復(fù)雜工況下旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱的故障診斷方法

林水泉，呂運容，鄧向武

(廣東石油化工學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，廣東茂名 525000)

0 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機組在航空、電力、石油化工等領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析，旋轉(zhuǎn)機組中約有80%的故障是由齒輪箱故障引起的。齒輪箱是現(xiàn)代機械設(shè)備和系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)部件之一，由于它具有傳動精度高、傳動力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，已在航空航天、石化企業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用[1]。齒輪箱的主要功能是傳遞動力，并改變機械設(shè)備的轉(zhuǎn)速。為了滿足機組正常運轉(zhuǎn)的要求，齒輪箱中的軸承與齒輪等零部件采用復(fù)雜的加工工藝和具有較高的加工精度。然而，由于旋轉(zhuǎn)機組長期處于高轉(zhuǎn)速、交變載荷與高溫高壓等惡劣的環(huán)境與復(fù)雜工況下，齒輪箱中的軸承和齒輪極易出現(xiàn)斷齒、膠合、磨損和點蝕等故障，從而引起局部失效，進而影響到機械系統(tǒng)整體運行的安全性和可靠性，輕則導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，重則造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[2-3]。

綜上所述，旋轉(zhuǎn)機組故障診斷的方法很多，但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號干擾大、耦合性強，加上所處的環(huán)境比較特殊，以及受到復(fù)雜工況及外界因素的影響下，往往會造成齒輪箱故障難分辨、精度不高等問題。因此，本文作者結(jié)合多傳感器與D-S證據(jù)理論，提出一種復(fù)雜工況下多傳感器融合的齒輪箱故障診斷方法，有效地解決齒輪箱故障診斷存在的問題，并且對齒輪箱故障診斷研究提供更好的借鑒與參考價值。

1 旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱

旋轉(zhuǎn)機組工作環(huán)境的特殊性，電動機對它的旋轉(zhuǎn)動力，加上葉輪端的阻力均會對它造成一定的影響，特別是齒輪間相互嚙合過程中產(chǎn)生的振動、軸承轉(zhuǎn)動過程中內(nèi)圈、外圈與滾珠之間的相互摩擦產(chǎn)生的振動等因素，大大增加了齒輪箱故障診斷的復(fù)雜度。

1.1 旋轉(zhuǎn)機組結(jié)構(gòu)與工作原理

齒輪箱在電機組中應(yīng)用十分廣泛，它作為多級離心風(fēng)機的關(guān)鍵組成部分，主要是由電動機的轉(zhuǎn)動帶動齒輪箱中齒輪的運轉(zhuǎn)，從而讓風(fēng)機中的葉輪得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)機組主要由電動機、扭力傳器、齒輪箱、風(fēng)機等部件組成，其中齒輪箱包括軸承、齒輪與轉(zhuǎn)動軸。然而，旋轉(zhuǎn)機組工作原理為：電動機帶動設(shè)備，并把動力源傳到齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱的齒輪變速，從而帶動風(fēng)機的葉輪工作。其中，風(fēng)機軸承用于支撐旋轉(zhuǎn)軸并為齒輪箱的轉(zhuǎn)動做支撐，聯(lián)軸器用于補償電機間的軸系誤差。此外，旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱的潤滑方式比較多，主要分為半流體潤滑脂潤滑、齒輪油潤滑與固體潤滑劑潤滑。一般來說，半流體潤滑脂潤滑適用于轉(zhuǎn)速較低、密封性要求不高的情況；齒輪油潤滑適用于負荷大、轉(zhuǎn)速高及密封性好的條件；固體潤滑劑則適用于高溫或禁油場合的情況。但是，旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱的潤滑方式基本上以齒輪油潤滑為主，通過將齒輪油循環(huán)進出齒輪箱，起到冷卻、潤滑的作用。

