基于振动频谱分析的烘丝机传动系统故障定位与维修策略

1、引言

烘丝机通过传动系统驱动滚筒旋转，实现烟丝的烘干与松散，其传动系统由电机、减速器、联轴器、轴承等部件组成，长期处于高速运转状态，易因磨损、疲劳、装配偏差等产生故障。传统故障诊断依赖人工经验，存在准确率低、滞后性强等问题。振动频谱分析技术通过采集传动系统振动信号，提取频率特征并识别故障类型，可实现故障的早期定位与预警。

2、烘丝机传动系统振动频谱分析原理

2.1 振动信号采集

振动信号采集是频谱分析的基础，需根据传动系统结构特点选择测点位置与传感器类型。通常在电机轴承座、减速器输入输出端、滚筒支撑轴承等关键部位布设加速度传感器，采集径向与轴向振动信号。传感器需与设备表面紧密贴合，避免信号衰减，采样频率应满足Nyquist 准则，确保覆盖传动系统的主要故障频率范围。数据采集需在设备稳定运行状态下进行，避免空载或负载突变对信号的干扰。

2.2 频谱特征提取

采集的振动信号为时域信号，需通过傅里叶变换转换为频域信号，得到振动频谱图。频谱图中横坐标为频率，纵坐标为振幅，不同故障类型对应特定的频率特征。例如，旋转部件的不平衡故障表现为与转速同步的基频成分；轴承故障会产生特定频率的谐波信号，其频率与轴承滚子、内圈、外圈的尺寸及转速相关；齿轮啮合故障则对应齿轮啮合频率及其边频带。通过频谱特征提取，可将故障信号从背景噪声中分离，为故障识别提供依据。

2.3 故障频率计算

故障频率计算需结合传动系统各部件的结构参数与运行参数。电机、减速器的转速可通过设备铭牌获取，齿轮的啮合频率为齿数与转速的乘积；轴承的故障特征频率可根据型号查询手册或通过公式计算，包括内圈故障频率、外圈故障频率、滚子自旋频率等。将计算得到的理论故障频率与实测频谱中的特征频率对比，可初步判断故障部位与类型。

3、烘丝机传动系统常见故障的频谱特征

3.1 轴承故障

轴承是传动系统的易损部件，常见故障包括滚子磨损、内圈剥落、外圈裂纹等。其振动频谱表现为特定特征频率的高振幅峰值，伴随谐波与边频带。例如，外圈故障时，特征频率峰值随负载增大而升高，且在频谱中出现明显的调制现象；滚子磨损会导致频谱中出现宽频带噪声，特征频率峰值模糊但整体振动烈度增加。当轴承故障发展至晚期，基频倍数处会出现高振幅，且振动信号的峭度值显著增大。

3.2 齿轮故障

减速器内齿轮啮合故障包括齿面磨损、齿根裂纹、断齿等，其频谱特征与齿轮啮合频率相关。齿面均匀磨损表现为啮合频率振幅升高，边频带对称分布；齿根裂纹会导致啮合频率两侧出现非对称边频带，且边频间距等于齿轮转速频率；断齿故障时，啮合频率振幅急剧增大，伴随宽频带冲击信号，频谱中出现杂乱的谐波成分。齿轮故障信号易受减速器箱体共振影响，需结合时域波形中的冲击特征综合判断。

3.3 联轴器故障

联轴器用于连接电机与减速器，常见故障包括不对中、弹性元件老化等。平行不对中会在频谱中产生 2 倍基频成分，振幅随不对中程度增加而升高；角度不对中则表现为 2 倍、4 倍等偶数倍基频成分，轴向振动信号更为明显；弹性元件老化会导致振动频谱中出现随机噪声，基频振幅波动较大，且无明显谐波特征。联轴器故障的频谱特征易与不平衡故障混淆，需通过轴向与径向振动信号的对比区分。

