基于状态监测技术的齿轮箱故障诊断分析

2017-05-11马斌良陶军付超张海春廖君

中国设备工程 2017年5期

关键词：齿轮箱测点轴承

马斌良，陶军，付超，张海春，廖君

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆独山子 833699）

基于状态监测技术的齿轮箱故障诊断分析

马斌良，陶军，付超，张海春，廖君

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆独山子 833699）

利用基于BH550的状态监测技术，对挤压脱水机齿轮箱历史监测数据进行分析，发现齿轮箱输入轴两端水平和垂直振动的加速度值和速度值呈现持续上涨趋势，油样铁谱分析也发现齿轮箱处存在一定程度的磨损。对振动频谱进一步分析，发现在轴承故障频率和齿轮啮合频率处有较大振动冲击值，判断轴承和齿轮发生损伤，齿轮箱解体检查的结果证实了诊断结论，避免了装置的非计划停工。

BH550；状态监测；齿轮箱；故障诊断

1 机组运行情况简介

某厂丁苯橡胶装置后处理系统的挤压脱水机属于厂级主要设备（图1），机组通过电机驱动，通过齿轮箱将扭矩传递给挤压脱水机的螺杆，挤压脱水机的螺杆在带有笼条的筒体内转动，迫使含有大量水分的胶料向挤压机出料端运动。这股力便在物料上形成挤压力，从而除去胶料中的水份。挤压脱水机配套安装的齿轮箱属于组合减速器（图2），一侧连接电机，另一侧连接挤压机，齿轮箱内共有输入轴、中间轴和输出轴，主要功能是用来降低电机转速，输出更大扭矩。

图1 挤压脱水机

图2 挤压脱水机齿轮箱实物图

自从2014年12月以来，现场使用VM63监测齿轮箱壳体振动时，发现输入轴两侧轴承振动与前期对比有所增加，对工艺操作参数分析，未反映出设备有明显的故障。由于齿轮箱中振动传输路径不规律,各种机械振动之间存在相互耦合,用普通的监测手段无法确认故障原因，该设备属于主要设备，关系到装置的长周期运行，在原因不清的情况下，不易冒然停机检查，同时又担心设备的意外停机造成整套装置的非计划停工，因此该设备是否停机检修给设备管理者的决策带来很大的困难。为了能够准确判断齿轮箱是否故障，并对故障部位定位，运用基于博华信智BH500的状态监测技术，对齿轮箱的运行状态进行数据采集和频谱分析。

2 故障诊断和分析

图3 齿轮箱状态监测测点示意图

自发现齿轮箱异常后，安排专人运用BH550智能巡检仪定期对齿轮箱进行监测（测点布置见图3），规定输入轴电机侧轴承为测点3，输入轴挤压机侧轴承为测点4，通过对2014年12月8日至2015年3月2日的历史监测数据的对比分析，发现齿轮箱输入轴的运行状态呈现以下发展趋势。

（1）调取速度趋势图可以看出输入轴测点3和测点4不论是水平方向还是垂直方向的振动速度值均持续上涨。例如，齿轮箱输入轴电机侧（测点3）水平振动的速度值由2014年12月8日的3.2mm/s涨到2015年3月2日的6.442mm/s（图4）。当振动体的质量一定时，振动能量与振动速度的平方成正比，振动的速度值越大，振动动能越大，对设备的损伤也越大；振动速度监测值的持续上涨，说明齿轮箱振动能量不断增加，齿轮箱输入轴的运行状态不断恶化。

（2）从加速度趋势图可以看出输入轴测点3和测点4不论是水平方向还是垂直方向的振动加速度值均持续上涨。例如，齿轮箱输入轴电机侧（测点3）水平振动的加速度值由2014年12月8日的27 m/ s2涨到2015年3月2日的40 m/s2（图5）。由牛顿第二定律可以知道，加速度幅值反映了单位质量所受冲击力的状况。通过监测，输入轴振动加速度值不断增大，反映出输入轴受到的冲击力就越大。

(3)根据傅里叶变换理论，智能巡检仪BH550将采集到的时域振动信号转换为频域信号，每一个振动特征频率对应于特定的振动故障，通过与故障频率的比对，从而对设备故障进行定位。以输入轴测点3振动速度频谱图为例（图6），可以发现在131Hz、256Hz附近出现特征频率，在BH550强大的轴承数据库中进行故障频率比对，可以发现该频率分别接近滚珠和内圈的故障频率，说明该处轴承发生损伤。进一步观察测点3的振动频谱图中还可以发现，在650Hz和775Hz处有峰值，这大约是输出轴与中间轴啮合频率241.96Hz的3倍；在1306Hz附近处出现峰值，其加速度频谱图表现尤其明显，该振动频率接近输入轴和中间轴的啮合频率1295Hz，反映齿轮啮合可能存在啮合不良的情况。

根据上述3方面的诊断，初步判断输入轴两侧轴承出现损伤，并且输出轴与中间轴之间存在着啮合不良的情况，为了进一步确认诊断结论，对现场润滑油进行铁谱分析，发现润滑油中存在大粒径切削磨粒、疲劳磨粒和摩擦聚合物（图7），说明齿轮箱内转动部件存在磨损。

图4 测点3振动速度值变化趋势图

图5 测点3振动加速度值变化趋势图

图6 速度频谱图

3 结论验证

图8 齿轮箱检修

根据故障诊断结果，车间调整生产计划，停机对齿轮箱输入轴轴承损伤情况和齿轮啮合情况进行检查（图8），发现以下几个方面的损伤。

（1）输入轴轴承在冲击载荷作用下，工作表面的局部应力超过材料的疲劳极限，在轴承滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑，发生冲击性塑性变形（图9）。

图9 轴承损伤

（2）轴承工作不良，在强大的扭矩下，输入轴与轴承内圈产生相对滑动，发生高温烧伤轴颈的现象（图10）。

图10 轴颈烧伤

（3）相互啮合的齿的顶部受到交变冲击载荷的作用，逐渐产生疲劳裂纹，裂纹又在啮合过程中不断扩展，齿面表层金属一小块一小块地剥落下来，最终形成坑蚀（图11）。

解体检查发现的设备损伤类型完全与故障诊断结论相一致，为了进一步验证状态监测技术在齿轮箱故障诊断方面的效果，我们对修复后的齿轮箱进行监测，发现检修后的齿轮箱振动速度值和加速度值均在正常范围内，而且趋势平稳。以输入轴测点3水平振动的加速度值和速度值为例，可以看出在最近一年的时间里，振动水平良好，速度值稳定在1～2mm/s之间，加速度值稳定在7～12mm/s之间（图12、13）。