1.2 齒輪箱的作用

齒輪箱作為旋轉(zhuǎn)機組關(guān)鍵的機械部件，其主要作用為：(1)改變轉(zhuǎn)動力矩。在功率相同的情況下,轉(zhuǎn)速快的齒輪,轉(zhuǎn)動軸受到的力矩越小,反之越大；(2)分配動力。通過齒輪箱上的主動軸帶動多個從動軸,實現(xiàn)了機組帶動多個負載的功能；(3)加減速。通過將齒輪箱左右兩端的大小齒輪進行調(diào)換，實現(xiàn)機組的加速與減速功能；(4)改變傳動方向。通過扇形齒輪把力垂直傳遞到另一個轉(zhuǎn)動軸上，從而實現(xiàn)傳動方向的變動；(5)離合功能。通過將已嚙合的齒輪分開,實現(xiàn)發(fā)動機與負載脫離的效果。因此，齒輪箱在旋轉(zhuǎn)機組中占據(jù)著重要的作用，其故障必會造成機組的正常運轉(zhuǎn)，影響設(shè)備安全、可靠的運行。那么，對機組齒輪箱進行監(jiān)測與維護顯得十分重要。

1.3 復(fù)雜工況下齒輪箱常見的故障

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，旋轉(zhuǎn)機組除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，還處于轉(zhuǎn)速高、負載大、運轉(zhuǎn)時間長等復(fù)雜工況下，齒輪箱難免會發(fā)生各種故障問題。一般來說，齒輪箱故障可分為單一故障與復(fù)合故障。齒輪箱單一故障件主要為轉(zhuǎn)動軸、軸承、齒輪。據(jù)統(tǒng)計分析，在齒輪箱故障中，齒輪所占的比例高達60%，軸承所占的比例為19%，轉(zhuǎn)動軸所占的比例為10%。其中，轉(zhuǎn)動軸故障為彎軸、裂軸、偏心軸、不對中軸；軸承故障為外圈磨損、內(nèi)圈磨損、滾珠磨損、膠合故障；齒輪故障為斷齒、缺齒、裂齒、齒輪磨損、齒輪點蝕、齒輪膠合。然而，復(fù)合故障種類較多，可為轉(zhuǎn)動軸2種或2種以上故障、軸承2種或2種以上故障、齒輪2種或2種以上故障，以及轉(zhuǎn)動軸+軸承故障、軸承+齒輪故障、轉(zhuǎn)動軸+齒輪故障、轉(zhuǎn)動軸+齒輪+軸承故障等。但齒輪箱常見的故障主要有齒輪缺齒、齒輪磨損、齒輪點蝕、軸承外圈磨損、軸承內(nèi)圈磨損、軸承滾珠磨損等。因此，為了減少齒輪箱故障，避免安全事故的發(fā)生，對它進行監(jiān)測與維護顯得很有意義。

2 齒輪箱故障診斷方法

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，目前很多國內(nèi)外專家學(xué)者在旋轉(zhuǎn)機組故障診斷領(lǐng)域做了大量的研究工作，而故障診斷技術(shù)在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，且診斷效果比較理想[4-5]。然而，復(fù)雜工況下旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生故障時，振動監(jiān)測信號一般表現(xiàn)為隨機性、非線性、不可遍歷性等特征，造成了故障信號分析的困難[6]。

2.1 齒輪箱現(xiàn)有故障診斷技術(shù)

近年來，旋轉(zhuǎn)機組故障診斷方法取得了很大的成就，對機組的故障診斷起到關(guān)鍵的作用。常見的故障診斷方法主要為時域分析、頻域分析、時頻域分析。其中，時域分析診斷方法作為一種起源最早的振動分析法，主要對時變數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從而判斷系統(tǒng)運行的狀態(tài)。頻域分析診斷方法則是利用有限長度的平穩(wěn)隨機信號估計總功率在頻域的分布情況，對早期故障進行精密的診斷。時頻域分析方法則對表征振動信號的時域與頻域特征進行結(jié)合，有效表達出信號在時間與頻率2個維度的分布特性，對故障診斷處理非平穩(wěn)局部信息有著重要的作用[7]。

目前，對于旋轉(zhuǎn)機組的齒輪箱故障，技術(shù)人員一般采用經(jīng)驗分析法進行判斷與預(yù)測，即通過看、聽、摸、拆等手段對運轉(zhuǎn)機組齒輪箱的振動、聲音以及溫度等參數(shù)的大小進行分析和預(yù)判。然而，隨著設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號干擾大、耦合性強、影響因素多，該方法已與復(fù)雜工況下日益發(fā)展的旋轉(zhuǎn)機組不再相適應(yīng)，不但對技術(shù)人員經(jīng)驗要求高，而且難以綜合考慮外界因素的影響，從而造成齒輪箱故障的漏診與誤診，直接影響到齒輪箱的故障診斷準確性。因此，文中提出了一種基于復(fù)雜工況下多傳感器融合的齒輪箱故障診斷方法，力爭為齒輪箱故障診斷提供一定的參考價值。

