林水泉

（廣東石油化工學院 廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室，茂名525000）

旋轉(zhuǎn)機組在石油、化工以及航天航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，促進了各行各業(yè)的發(fā)展。這類設(shè)備的故障診斷方法一直是該領(lǐng)域的研究重點與熱點[1]。同時，齒輪傳動是旋轉(zhuǎn)機械中最常用的傳動方式之一，且作為變速箱關(guān)鍵的組成部件，其運行狀態(tài)直接影響著整臺機組的工作狀況[2]。旋轉(zhuǎn)機組不斷運轉(zhuǎn)，難免會發(fā)生各種問題，特別是變速箱。相關(guān)資料統(tǒng)計，60%的變速箱故障由齒輪問題造成[3-4]。變速箱一旦發(fā)生故障可能會迫使機組停運，影響企業(yè)的生產(chǎn)與效益，嚴重時可能會危及人類的生命安全。因此，對旋轉(zhuǎn)機組變速箱中的齒輪進行故障診斷具有重要意義[5]。

1 齒輪故障診斷方法

旋轉(zhuǎn)機組變速箱常見的齒輪故障包括齒輪斷齒、齒輪裂齒、齒輪磨損、齒輪點蝕以及齒輪膠合。但是，由于實際工作時環(huán)境相對惡劣且載荷比較復(fù)雜[6]，受到的干擾因素很多，并存在不確定性等，直接影響齒輪故障的監(jiān)測與診斷。目前，分析變速箱齒輪故障通常采用經(jīng)驗分析法，即設(shè)備維修或點檢人員通過變速箱的聲音、溫度以及振動等各個方面參數(shù)的表現(xiàn)判斷變速箱是否存在故障。但是，這種分析方法對技術(shù)人員的經(jīng)驗要求較高，且技術(shù)人員很難全面考慮各個影響因素。因此本文提出了一種能夠精確量化變速箱齒輪故障分析的方法。

1.1 齒輪精度等級

齒輪是機械旋轉(zhuǎn)設(shè)備的關(guān)鍵零件，廣泛應(yīng)用于機床、汽車、冶金、船舶以及工程機械等領(lǐng)域。此外，齒輪的精度等級應(yīng)根據(jù)傳動的用途、使用條件、傳動效率、圓周速度以及其他經(jīng)濟與技術(shù)指標來確定。由于運動的準確性、傳動的平穩(wěn)性和載荷分布均勻性的要求不同，旋轉(zhuǎn)機組變速箱中不同類型的齒輪精度等級參數(shù)也不同。本文中的齒輪精度等級用A來表示，相關(guān)參數(shù)包括模數(shù)m、齒輪硬度H以及齒輪精度R。其中，模數(shù)m、齒輪硬度H以及齒輪精度R均包含4個等級，且三者權(quán)重系數(shù)相等，分別是模數(shù)小于1.5為1級，模數(shù)2～8為2級，模數(shù)10～20為3級，模數(shù)25～50為4級。齒輪的精度等級參數(shù)A可表示為：

1.2 齒輪潤滑環(huán)境

齒輪潤滑方法較多，常見的有噴油潤滑、人工潤滑、油池潤滑、油霧潤滑以及人工油涵等。但是，在不同的旋轉(zhuǎn)機組中，齒輪在變速箱中的潤滑環(huán)境不同。本文所涉及的潤滑環(huán)境包括浸油潤滑、噴油潤滑、滴油潤滑、潤滑脂潤滑以及干式潤滑，從高到低依次是80、60、40、20、10，用B來表示。此外，它的負載系數(shù)可表示為：

式中：E為實際負載；F為變速箱的額定承載；P為負載沖擊指數(shù)，為1～8。扭矩平穩(wěn)時，認為負載沖擊指數(shù)較?。蝗绻撦d沖擊過大，則認為負載沖擊指數(shù)較大。

然而，當變速箱的輸入輸出轉(zhuǎn)速比不等于變速箱自身的轉(zhuǎn)速比時，說明旋轉(zhuǎn)機組變速箱中出現(xiàn)了嚴重的打齒現(xiàn)象?？紤]到也有可能出現(xiàn)軸承和傳動軸故障，此時認為變速箱齒輪故障的故障率不低于80%。

1.3 齒輪診斷分析方法

旋轉(zhuǎn)機組中齒輪的診斷方法較多，其中傳統(tǒng)方法對技術(shù)人員要求較高且無法量化分析各個影響因素。本文通過維修、保養(yǎng)及點檢記錄建立變速箱齒輪故障數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含影響變速箱齒輪的一些外在因素和內(nèi)在因素。內(nèi)在因素包括變速箱齒輪的具體參數(shù)和潤滑環(huán)境。齒輪的具體參數(shù)包括模數(shù)、齒輪硬度以及齒輪精度。其中，溫差T為變速箱的表面溫度與外界溫度之差。振動V通過振動位移值、振動速度值以及振動加速度值進行綜合表示。

