基于振动频谱和红外成像的中速磨减速机诊断技术

0 引言

目前，磨煤机在火电厂中是锅炉燃烧制粉系统的核心设备。某电厂660 MW汽轮发电机组制粉系统共配有6台中速辊盘式磨煤机。一旦出现故障，将会直接影响机组的稳定，导致机组出力异常。在该设备运行的过程中已发生了较多的此类故障，如驱动设备的高压电机故障，中间连接减速机中的轴承及齿轮故障，被驱动的辊盘式磨煤机故障，以及润滑油系统出现漏油、下架体出现漏风等。针对以上这些问题进行分析，找出问题出现的原因并提出有效的方法加以解决，降低事故率，增强磨煤机运行的可靠性及经济性。

1 磨煤机工作原理及故障特征

1.1 磨煤机工作原理

磨煤机为JLX-61S立式中速磨主要采用锥——行星传动，通常标准设计是电机水平布置转速977 rpm、动力水平输入垂直向上输出

。该系列立磨减速机在设计时先后参考并借鉴了国外公司减速机相关结构，采用三分流的行星传动加以及锥齿轮的结构形式（见图1）。该结构形式由锥齿轮部分(输入齿数18、伞齿数53）、行星传动部分（太阳轮齿数16、行星轮齿数78、齿圈数152）、推力轴承及箱体部分组成。整体具有结构简单、运行平稳、效率高、噪音小等特点。

对此，巴斯夫大中华区农业解决方案部运营总监王翔指出，数字化在巴斯夫农业解决方案中占据重要地位。巴斯夫数字平台在中国已进行大量元素收集，计划第一步推出病害识别系统，这需要大量的一手素材。巴斯夫与大疆合作后，在推广方面取得了成绩。

1.2 故障特征

2021年6月8日，对该磨煤机减速机进行定期点检测量时

，各点红外测试及超声测试均正常。采用CX10便携式振动仪发现振动通频值略有偏大，振动通频值为4.7 mm/s（见表1）。振动频谱中主要成分以一级减速锥形齿轮啮合频率为主（18.14 X竖直向幅值2.7 mm/s）相关换算可描述为：

一个人在年轻时吃什么都香，在饥饿难耐时更是如此，待到老年或吃得大腹便便时想法就不一样了。晋代有一位大富豪何曾，生活奢靡，在厨膳滋味上务求穷极绮丽，虽“日食万钱，犹曰无下箸处”。原因不外是这位老兄吃得太多太好，味蕾失去了新鲜感。如果饿他三天，或让他参加一段时间的艰苦劳动后再回到餐桌前，情形会大不一样。而另一位与他同时代的文学家、书法家张翰，秋风起时，想到的是家乡的菰菜、莼羹和鲈鱼脍，为这些普通土产竟然辞官归去。

减速机输入轴齿轮啮合频率

3）磨损严重时，二次及多次谐波幅值超过啮合频率幅值。

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啮合频率成分两侧可见少量间隔为4.56倍频（此频率为减速机行星齿轮啮合频率）的边带。二次谐波幅值大于啮合频率

。频谱中伴有小数值非整数倍频。图2频谱中可以判定轴承有轻微磨损，啮合齿轮有磨损并影响到二级减速行星轮齿轮的啮合状态。考虑外部电网负荷需要，振动值超出4.50 mm/s的警戒值但未进入危急值，设备继续运行，加强趋势跟踪。

行星轮部分传动比

太阳轮啮合频率

对12月13日测量的锥齿侧频谱图（见图3）进行分析，图中高频区出现明显的高幅值啮合频率谐波（26.10X 4.1 mm/s）。在行星齿轮侧频谱中有高幅值的锥齿啮合频率(18.05X 4.2 mm/s)（见图4）。在时域波形图谱中冲击幅值达12.37 g，冲击间隔为减速机锥齿齿轮旋转周期，现场除环境背景噪音之外还有轻微机械摩擦异声。对异声出现之前6月7日的测量信息(如图5所示)进行分析，时域波形图中已出现轻微的周期性冲击，间隔也与齿轮旋转周期相同，比较两次测量频谱及时域波形图，可以判断齿轮磨损已出现明显劣化趋势。2022年1月4日再次复测锥齿侧及行星轮侧频谱，各项幅值均大幅提升，其中二级减速行星齿轮啮合频率G2快速突升并伴有丰富的多次谐波，幅值大于啮合频率值（见图6蓝色线）。红外成像在大齿圈处明显有温度偏差，在北部区域温度偏高，局部发热点50.1℃，南部区域整体温度平均，基本在42~43℃。图7振动通频值已达7.72 mm/s超危急值，现场除环境背景噪音之外还有明显异声，告知运行部门停役进行检修。

2 主要故障形式和振动机理

2.1 不平衡和中心不正

实践经验表明，简单而又重要的振动原因就是不平衡，转子质量中心和旋转中心存在差异导致三种情况的不平衡。

（1）高运营成本。秸秆直燃发电尚且还是一个新兴产业，在价格水平的问题上，国内依然没有可以参照的体系。以当前的实际情况来看，在现有的技术水平下，秸秆发电成本约为常规火电成本的1.5倍。一方面因为秸秆发电机组投资成本较煤电机组高；另外，通常秸秆发电机组容量较煤电机组的小，热效率明显低于常规火电机组；三是秸秆燃料的低位热值相比于煤炭少50%，并且秸秆重量轻、密度小，体积大，运输和储存的难度高、成本大，这将导致偏高的燃料成本。

1）静不平衡即不平衡力作用在一个平面上的，当转子旋转产生一个周期性作用的离心力而形成一个阶的振动。

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).

