们认为这种情况发生的可能性很小。

左起第三个和第四个是轴承间隙过大以及轴承外圈和入力轴总成主体配合松动。这两个因素相辅相成，且因为同一个原因可以排除，所以放在一起说明。

轴承外圈和入力轴总成主体的确有不小的松动可能性，因为两者的配合过盈量很小。最初安装时，两个轴承的外圈都是通过铜棒敲击安装到位，之后通过侧面主盖压在外侧的外圈上来实现定位和游隙控制。为了防止轴承跑外圈，也为了控制轴承游隙，这台立磨的设计中在里侧轴承外圈的位置加了一圈强力弹簧给轴承外圈一个强力的预紧力。这样即便轴承磨损了，弹簧的弹力推动外圈缩紧，使游隙保持在定量范围内，且弹力本身就锁死了外圈松动的可能性。

上为预紧弹簧，下为安装后的状态

左为安装侧面主盖，右为安装好后通过液压千斤顶提供顶力来测量入力轴轴向窜动量，并通过窜动量决定是否加垫或车削侧盖使窜动量符合设计要求

右上角有中关于窜动量的测量要求：600kg压力时残留0.6-0.7mm的窜动量，这个窜动量主要是弹簧的压缩提供的。测量时千斤顶的压力远大于600kg。

左侧最后一个可以松动的部件就是轴承内圈和轴本身之间配合松动，这个可能性最大而且可以符合上面产生的振动信号。

考虑轴承跑内圈的情况下就可以提出这样的一个的推测：当左侧轴承内圈磨损之后，因弹簧预紧的作用力，外圈和滚动体和内圈之间的相对位置没有发生变化，只是入力轴轴体左侧轻微的向下偏移。轴体右侧的轴承是个自调心轴承，这就构成了一个以右侧自调心轴承为中心的跷跷板结构。

在无负载的情况下，若入力轴入力伞齿的齿形圆度上稍有圆度误差就会造成入力伞齿和出力伞齿时而啮合较紧，时而啮合较松，这使得时域信号中啮合频率周期性出现；也因此，入力轴左侧会时而翘起时而落下。这个翘起和落下的频率由圆度误差的分布决定。正常的齿加工时都会在某个方向上有点误差，所以这个频率就应该是入力轴的转频。而从啮合较紧过度到啮合较松的过程中，入力轴左侧快速落下撞击轴承内圈形成现场听到的冲击音。

而当有了轻度负载之后，由于齿形的原因会形成一个指向电机驱动端的力，这个力正比于载荷大小。这个力量通过两个轴承之间的中空轴套作用在内圈上形成一个新的约束，缓解或者说是抵消了入力轴左侧的下落速度，使得现场的冲击音消失。

这样的推测虽然还有些值得推敲的地方，但相对还是比较合理的。2016年3月份拆检后的结果，这个推测得到了验证。

4、总  结   

这个案例总的说没啥特别的地方，真要强行说的话就是不能只信频谱，要分析时域图来解释频谱的产生原因才行。另外，松动故障和转频冲击基本上是一对难兄难弟，只要你的采集设置合理，基本上都能在松动的设备上采集到转频冲击，而且要比速度谱上出现松动特征还要早的多。

比如说下面这个轴承跑圈的，8月份就能采到转频冲击，11月份才严重，次年才拆开检修。

小声说一句：立磨真不是个东西，简直是个混蛋。

带载荷后测出来的就这么个鬼东西，分析个P啊。就算上了阶比分析缓解转速波动测出来的也好不到哪去（这台立磨的液压缸下压压力12mpa）。

来源：振动监测专业群英汇微信公众号（ID：VMP-China），作者：皮皮猫，原文来自中国振动专业群 皮皮猫(微信号：evaydh)。

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很好的学习知识