基于振動(dòng)頻譜和紅外成像的中速磨減速機(jī)診斷技術(shù)

0 引言

目前，磨煤機(jī)在火電廠中是鍋爐燃燒制粉系統(tǒng)的核心設(shè)備。某電廠660 MW汽輪發(fā)電機(jī)組制粉系統(tǒng)共配有6臺(tái)中速輥盤式磨煤機(jī)。一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)直接影響機(jī)組的穩(wěn)定，導(dǎo)致機(jī)組出力異常。在該設(shè)備運(yùn)行的過程中已發(fā)生了較多的此類故障，如驅(qū)動(dòng)設(shè)備的高壓電機(jī)故障，中間連接減速機(jī)中的軸承及齒輪故障，被驅(qū)動(dòng)的輥盤式磨煤機(jī)故障，以及潤滑油系統(tǒng)出現(xiàn)漏油、下架體出現(xiàn)漏風(fēng)等。針對(duì)以上這些問題進(jìn)行分析，找出問題出現(xiàn)的原因并提出有效的方法加以解決，降低事故率，增強(qiáng)磨煤機(jī)運(yùn)行的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

1 磨煤機(jī)工作原理及故障特征

1.1 磨煤機(jī)工作原理

磨煤機(jī)為JLX-61S立式中速磨主要采用錐——行星傳動(dòng)，通常標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是電機(jī)水平布置轉(zhuǎn)速977 rpm、動(dòng)力水平輸入垂直向上輸出

。該系列立磨減速機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)先后參考并借鑒了國外公司減速機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)，采用三分流的行星傳動(dòng)加以及錐齒輪的結(jié)構(gòu)形式（見圖1）。該結(jié)構(gòu)形式由錐齒輪部分(輸入齒數(shù)18、傘齒數(shù)53）、行星傳動(dòng)部分（太陽輪齒數(shù)16、行星輪齒數(shù)78、齒圈數(shù)152）、推力軸承及箱體部分組成。整體具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高、噪音小等特點(diǎn)。

對(duì)此，巴斯夫大中華區(qū)農(nóng)業(yè)解決方案部運(yùn)營總監(jiān)王翔指出，數(shù)字化在巴斯夫農(nóng)業(yè)解決方案中占據(jù)重要地位。巴斯夫數(shù)字平臺(tái)在中國已進(jìn)行大量元素收集，計(jì)劃第一步推出病害識(shí)別系統(tǒng)，這需要大量的一手素材。巴斯夫與大疆合作后，在推廣方面取得了成績。

1.2 故障特征

2021年6月8日，對(duì)該磨煤機(jī)減速機(jī)進(jìn)行定期點(diǎn)檢測(cè)量時(shí)

，各點(diǎn)紅外測(cè)試及超聲測(cè)試均正常。采用CX10便攜式振動(dòng)儀發(fā)現(xiàn)振動(dòng)通頻值略有偏大，振動(dòng)通頻值為4.7 mm/s（見表1）。振動(dòng)頻譜中主要成分以一級(jí)減速錐形齒輪嚙合頻率為主（18.14 X豎直向幅值2.7 mm/s）相關(guān)換算可描述為：

一個(gè)人在年輕時(shí)吃什么都香，在饑餓難耐時(shí)更是如此，待到老年或吃得大腹便便時(shí)想法就不一樣了。晉代有一位大富豪何曾，生活奢靡，在廚膳滋味上務(wù)求窮極綺麗，雖“日食萬錢，猶曰無下箸處”。原因不外是這位老兄吃得太多太好，味蕾失去了新鮮感。如果餓他三天，或讓他參加一段時(shí)間的艱苦勞動(dòng)后再回到餐桌前，情形會(huì)大不一樣。而另一位與他同時(shí)代的文學(xué)家、書法家張翰，秋風(fēng)起時(shí)，想到的是家鄉(xiāng)的菰菜、莼羹和鱸魚膾，為這些普通土產(chǎn)竟然辭官歸去。