2.2 齒輪箱故障診斷方法

2.2.1 D-S證據(jù)理論

D-S證據(jù)理論作為一種精確度不高的推理方法，1967年被DEMPSTER[8-9]提出。D-S證據(jù)理論不僅符合比貝葉斯概率論更弱的條件，還可以展示“不確定”和“不知道”的能力。隨著科學(xué)信息技術(shù)的進步，D-S證據(jù)理論被廣泛應(yīng)用，尤其在信息融合技術(shù)方面起到了關(guān)鍵的作用。

在D-S證據(jù)理論中，由互不相容的基本命題組成的集合稱為識別框架，表示某一個問題所有答案的可能性，但其中只有一個答案是正確的。在此，假設(shè)m1和m2為2個獨立證據(jù)源導(dǎo)出的基本概率分配函數(shù)，結(jié)合DEMPSTER聯(lián)合規(guī)則，可計算出在2個證據(jù)共同作用下，產(chǎn)生出反映融合信息的新的基本概率分配函數(shù)。假設(shè)m1,m2為同一識別框架下的2個基本概率分配函數(shù)，則DEMPSTER組合規(guī)則為

(1)

2.2.2 齒輪箱傳感器布置與采集

為了獲取旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱數(shù)據(jù)的全面性、準確性，提高檢測的精度，傳感器的數(shù)量與位置布設(shè)顯得十分重要。文中選取5個溫度傳感器，依次安裝在齒輪箱的前面、后面、左面、右面與上面。溫度傳感器的布置要求為：(1)選取齒輪箱平整、干凈的表面；(2)傳感器與齒輪箱表面呈90°安裝；(3)傳感器與傳感器相互間的距離盡可能相對均勻；(4)不影響齒輪箱冷卻管道、螺栓拆卸、機組運轉(zhuǎn)等情況；(5)安裝位置便于觀察以及后續(xù)的更換。并且，將溫度傳感器通過傳輸電纜依次與信號處理模塊、采集器和服務(wù)器相連接，把分析后的溫度數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控裝置，按照數(shù)據(jù)大小劃分為正常期、觀察期、過渡期、報警期與危險期。

此外，旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱上安裝的5個溫度傳感器，以采集頻率f對齒輪箱進行溫度采集，采集周期間隔為t0，那么在1個周期里溫度傳感器采集的次數(shù)為n，其中n=t0/f，分別將5個溫度傳感器測量的n次溫度歸一化至[0,1]，具體為

(2)

其中：i表示第i個溫度傳感器，j表示溫度傳感器第j次測量，且1≤i≤5，1≤j≤n；Tij為第i個溫度傳感器第j次測量溫度；mij為第i個溫度傳感器第j次測量溫度歸一化后的數(shù)值。

2.2.3 齒輪箱故障診斷方法

對于復(fù)雜工況下的旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱，通過多溫度傳感器對它進行溫度數(shù)據(jù)的采集，為了提高數(shù)據(jù)采集的準確性與完整性，確保旋轉(zhuǎn)機組安全、可靠、順利地運轉(zhuǎn)，針對齒輪箱故障問題提出一種新的診斷方法，具體流程如圖1所示。

圖1 齒輪箱故障診斷流程

對于齒輪箱的故障診斷，文中通過安裝5個傳感器進行數(shù)據(jù)采集，運用D-S證據(jù)理論將其歸一化后的結(jié)果mij進行融合，計算出歸一化常數(shù)K，以及分別計算出第j次融合后的概率分布m總j。其中：依次用c1—c5代表第1—5個溫度傳感器，用K12、K123、K1234、K12345分別表示傳感器c1c2、c1c2c3、c1c2c3c4、c1c2c3c4c5的歸一化常數(shù)，用Tc1c2(j)代表c1c2第j次測量溫度歸一化后的數(shù)值，用Tc1c2c3(j) 代表c1c2c3第j次測量溫度歸一化后的數(shù)值，用Tc1c2c3c4(j)代表c1c2c3c4第j次測量溫度歸一化后的數(shù)值，用Tc1c2c3c4c5(j)代表c1c2c3c4c5第j次測量溫度歸一化后的數(shù)值，故m總j=c1c2c3c4c5(j)。那么，具體的表達為