根據(jù)變速箱齒輪故障數(shù)據(jù)庫分析影響變速箱齒輪故障的外在因素，包括溫差T、聲音S、振動V及裂紋D，同時確定各外在因素的修正系數(shù)，建立變速箱齒輪故障率N：

式中：a為溫度修正系數(shù)；b為聲音修正系數(shù)；c指為振動修正系數(shù)；d為裂紋修正系數(shù)。本文所涉及的初始修正系數(shù)a=0.01、b=0.01、c=0.6、d=600。其中，裂紋D通過聲發(fā)射檢測獲得，后根據(jù)監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)及變速箱參數(shù)確定變速箱齒輪的綜合故障率FR。實時數(shù)據(jù)包括外在因素和負載系數(shù)L。

變速箱齒輪的綜合故障率FR可表示為：

上述過程中，新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實時更新到故障數(shù)據(jù)庫，需要根據(jù)維修、保養(yǎng)、點檢記錄以及實際變速箱齒輪故障不斷更新各修正系數(shù)，以便提升后續(xù)變速箱齒輪的綜合故障率FR的分析精度。當變速箱發(fā)生3次故障且3次故障的平均故障率與變速箱齒輪的綜合故障率FR偏差超過60%時，則更新實際故障中影響最大的兩個外在因素因子對應(yīng)的修正系數(shù)。例如，某變速箱連續(xù)發(fā)生了3次故障，根據(jù)3次故障的平均故障率對比本次計算得到的綜合故障率FR，如果誤差超過60%，則詳細對比發(fā)生故障時實際測量的外在因素與數(shù)據(jù)庫中記載的外在因素的偏差量，并更新溫差T、聲音S、振動V、裂紋D中偏差最大的兩個外在因素對應(yīng)的修正系數(shù)，將其更新成這3次故障統(tǒng)計得出的實際修正系數(shù)。

當變速箱齒輪的綜合故障率FR＜2%時，則認定旋轉(zhuǎn)機組可正常工作，只需按照正常的點檢流程繼續(xù)實施檢查即可。當變速箱齒輪的綜合故障率為2%≤FR≤5%時，則認定為前期預(yù)警，此時可采取相應(yīng)的措施。例如，檢查潤滑油的油脂和油量是否異常，縮短檢查周期，將其列為重點關(guān)注部位。當變速箱齒輪的綜合故障率FR＞5%時，則認定處于報警狀態(tài)，此時建議停機檢修。相關(guān)的具體齒輪診斷流程，如圖1所示。

圖1 齒輪診斷流程

2 案例分析

某實驗室的多級離心風機旋轉(zhuǎn)機組工作轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1。機組主要由電動機、扭力傳器、變速箱以及壓縮機等部分組成。設(shè)備正常啟動后，總體機組表現(xiàn)良好，但當靠近變速箱時有時出現(xiàn)微弱的異響，并不確定是否馬上需要停機維修。本文對該機組的變速箱齒輪進行了故障診斷與分析，其中測量機組外在因素溫度T=63 ℃、聲音S=86 dB、振動等級V=5、裂紋D=0.015 μm。4個參數(shù)對應(yīng)的修正系數(shù)分別為a=0.01、b=0.01、c=0.6、d=600。齒輪等級A=7（模數(shù)m=2、齒輪精度R=3）；潤滑環(huán)境采用常用的潤滑脂潤滑，因此B=20。此外，機組實際負載E=300 N·m，變速箱的額定承載F=550 N·m，P是負載沖擊指數(shù)等于3。旋轉(zhuǎn)機組變速箱齒輪故障率為：

則變速箱齒輪的綜合故障率為：

又因為負載系數(shù)L為：

則齒輪綜合故障率FR為：

因此，本文通過對旋轉(zhuǎn)機組進行故障診斷和分析，得到該設(shè)備的變速箱齒輪在其工況下的綜合故障率FR為每百小時15.81%，大于5%，此時該變速箱已處于報警狀態(tài)。為了效益與安全，設(shè)備應(yīng)進行停機檢修，以免齒輪箱故障進一步擴大。最后，通過檢修設(shè)備發(fā)現(xiàn)，齒輪箱中齒輪出現(xiàn)磨損故障。及時更換齒輪后，通過經(jīng)驗觀察和運用故障診斷方法檢測判斷啟動設(shè)備為正常狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文提出了一種新的旋轉(zhuǎn)機組變速箱齒輪故障診斷方法，并通過對某實驗室的多級離心風機旋轉(zhuǎn)機組進行實例分析，證明了該故障分析方法的可行性與有效性，很好地解決了旋轉(zhuǎn)機組故障診斷存在的問題，減少了安全事故的發(fā)生。該診斷方法能夠科學指導變速箱齒輪的檢修運維，為機組故障診斷研究提供了一定參考。