減速機(jī)輸入軸齒輪嚙合頻率

3）磨損嚴(yán)重時(shí)，二次及多次諧波幅值超過嚙合頻率幅值。

后續(xù)研究將針對(duì)生態(tài)效益、景觀美景度、游憩適宜度3個(gè)方面分別構(gòu)建評(píng)價(jià)體系,利用調(diào)查所得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討上海環(huán)城綠帶百米林帶植物群落的現(xiàn)狀特征以及存在的問題,得出更加科學(xué)全面的結(jié)論,并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出提升環(huán)城綠帶綜合價(jià)值的方案,以期為上海環(huán)城綠帶功能的多元化拓展提供指導(dǎo)性建議,并為其他城市中同類型綠帶的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)與發(fā)展方向。

嚙合頻率成分兩側(cè)可見少量間隔為4.56倍頻（此頻率為減速機(jī)行星齒輪嚙合頻率）的邊帶。二次諧波幅值大于嚙合頻率

。頻譜中伴有小數(shù)值非整數(shù)倍頻。圖2頻譜中可以判定軸承有輕微磨損，嚙合齒輪有磨損并影響到二級(jí)減速行星輪齒輪的嚙合狀態(tài)?？紤]外部電網(wǎng)負(fù)荷需要，振動(dòng)值超出4.50 mm/s的警戒值但未進(jìn)入危急值，設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，加強(qiáng)趨勢(shì)跟蹤。

行星輪部分傳動(dòng)比

太陽輪嚙合頻率

對(duì)12月13日測(cè)量的錐齒側(cè)頻譜圖（見圖3）進(jìn)行分析，圖中高頻區(qū)出現(xiàn)明顯的高幅值嚙合頻率諧波（26.10X 4.1 mm/s）。在行星齒輪側(cè)頻譜中有高幅值的錐齒嚙合頻率(18.05X 4.2 mm/s)（見圖4）。在時(shí)域波形圖譜中沖擊幅值達(dá)12.37 g，沖擊間隔為減速機(jī)錐齒齒輪旋轉(zhuǎn)周期，現(xiàn)場(chǎng)除環(huán)境背景噪音之外還有輕微機(jī)械摩擦異聲。對(duì)異聲出現(xiàn)之前6月7日的測(cè)量信息(如圖5所示)進(jìn)行分析，時(shí)域波形圖中已出現(xiàn)輕微的周期性沖擊，間隔也與齒輪旋轉(zhuǎn)周期相同，比較兩次測(cè)量頻譜及時(shí)域波形圖，可以判斷齒輪磨損已出現(xiàn)明顯劣化趨勢(shì)。2022年1月4日再次復(fù)測(cè)錐齒側(cè)及行星輪側(cè)頻譜，各項(xiàng)幅值均大幅提升，其中二級(jí)減速行星齒輪嚙合頻率G2快速突升并伴有豐富的多次諧波，幅值大于嚙合頻率值（見圖6藍(lán)色線）。紅外成像在大齒圈處明顯有溫度偏差，在北部區(qū)域溫度偏高，局部發(fā)熱點(diǎn)50.1℃，南部區(qū)域整體溫度平均，基本在42~43℃。圖7振動(dòng)通頻值已達(dá)7.72 mm/s超危急值，現(xiàn)場(chǎng)除環(huán)境背景噪音之外還有明顯異聲，告知運(yùn)行部門停役進(jìn)行檢修。

2 主要故障形式和振動(dòng)機(jī)理

2.1 不平衡和中心不正

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，簡單而又重要的振動(dòng)原因就是不平衡，轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心存在差異導(dǎo)致三種情況的不平衡。

（1）高運(yùn)營成本。秸稈直燃發(fā)電尚且還是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，在價(jià)格水平的問題上，國內(nèi)依然沒有可以參照的體系。以當(dāng)前的實(shí)際情況來看，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，秸稈發(fā)電成本約為常規(guī)火電成本的1.5倍。一方面因?yàn)榻斩挵l(fā)電機(jī)組投資成本較煤電機(jī)組高；另外，通常秸稈發(fā)電機(jī)組容量較煤電機(jī)組的小，熱效率明顯低于常規(guī)火電機(jī)組；三是秸稈燃料的低位熱值相比于煤炭少50%，并且秸稈重量輕、密度小，體積大，運(yùn)輸和儲(chǔ)存的難度高、成本大，這將導(dǎo)致偏高的燃料成本。