《意见稿》称，智能快件箱使用企业在使用智能快件箱投递快件前，应当征得收件人同意，寄件人交寄快件时指定智能快件箱作为投递地址的除外。智能快件箱运营企业应在服务界面提示智能快件箱使用企业事先征得收件人同意。

2.2 基础松动

依据齿轮传动理论渐开线齿轮、齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在结线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数决定

，因此，每对齿轮在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动。另外一对齿轮的啮合过程中，两齿面相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动，从而形成了啮合频率及其谐波。

2.3 齿轮啮合不良

在旋转机械中，松动可导致机器的严重振动。松动是由基础松动、轴承约束松弛、过大的配合间隙等原因引起，松动可以使任何已有的不平衡、不对中引起的振动更加严重。在松动情况下，除了产生基本振动之外，在振动频谱中还会产生基本频率的高次成分，如二倍频、三倍频。也会产生三分之一倍频及半倍频等分数级谐振，其特征是旋转谐频出现很大的振幅，并且振动出现一定的不稳定性。在这种情况下的诊断，首先检查是否存在松动。

啮合频率与谐波的频谱关系（见图8所示）：

1）初始阶段啮合频率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小。

2）随着齿轮磨损的增加，渐开线、齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各次谐波的幅值逐渐抬高，各次谐波幅值的增加比啮合频率更快。

2）偶不平衡作用在转子相对的两个侧面上的不平衡。

行星轮的转速

3）转子上既有静不平衡又有偶不平衡，称之为动不平衡。不平衡转子的振动信号，原始时域波形相似于一个纯正玄波，振动频谱中，谐波能量主要集中在工作频率（1X）上，即基频振动成分很大，其它倍频成分比例很小。转子系统另一个振源就是不对中，不对中就是联轴器连接起来的两根轴中心线存在偏差。不对中特征，转子径向振动出现二倍频，振动信号原始时域波形呈畸变的正弦波。

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2.4 轴承磨损

由于结构和工作原理上的一些特点，滚动轴承的振动信号特别是频率成分较为繁杂，滚动轴承的振动可以是外界激励因素所引起的如转子不平衡、不对中、电磁拉力临界转速结构共振等，这些故障按照各自的特征频率及处理方法去诊断。当轴承故障时，会产生突变的冲击脉冲，从而激发轴承固有的振动频率，这些振动频率是轴承诊断的重要信息。为使问题简化而建立运动假设方程：

1）轴承零件为刚体，不考虑接触变形。

2）滚动体沿套圈滚道为纯滚动，滚体表面内外圈接触点的速度与内外圈滚道上的对应点速度相等。

3）忽略间隙影响及不考虑润滑油膜的作用。依据几何学条件，可求得几个转动频率和通过频率（见图9）。

3 解体处理及分析

按检修计划对减速机各部件解体发现，输入齿与伞齿啮合部位有凹坑及压痕的塑性变形磨损，滚动轴承磨损（见图10）。行星轮、内齿圈、太阳轮等零部件严重磨损（见图11）。设备解体后分析减速机的振动噪声，最常用的方法离不开瀑布图分析，它采用“跳跃式的FFT变换”方式计算瞬时频谱，用三维图来显示分析结果，是所有瞬时FFT频谱的集总显示。对比测量的振动瀑布图（见图12）。整个故障过程是由长期运行导致轴承磨损至2021年6月齿轮啮合频率及振动通频值幅值缓慢爬升，至12月故障进一步恶化，导致锥齿轴中心发生偏移影响行星轮、太阳轮的啮合质量，红外成像显示位置中心偏向减速机北侧，受力点即为最高发热区域。至2022年元月，故障快速恶化致现场异声明显，振动通频值超危急值，啮合频率成分及倍频谐波丰富，时域波形图冲击幅值提升明显。

4 结束语

减速机是电厂磨煤机的关键零部件，也是最容易发生故障的零部件之一，其运行状态直接影响设备性能。一旦出现故障，必然导致设备发生停运，造成重大经济损失。因此，“精密点检”综合振动分析技术、红外分析技术等先进技术手段，对转动机械进行了交叉会诊，形成了精密诊断意见，解体后也完全验证了精密点检的相关诊断和分析。

［1］华电望亭发电厂.660 MW燃煤机组锅炉检修规程：Q/WFD-102-3-2.02-2011［S］.

［2］沙德生，陈江.火电厂设备状态检修技术与管理［M］.北京：中国电力出版社，2016.

［3］杨国安.旋转机械故障诊断实用技术［M］.北京：中国石化出版社，2018.1.

［4］陆人定.齿轮箱故障时域和频域综合诊断技术［J］.机电工程技术，2007，36(6):17-19+51.