基于狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的齒輪箱故障診斷分析

馬斌良，陶軍，付超，張海春，廖君

（中國石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司，新疆 獨(dú)山子 833699）

基于狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的齒輪箱故障診斷分析

馬斌良，陶軍，付超，張海春，廖君

（中國石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司，新疆 獨(dú)山子 833699）

利用基于BH550的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對擠壓脫水機(jī)齒輪箱歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸入軸兩端水平和垂直振動(dòng)的加速度值和速度值呈現(xiàn)持續(xù)上漲趨勢，油樣鐵譜分析也發(fā)現(xiàn)齒輪箱處存在一定程度的磨損。對振動(dòng)頻譜進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在軸承故障頻率和齒輪嚙合頻率處有較大振動(dòng)沖擊值，判斷軸承和齒輪發(fā)生損傷，齒輪箱解體檢查的結(jié)果證實(shí)了診斷結(jié)論，避免了裝置的非計(jì)劃停工。

BH550；狀態(tài)監(jiān)測；齒輪箱；故障診斷

1 機(jī)組運(yùn)行情況簡介

某廠丁苯橡膠裝置后處理系統(tǒng)的擠壓脫水機(jī)屬于廠級主要設(shè)備（圖1），機(jī)組通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪箱將扭矩傳遞給擠壓脫水機(jī)的螺桿，擠壓脫水機(jī)的螺桿在帶有籠條的筒體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使含有大量水分的膠料向擠壓機(jī)出料端運(yùn)動(dòng)。這股力便在物料上形成擠壓力，從而除去膠料中的水份。擠壓脫水機(jī)配套安裝的齒輪箱屬于組合減速器（圖2），一側(cè)連接電機(jī)，另一側(cè)連接擠壓機(jī)，齒輪箱內(nèi)共有輸入軸、中間軸和輸出軸，主要功能是用來降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出更大扭矩。

圖1 擠壓脫水機(jī)

圖2 擠壓脫水機(jī)齒輪箱實(shí)物圖

自從2014年12月以來，現(xiàn)場使用VM63監(jiān)測齒輪箱殼體振動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸入軸兩側(cè)軸承振動(dòng)與前期對比有所增加，對工藝操作參數(shù)分析，未反映出設(shè)備有明顯的故障。由于齒輪箱中振動(dòng)傳輸路徑不規(guī)律,各種機(jī)械振動(dòng)之間存在相互耦合,用普通的監(jiān)測手段無法確認(rèn)故障原因，該設(shè)備屬于主要設(shè)備，關(guān)系到裝置的長周期運(yùn)行，在原因不清的情況下，不易冒然停機(jī)檢查，同時(shí)又擔(dān)心設(shè)備的意外停機(jī)造成整套裝置的非計(jì)劃停工，因此該設(shè)備是否停機(jī)檢修給設(shè)備管理者的決策帶來很大的困難。為了能夠準(zhǔn)確判斷齒輪箱是否故障，并對故障部位定位，運(yùn)用基于博華信智BH500的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和頻譜分析。

2 故障診斷和分析

圖3 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測測點(diǎn)示意圖

自發(fā)現(xiàn)齒輪箱異常后，安排專人運(yùn)用BH550智能巡檢儀定期對齒輪箱進(jìn)行監(jiān)測（測點(diǎn)布置見圖3），規(guī)定輸入軸電機(jī)側(cè)軸承為測點(diǎn)3，輸入軸擠壓機(jī)側(cè)軸承為測點(diǎn)4，通過對2014年12月8日至2015年3月2日的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸入軸的運(yùn)行狀態(tài)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。

（1）調(diào)取速度趨勢圖可以看出輸入軸測點(diǎn)3和測點(diǎn)4不論是水平方向還是垂直方向的振動(dòng)速度值均持續(xù)上漲。例如，齒輪箱輸入軸電機(jī)側(cè)（測點(diǎn)3）水平振動(dòng)的速度值由2014年12月8日的3.2mm/s漲到2015年3月2日的6.442mm/s（圖4）。當(dāng)振動(dòng)體的質(zhì)量一定時(shí)，振動(dòng)能量與振動(dòng)速度的平方成正比，振動(dòng)的速度值越大，振動(dòng)動(dòng)能越大，對設(shè)備的損傷也越大；振動(dòng)速度監(jiān)測值的持續(xù)上漲，說明齒輪箱振動(dòng)能量不斷增加，齒輪箱輸入軸的運(yùn)行狀態(tài)不斷惡化。

（2）從加速度趨勢圖可以看出輸入軸測點(diǎn)3和測點(diǎn)4不論是水平方向還是垂直方向的振動(dòng)加速度值均持續(xù)上漲。例如，齒輪箱輸入軸電機(jī)側(cè)（測點(diǎn)3）水平振動(dòng)的加速度值由2014年12月8日的27 m/ s2漲到2015年3月2日的40 m/s2（圖5）。由牛頓第二定律可以知道，加速度幅值反映了單位質(zhì)量所受沖擊力的狀況。通過監(jiān)測，輸入軸振動(dòng)加速度值不斷增大，反映出輸入軸受到的沖擊力就越大。

