黨彩霞

(上海寶華國(guó)際招標(biāo)有限公司安徽分公司 安徽馬鞍山 243000)

預(yù)測(cè)性維護(hù)以設(shè)備持續(xù)性的工況參數(shù)為基礎(chǔ)，涉及對(duì)故障基本原因的監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域，主動(dòng)維護(hù)方法目前每年可顯著節(jié)省機(jī)械維護(hù)成本。預(yù)測(cè)性維護(hù)需要監(jiān)測(cè)機(jī)器狀態(tài)，即檢測(cè)可能出現(xiàn)故障的癥狀。該方法使用技術(shù)診斷儀器，可在工廠內(nèi)所有機(jī)器上實(shí)施技術(shù)診斷。過(guò)程包括振動(dòng)診斷、摩擦學(xué)、熱診斷、缺陷檢查等[1]、[2]。

振動(dòng)被認(rèn)為是可用于評(píng)估低頻動(dòng)態(tài)條件的最佳操作參數(shù)，例如不平衡、不對(duì)中、軸承機(jī)械游隙、結(jié)構(gòu)共振、基礎(chǔ)剛度不足、軸變形、軸承過(guò)度磨損或轉(zhuǎn)子葉片斷裂。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的大多數(shù)故障都會(huì)導(dǎo)致過(guò)度振動(dòng)，因此振動(dòng)信號(hào)被用作檢測(cè)機(jī)器運(yùn)行狀況的指標(biāo)[3]、[4]。

不同機(jī)械故障或缺陷都會(huì)產(chǎn)生特定的振動(dòng)曲線。例如，有局部缺陷的軸承，會(huì)以一定的頻率產(chǎn)生沖擊，振動(dòng)曲線表現(xiàn)為復(fù)雜的調(diào)幅振動(dòng)，振動(dòng)特性與局部缺陷的位置相關(guān)[5]。為了能夠確定原因并選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施，有必要確定故障類型。振動(dòng)信號(hào)的分析側(cè)重于兩個(gè)分量，振幅和頻率。振動(dòng)頻率是特定時(shí)間段內(nèi)特定事件發(fā)生頻率的指示。故障類型可以通過(guò)振動(dòng)頻率來(lái)表示。確定振動(dòng)頻率后，可以更清楚地了解振動(dòng)的原因[6]。

1 齒輪箱的主要診斷方法

1.1 波峰系數(shù)

波峰系數(shù)代表了滾動(dòng)軸承診斷中使用的基本方法，該方法基于有效振動(dòng)和峰值振動(dòng)的測(cè)量以及振動(dòng)峰值(PEAK)與均方根(RMS)之比的計(jì)算(圖略)。由于分析了這兩個(gè)值的比率，因此該方法與軸承類型和主軸速度無(wú)關(guān)。

1.2 高頻發(fā)射

高頻發(fā)射的測(cè)量基于振動(dòng)能量在所有頻率范圍內(nèi)隨著損壞的增加而增加的特征，該方法對(duì)潤(rùn)滑失效較為敏感。發(fā)射的高頻能量根據(jù)有效值進(jìn)行分析，并以重力加速度g為單位表示(圖略)。

1.3 包絡(luò)分析

振動(dòng)信號(hào)和包絡(luò)分析的融合方法，可以在對(duì)振動(dòng)信號(hào)降噪后提取出故障的特征頻率，將提取的故障特征頻率與真實(shí)特征進(jìn)行交叉對(duì)比，由此來(lái)判定軸承不同位置的故障類型。由于設(shè)備不同部件相對(duì)主軸有不同的相對(duì)線速度，因此包絡(luò)分析與FFT(快速傅里葉變換)分析結(jié)合后，還可確定軸承的損壞部位，如內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體或保持架。

2 齒輪箱預(yù)測(cè)性維護(hù)實(shí)驗(yàn)

2.1 被測(cè)齒輪箱參數(shù)

本文對(duì)固定式工業(yè)齒輪箱(圖略)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了振動(dòng)信號(hào)采集和分析。該齒輪箱工況如下：變速箱類型：兩級(jí)，錐齒輪；輸入速度：最大2400 RPM ；小齒輪齒數(shù)：20；潤(rùn)滑方式：通過(guò)齒輪泵油循環(huán)，向每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)(軸承、齒輪)供油；小齒輪軸承：SKF 32317 J2 Q(齒輪側(cè))，SKF 32314 J2 Q(聯(lián)軸器側(cè))；齒隙范圍： 0.22 mm-0.23 mm；小齒輪的一對(duì)圓錐滾子軸承軸向預(yù)緊，摩擦力矩 0.5 Nm-0.7 Nm。輸出軸徑向變形 0.01 mm/1000 N。