1）靜不平衡即不平衡力作用在一個(gè)平面上的，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)周期性作用的離心力而形成一個(gè)階的振動(dòng)。

The appearance score of each rat was measured on the Days 7, 14, and 21 (7th day of treatment), according to the Standard of TCM syndrome[26] and National standard for clinical diagnosis and treatment of TCM (State Bureau of Technical Supervision, GB/T 16751.2-1997).

《意見稿》稱，智能快件箱使用企業(yè)在使用智能快件箱投遞快件前，應(yīng)當(dāng)征得收件人同意，寄件人交寄快件時(shí)指定智能快件箱作為投遞地址的除外。智能快件箱運(yùn)營企業(yè)應(yīng)在服務(wù)界面提示智能快件箱使用企業(yè)事先征得收件人同意。

2.2 基礎(chǔ)松動(dòng)

依據(jù)齒輪傳動(dòng)理論漸開線齒輪、齒廓齒輪在節(jié)點(diǎn)附近為單齒嚙合，而在結(jié)線的兩邊為雙齒嚙合，嚙合區(qū)的大小則由重疊系數(shù)決定

，因此，每對(duì)齒輪在嚙合過程中承受的載荷是變化的，從而引起齒輪的振動(dòng)。另外一對(duì)齒輪的嚙合過程中，兩齒面相對(duì)滑動(dòng)速度和摩擦力均在節(jié)點(diǎn)處改變方向，引起齒輪的振動(dòng)，從而形成了嚙合頻率及其諧波。

2.3 齒輪嚙合不良

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，松動(dòng)可導(dǎo)致機(jī)器的嚴(yán)重振動(dòng)。松動(dòng)是由基礎(chǔ)松動(dòng)、軸承約束松弛、過大的配合間隙等原因引起，松動(dòng)可以使任何已有的不平衡、不對(duì)中引起的振動(dòng)更加嚴(yán)重。在松動(dòng)情況下，除了產(chǎn)生基本振動(dòng)之外，在振動(dòng)頻譜中還會(huì)產(chǎn)生基本頻率的高次成分，如二倍頻、三倍頻。也會(huì)產(chǎn)生三分之一倍頻及半倍頻等分?jǐn)?shù)級(jí)諧振，其特征是旋轉(zhuǎn)諧頻出現(xiàn)很大的振幅，并且振動(dòng)出現(xiàn)一定的不穩(wěn)定性。在這種情況下的診斷，首先檢查是否存在松動(dòng)。

嚙合頻率與諧波的頻譜關(guān)系（見圖8所示）：

1）初始階段嚙合頻率的幅值最高，各次諧波的幅值依次減小。

2）隨著齒輪磨損的增加，漸開線、齒廓逐漸受到破壞，使齒輪振動(dòng)加劇，此時(shí)嚙合頻率及其各次諧波的幅值逐漸抬高，各次諧波幅值的增加比嚙合頻率更快。

2）偶不平衡作用在轉(zhuǎn)子相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上的不平衡。

行星輪的轉(zhuǎn)速

3）轉(zhuǎn)子上既有靜不平衡又有偶不平衡，稱之為動(dòng)不平衡。不平衡轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)，原始時(shí)域波形相似于一個(gè)純正玄波，振動(dòng)頻譜中，諧波能量主要集中在工作頻率（1X）上，即基頻振動(dòng)成分很大，其它倍頻成分比例很小。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)另一個(gè)振源就是不對(duì)中，不對(duì)中就是聯(lián)軸器連接起來的兩根軸中心線存在偏差。不對(duì)中特征，轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)出現(xiàn)二倍頻，振動(dòng)信號(hào)原始時(shí)域波形呈畸變的正弦波。