(3)根據(jù)傅里葉變換理論，智能巡檢儀BH550將采集到的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，每一個(gè)振動(dòng)特征頻率對應(yīng)于特定的振動(dòng)故障，通過與故障頻率的比對，從而對設(shè)備故障進(jìn)行定位。以輸入軸測點(diǎn)3振動(dòng)速度頻譜圖為例（圖6），可以發(fā)現(xiàn)在131Hz、256Hz附近出現(xiàn)特征頻率，在BH550強(qiáng)大的軸承數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行故障頻率比對，可以發(fā)現(xiàn)該頻率分別接近滾珠和內(nèi)圈的故障頻率，說明該處軸承發(fā)生損傷。進(jìn)一步觀察測點(diǎn)3的振動(dòng)頻譜圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在650Hz和775Hz處有峰值，這大約是輸出軸與中間軸嚙合頻率241.96Hz的3倍；在1306Hz附近處出現(xiàn)峰值，其加速度頻譜圖表現(xiàn)尤其明顯，該振動(dòng)頻率接近輸入軸和中間軸的嚙合頻率1295Hz，反映齒輪嚙合可能存在嚙合不良的情況。

根據(jù)上述3方面的診斷，初步判斷輸入軸兩側(cè)軸承出現(xiàn)損傷，并且輸出軸與中間軸之間存在著嚙合不良的情況，為了進(jìn)一步確認(rèn)診斷結(jié)論，對現(xiàn)場潤滑油進(jìn)行鐵譜分析，發(fā)現(xiàn)潤滑油中存在大粒徑切削磨粒、疲勞磨粒和摩擦聚合物（圖7），說明齒輪箱內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)部件存在磨損。

圖4 測點(diǎn)3振動(dòng)速度值變化趨勢圖

圖5 測點(diǎn)3振動(dòng)加速度值變化趨勢圖

圖6 速度頻譜圖

3 結(jié)論驗(yàn)證

圖8 齒輪箱檢修

根據(jù)故障診斷結(jié)果，車間調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，停機(jī)對齒輪箱輸入軸軸承損傷情況和齒輪嚙合情況進(jìn)行檢查（圖8），發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的損傷。

（1）輸入軸軸承在沖擊載荷作用下，工作表面的局部應(yīng)力超過材料的疲勞極限，在軸承滾道與滾子接觸面上出現(xiàn)不均勻的凹坑，發(fā)生沖擊性塑性變形（圖9）。

圖9 軸承損傷

（2）軸承工作不良，在強(qiáng)大的扭矩下，輸入軸與軸承內(nèi)圈產(chǎn)生相對滑動(dòng)，發(fā)生高溫?zé)齻S頸的現(xiàn)象（圖10）。

圖10 軸頸燒傷

（3）相互嚙合的齒的頂部受到交變沖擊載荷的作用，逐漸產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋又在嚙合過程中不斷擴(kuò)展，齒面表層金屬一小塊一小塊地剝落下來，最終形成坑蝕（圖11）。

解體檢查發(fā)現(xiàn)的設(shè)備損傷類型完全與故障診斷結(jié)論相一致，為了進(jìn)一步驗(yàn)證狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在齒輪箱故障診斷方面的效果，我們對修復(fù)后的齒輪箱進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)檢修后的齒輪箱振動(dòng)速度值和加速度值均在正常范圍內(nèi)，而且趨勢平穩(wěn)。以輸入軸測點(diǎn)3水平振動(dòng)的加速度值和速度值為例，可以看出在最近一年的時(shí)間里，振動(dòng)水平良好，速度值穩(wěn)定在1～2mm/s之間，加速度值穩(wěn)定在7～12mm/s之間（圖12、13）。

圖11 嚙合齒輪坑蝕

4 結(jié)語

本文通過對狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的觀察分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)擠壓脫水機(jī)減速箱存在嚴(yán)重的設(shè)備隱患，并及時(shí)進(jìn)行檢修，避免了惡性設(shè)備事故發(fā)生和全裝置非計(jì)劃的停工，實(shí)際解體和修復(fù)后的監(jiān)測結(jié)果也證明基于BH550的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)知性檢修，提高設(shè)備管理水平。

[1]雷亞國,何正嘉,林京等. 行星齒輪箱故障診斷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011.47(19):59～67.

[2]李民中. 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在煤礦大型機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2006,27(3):534～535.

[3]張亞妹.基于狀態(tài)的維修[J]. 中國設(shè)備工程,2007.03:10～11.

圖12 測點(diǎn)3振動(dòng)速度值變化趨勢圖

圖13 測點(diǎn)3振動(dòng)加速度值變化趨勢圖

TH132.41

A

1671-0711（2017）03（上）-0054-03