3.4 电机故障

电机故障主要包括转子不平衡、定子绕组故障等。转子不平衡的频谱特征为基频振幅显著升高，无明显谐波或边频带，振幅随转速升高而增大；定子绕组匝间短路会在频谱中产生 2 倍电源频率的特征成分，且振动信号中包含电磁噪声；电机轴承故障的频谱特征与前述轴承故障一致，但需结合电机转速计算特征频率。

4、基于振动频谱分析的故障定位方法

4.1 特征频率匹配法

特征频率匹配法通过对比实测频谱中的峰值频率与理论故障频率定位故障。首先根据传动系统参数计算各部件的理论故障频率，建立故障频率数据库；然后对实测频谱进行峰值检测，提取主要特征频率；最后将特征频率与数据库中的理论频率匹配，匹配度最高的对应故障类型即为诊断结果。该方法适用于轴承、齿轮等具有明确特征频率的故障，定位准确率取决于频率计算的精度与频谱信号的信噪比。

4.2 频谱趋势分析法

频谱趋势分析法通过连续监测振动频谱的变化趋势识别早期故障。在设备正常运行时建立频谱基线，定期采集振动信号并与基线对比，分析特征频率的振幅变化。当某一频率成分的振幅持续升高并超过阈值时，判断对应部件存在潜在故障。例如，轴承外圈故障的特征频率振幅在初期缓慢上升，随故障发展增速，通过趋势分析可在故障恶化前发出预警。该方法需长期积累数据，适用于故障发展缓慢的磨损类故障。

4.3 多参数融合法

多参数融合法结合振动频谱特征与其他参数（如温度、噪声）提高定位精度。当传动系统出现故障时，往往伴随温度升高或异常噪声，例如，轴承润滑不良时，振动频谱中特征频率振幅升高，同时轴承温度超过正常范围；齿轮断齿时，除频谱特征外，还会产生周期性冲击噪声。通过融合多参数信息，可减少单一信号误判的概率，尤其适用于复杂故障或多故障并存的场景。

5、烘丝机传动系统故障维修策略

5.1 轴承故障维修

轴承故障维修需根据故障类型与严重程度选择处理方式。轻微磨损或润滑不良可通过补充润滑脂解决，更换润滑脂时需清洁轴承座，避免杂质混入；内圈、外圈或滚子出现裂纹、剥落时，必须更换轴承，更换时需保证轴承与轴颈、轴承座的配合精度，安装后检查径向游隙，避免过紧或过松。新轴承安装前需进行外观检查，确保无锈蚀、变形，运行初期需监测振动频谱，确认安装合格。

5.2 齿轮故障维修

齿轮故障维修需针对不同故障模式采取措施。齿面磨损可通过齿面修磨恢复精度，修磨后需检查齿侧间隙，确保符合设计要求；齿根裂纹或断齿需更换齿轮，更换时需成对更换啮合齿轮，避免新旧齿轮搭配导致的磨损加剧；齿轮啮合不良多因安装偏差引起，需重新调整减速器输入输出轴的同轴度，检查齿轮箱定位销是否松动，必要时进行联轴器找正。维修后需通过频谱分析验证齿轮啮合频率的振幅是否恢复正常范围。

5.3 联轴器故障维修

联轴器故障维修重点在于调整对中性与更换易损件。平行或角度不对中可通过百分表找正，调整电机或减速器的安装位置，使径向与轴向偏差控制在允许范围内；弹性联轴器的橡胶垫或弹性柱老化时，需整体更换弹性元件，更换后检查联轴器的轴向窜动量；刚性联轴器的连接螺栓松动需重新紧固，必要时更换高强度螺栓并涂抹防松胶。维修后需通过振动频谱确认 2 倍基频等特征频率的振幅显著降低。

6、结论

振动频谱分析技术为烘丝机传动系统故障定位提供了科学方法，通过提取轴承、齿轮、联轴器等部件的特征频率，可实现故障类型与部位的精准识别。针对不同故障的维修策略需结合机械调整、部件更换与参数校正，维修效果可通过频谱对比验证。

参考文献

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[2] 李阳，王宏力，戴邵武，等。基于振动频谱分析的电机故障诊断方法研究 [J]. 电机与控制应用，2020,47 (05):99-104.