利用遠(yuǎn)程移動(dòng)AR系統(tǒng)、虛實(shí)融合的視覺創(chuàng)新技術(shù)，飛躍性地提升遠(yuǎn)程溶栓取栓遠(yuǎn)程指導(dǎo)工作的效率和精準(zhǔn)度，真正實(shí)現(xiàn)全年365天24小時(shí)的60分鐘黃金靜脈溶栓判定服務(wù)，開展以急性腦梗塞的溶栓治療為代表的先進(jìn)治療服務(wù)，提高腦血管患者的救治率，降低腦血管危急重癥的致殘率和死亡率。

2.4 軸承磨損

由于結(jié)構(gòu)和工作原理上的一些特點(diǎn)，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)特別是頻率成分較為繁雜，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)可以是外界激勵(lì)因素所引起的如轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、電磁拉力臨界轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)共振等，這些故障按照各自的特征頻率及處理方法去診斷。當(dāng)軸承故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生突變的沖擊脈沖，從而激發(fā)軸承固有的振動(dòng)頻率，這些振動(dòng)頻率是軸承診斷的重要信息。為使問題簡化而建立運(yùn)動(dòng)假設(shè)方程：

1）軸承零件為剛體，不考慮接觸變形。

2）滾動(dòng)體沿套圈滾道為純滾動(dòng)，滾體表面內(nèi)外圈接觸點(diǎn)的速度與內(nèi)外圈滾道上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)速度相等。

3）忽略間隙影響及不考慮潤滑油膜的作用。依據(jù)幾何學(xué)條件，可求得幾個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和通過頻率（見圖9）。

3 解體處理及分析

按檢修計(jì)劃對(duì)減速機(jī)各部件解體發(fā)現(xiàn)，輸入齒與傘齒嚙合部位有凹坑及壓痕的塑性變形磨損，滾動(dòng)軸承磨損（見圖10）。行星輪、內(nèi)齒圈、太陽輪等零部件嚴(yán)重磨損（見圖11）。設(shè)備解體后分析減速機(jī)的振動(dòng)噪聲，最常用的方法離不開瀑布圖分析，它采用“跳躍式的FFT變換”方式計(jì)算瞬時(shí)頻譜，用三維圖來顯示分析結(jié)果，是所有瞬時(shí)FFT頻譜的集總顯示。對(duì)比測(cè)量的振動(dòng)瀑布圖（見圖12）。整個(gè)故障過程是由長期運(yùn)行導(dǎo)致軸承磨損至2021年6月齒輪嚙合頻率及振動(dòng)通頻值幅值緩慢爬升，至12月故障進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致錐齒軸中心發(fā)生偏移影響行星輪、太陽輪的嚙合質(zhì)量，紅外成像顯示位置中心偏向減速機(jī)北側(cè)，受力點(diǎn)即為最高發(fā)熱區(qū)域。至2022年元月，故障快速惡化致現(xiàn)場(chǎng)異聲明顯，振動(dòng)通頻值超危急值，嚙合頻率成分及倍頻諧波豐富，時(shí)域波形圖沖擊幅值提升明顯。

4 結(jié)束語

減速機(jī)是電廠磨煤機(jī)的關(guān)鍵零部件，也是最容易發(fā)生故障的零部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響設(shè)備性能。一旦出現(xiàn)故障，必然導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生停運(yùn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，“精密點(diǎn)檢”綜合振動(dòng)分析技術(shù)、紅外分析技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械進(jìn)行了交叉會(huì)診，形成了精密診斷意見，解體后也完全驗(yàn)證了精密點(diǎn)檢的相關(guān)診斷和分析。

［1］華電望亭發(fā)電廠.660 MW燃煤機(jī)組鍋爐檢修規(guī)程：Q/WFD-102-3-2.02-2011［S］.

［2］沙德生，陳江.火電廠設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)與管理［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［3］楊國安.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2018.1.

［4］陸人定.齒輪箱故障時(shí)域和頻域綜合診斷技術(shù)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007，36(6):17-19+51.