摘要：了解冶金企业循环水冷却风机的典型结构，针对承钢循环水冷却风机小型减速齿轮箱，研究齿轮箱主要件滚动轴承和齿轮特征频率，针对承钢的循环水冷却风机，计算故障特征频率；针对循环水冷却风机齿轮箱的特点，设计在线监测系统的总体方案；掌握常规的故障特征提取方法，包括幅域分析方法、频域分析方法等。
关键词：故障诊断，解调，特征提取，冷却塔风机
一、背景
齿轮箱（例如循环水冷却塔风机、水泵站远程执行系统等）是现代化工厂的关键设备，若发生突发事故将会产生蝴蝶效应，严重影响企业的生产安全和经济效益。2013年10月20日，承钢某后置发电机循环水1#冷却塔风机齿轮箱高速输入轴突然断裂，停机72个小时，造成直接损失40万元以上。如果用传统方法检测及经常的拆卸解体，维修成本高，还受主观因素的干扰而造成很多误诊和漏诊，远远不能适应实际需求。因此开展状态监测与故障诊断，已成为大型钢铁企业的迫切需求，并产生巨大经济效益。
二、循环水冷却风机典型结构及故障特征
循环水冷却风机由电动机或水轮机、减速箱、轴流风机等主要装置所组成，其中以减速箱故障率最高。
2.1循环水冷却风机齿轮箱的故障特征
循环水冷却风机齿轮箱中主要零部件包括滚动轴承和齿轮等，以轴承点蚀、断裂及齿轮的点蚀、剥落和断齿为主。
滚动轴承的特征频率(即接触激发的基频)，根据轴承元件滚动接触的速度关系建立的方程求得，计算的特征频率值作为诊断的依据。当轴承零件有故障时，几种特征频率便会在振动信号中体现出来。计算的故障频率和特征频率相等是理论上的推导，实际情况中故障信号的随机性，给故障诊断带来复杂性。
齿轮的振动特征，从频域上看，信号调制的结果是使齿轮啮合频率周围出现边频带成分。信号调制可分为两种：幅值调制和频率调制。幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响造成的。从数学上来看，幅值调制相当于两个信号在时域上的相乘；而在频域上，相当于两个信号频谱的卷积，这两个信号中信号K(t)称为载波信号；另一个信号
为调制波。齿轮振动信号中，啮合频率成分通常是载波部分，齿轮轴旋转频率成分通常是调制波成分。
2.2承钢冷却塔风机齿轮箱的特征频率
承钢冷却塔风机设备的点检、维修因缺乏高效的监测和分析手段，目前靠人工巡检检查完成，从而无法避免突发故障的出现，严重影响了自备电厂自发电产能和冶炼轧产线用水安全。为了对冷却塔风机进行实时的监测和诊断，必须要对设备主要零部件的参数进行统计，并计算主要的特征频率。承钢某一发电机组冷却塔风机齿轮箱的的主要特征频率，如表1。
三、冷却塔风机在线监测与诊断方法
3.1冷却塔风机监测系统的总体方案
承钢与冷却塔风机厂家研制开发了风机在线监测诊断系统。该系统通过安装在设备上的测点（加速度传感器），采集设备运行中的振动信号，经信号预处理仪放大、滤波，经模-数转换后，被计算机信息采集，经先进的诊断技术进行分析和处理，提取振动信号中的各种有用信息，确定设备运行的情况，实现对设备状态的监测、故障诊断。图1齿轮箱测点分布举例。
图1齿轮箱测点分布
3.2冷却塔风机监测系统的简易诊断方法
3.2.1幅域分析法
幅域分析方法是一种早期信号特征分析方法，通过计算信号幅值域诊断参数，来判断齿轮是否处于正常工作状态。常用无量纲幅值域诊断参数作为诊断标准，如波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标和峭度指标等。在减速器发生故障时可以反映故障的发生，有时可以反映故障的程度，作为粗略判断的依据。它们的诊断能力由大到小依次为：峭度因数－裕度因数－脉冲因数－峰值因数－波形因数。在齿轮故障诊断过程中，通过综合利用不同的无量纲参数对不同齿轮故障的不同敏感性，能够把齿面磨损故障和断齿、点蚀或者啮合异常等故障成功区分开来，为齿轮故障的确诊缩小了诊断范围。
3.2.2频域分析法
频谱分析是在频域中对原信号分布情况的描述，包括以快速傅立叶变换为核心的经典傅立叶频谱分析和适用于非对称、非线性系统的双谱分析方法等。经典傅立叶分析是一种纯频率的分析方法，适用线性高斯稳态信号，反映的是整个信号全部时间段的整体频率特征。对于周期信号，经过傅立叶变换后得到的幅值谱是离散谱，即构成信号的频率成分是基波及其各次谐波分量。而对于非周期信号，其幅值谱是连续谱，即信号连续分布在一定的频率范围内。对于故障信号，其在幅值谱上经常表现为有较大的峰值出现。根据峰值出现时的频率即可判别是否有故障以及故障的类型。图2为齿轮断齿故障的振动信号幅值谱。
图2断齿齿轮振动信号频谱图
四、结 论
为了实现冷却塔风机齿轮箱早期故障的诊断目的，本文通过对冷却塔风机典型结构、常见故障模式、故障特征频率、监测系统选型及常见故障诊断方法，实际选型与使用，完成了如下工作并阐明了对未来工作的展望。
(1) 介绍了冶金企业冷却塔风机的典型结构，重点分析冷却塔风机的关键设备——齿轮箱常见故障形式、故障特征频率，并对承钢某发电机组冷却塔风机，计算了该风机齿轮箱的故障特征频率。
(2)设计使用了在线监测系统的总体方案，综合考虑监测诊断的技术需求和企业经济需求，给出了较合理的振动测点和转速测点的设置。进而对该设备在线监测系统选型，并介绍了常规的故障特征分析方法，包括幅域分析方法、频域分析方法等。
参考文献
1 崔玉杰. 典型齿轮箱故障振动特征与诊断策略研究. 天津冶金. 2004, 5: 27~36.
2 朱利民, 许秉林, 黄仁. 齿轮故障振动信号检波解调分析中的混频效应. 振动工程学报. 1999, 12(3): 331~337.
论文作者:田志远
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第10期
论文发表时间:2017/10/26
标签：齿轮箱论文; 风机论文; 故障论文; 信号论文; 冷却塔论文; 频率论文; 特征论文; 《建筑科技》2017年第10期论文;