K12=m11×m21+m12×m22+m13×m23

(3)

(4)

K123=Tc1c2(j)×m31+Tc1c2(j)×m32+Tc1c2(j)×m33

(5)

(6)

K1234=Tc1c2c3(j)×m41+Tc1c2c3(j)×m42+Tc1c2c3(j)×m43

(7)

(8)

K12345=Tc1c2c3c4(j)×m51+Tc1c2c3c4(j)×m52+

Tc1c2c3c4(j)×m53

(9)

(10)

選定m總j最大值對應(yīng)的5個傳感器第j次測量溫度作為故障的決策判斷，計算5個溫度傳感器溫度的平均值T總。根據(jù)機組齒輪箱運轉(zhuǎn)情況，設(shè)置正常期、觀察期、過渡期、報警期與危險期對應(yīng)的溫度區(qū)間分別為<45 ℃、[45,55) ℃、[55，60) ℃、[60，65) ℃和>65℃。并將平均值T總與對應(yīng)的溫度區(qū)間作比較，判斷機組目前所處于哪個狀態(tài)。

3 實例應(yīng)用與分析

某實驗室的旋轉(zhuǎn)機組多級離心風(fēng)機，轉(zhuǎn)速最高可達到3 000 r/min，設(shè)備主要由電動機、彈性聯(lián)軸器、扭力傳感器、齒輪箱、空氣壓縮機、油箱、空氣過濾器、流量計、壓力表以及底座等部分構(gòu)成。設(shè)備正常啟動，機組總體運行狀態(tài)良好，但由于已連續(xù)工作時間比較長，擔(dān)心后續(xù)運轉(zhuǎn)會造成設(shè)備的損壞。因此，利用此故障診斷方法對其進行預(yù)判，通過在旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱的前面、后面、左面、右面以及上面5個方向分別安裝溫度傳感器，啟動機組，設(shè)置采集周期t0為3 s，采集頻率為1 s/次。多級離心風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)后，此時5個溫度傳感器檢測到齒輪箱對應(yīng)溫度分別為T1、T2、T3、T4、T5，其中測得T1={45,49,43}℃、T2={46,52,48}℃、T3={51,47,50}℃、T4={53,49,46}℃、T5={42,47,44}℃。

結(jié)合以上公式，計算出齒輪箱各溫度傳感器歸一化后的數(shù)值mij以及m總j，其中m總j=Tc1c2c3c4c5(j)，具體如表1所示。

表1 各溫度傳感器歸一化后的數(shù)據(jù)

文中選定m總j最大值對應(yīng)的5個傳感器第j次測量溫度作為故障的決策判斷，并且計算5個溫度傳感器的數(shù)據(jù)平均值T總。那么，m總1=Tc1c2c3c4c5(1)=0.326,m總2=Tc1c2c3c4c5(2)=0.384,m總3=Tc1c2c3c4c5(3)=0.290，因為0.384>0.326>0.290，所以將m總2對應(yīng)的數(shù)據(jù)為溫度融合參考依據(jù)，也就是以5個傳感器測量的第2次數(shù)據(jù)為準。此時，T總=(49+52+47+49+47)/5=48.8 ℃。因此，機組齒輪箱多溫度傳感器融合后的溫度48.8 ℃大于45 ℃且小于55 ℃，所以采用此故障診斷方法得多級離心風(fēng)機齒輪箱的運行狀態(tài)為觀察期階段，不必停機對齒輪箱進行部件的更換，機組在技術(shù)人員的監(jiān)控下可繼續(xù)工作。

4 結(jié)語

文中針對復(fù)雜工況下旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱存在的故障問題，提出了一種基于多傳感器與D-S證據(jù)理論相結(jié)合的故障診斷方法。通過某實驗室的旋轉(zhuǎn)機組多級離心風(fēng)機進行分析與驗證，結(jié)果表明了該診斷方法的有效性與可行性，確保了旋轉(zhuǎn)機組齒輪箱安全、可靠、正常地運行，減少了安全事故的發(fā)生，為旋轉(zhuǎn)機組故障診斷研究提供一定的借鑒與參考價值。