初步計(jì)算了小齒輪軸承外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和軸承保持架的失效頻率，如表1所示。

表1 小齒輪軸承組件失效頻率

2.2 故障類型分析

在停機(jī)期間，安裝變速箱并開始正常運(yùn)行，齒輪出現(xiàn)故障后從機(jī)器上拆下并對(duì)出現(xiàn)故障的軸承進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)小齒輪軸承 SKF 32314 J2 Q(在聯(lián)軸器處)損壞(圖略)。根據(jù)分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：支撐軸向載荷的表面硬度顯著降低，隨后由于熱傳遞，也在軸向方向上壓扁軸承材料。在機(jī)器運(yùn)行的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)的典型損壞跡象，即所謂的“發(fā)藍(lán)”。軸承部件在失效期間軸向載荷點(diǎn)的估計(jì)工作溫度，溫度超過(guò) 350 ℃。軸承保持架 SKF 32314 J2 Q 的擋邊出現(xiàn)嚴(yán)重磨損(圖略)，保持架擋邊的材料損失直至斷裂，滾動(dòng)體傾翻。保持架承受的力過(guò)大，超過(guò)了為正常情況所設(shè)計(jì)的軸承的承受值。

2.3 振動(dòng)信號(hào)分析

在齒輪箱維修后進(jìn)行診斷檢測(cè)，采集小齒輪的振動(dòng)信號(hào)與運(yùn)行溫度，在1080 rpm和1448 rpm兩種轉(zhuǎn)速模式下分別測(cè)量。表2顯示了在穩(wěn)定狀況下運(yùn)行6小時(shí)后小齒輪的測(cè)量溫度。

通過(guò)加速度傳感器采集兩種轉(zhuǎn)速模式下齒輪箱的速度、加速度、和振動(dòng)加速度包絡(luò)線 (EnvAcc) 時(shí)域曲線(圖1)，并對(duì)該6組時(shí)域曲線進(jìn)行比較分析。在1080rpm模式下，可以在小齒輪2倍頻率770 Hz附近明顯觀察到共振“峰值”。在1448rpm模式下測(cè)量時(shí)，可以觀察到頻率 2.5 kHz 附近的共振。通過(guò)觀察振動(dòng)加速度包絡(luò)值，發(fā)現(xiàn)在共振峰值處信號(hào)電平明顯增加，接近極限值。

圖1 兩種模式下速度、加速度、EnvAcc 時(shí)域曲線

表2 在穩(wěn)定模式下運(yùn)行 6 小時(shí)后測(cè)量的小齒輪溫度

變速箱維修后進(jìn)行的診斷分析結(jié)果可概括為：①32314J2Q 處的軸承溫度高，接近推薦限值。油溫高，接近推薦限值。②軸承和油底殼之間的溫度梯度高。高頻的動(dòng)態(tài)信號(hào)，尤其是在超過(guò) 2 kHz 的頻率范圍內(nèi)。③FFT 分析表明軸承的運(yùn)行存在問題，尤其是滾動(dòng)體/保持架的部分。

動(dòng)態(tài)參數(shù)和溫度的測(cè)量值(維修后)與故障軸承(從故障齒輪箱拆卸后)中發(fā)現(xiàn)的狀況相關(guān)。軸承過(guò)熱超過(guò)允許溫度可能會(huì)導(dǎo)致用于制造軸承的材料(鋼)的原始硬度降低。這會(huì)導(dǎo)致軸承質(zhì)量下降和故障。這通過(guò)滾動(dòng)體、環(huán)和保持架的顏色變化來(lái)證明。該問題可以通過(guò)使用達(dá)到黏度要求的潤(rùn)滑劑來(lái)解決。

通過(guò)以上測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)該齒輪箱部署預(yù)測(cè)性維護(hù)的建議：在各種運(yùn)行模式下對(duì)齒輪箱進(jìn)行測(cè)量。確定參考信號(hào)電平，觀察所選參數(shù)的增加情況。進(jìn)行趨勢(shì)分析，包括分析變速箱油(油中鐵磨損顆粒的含量、固體含量、水和腐蝕性顆粒的含量、熱氧化降解、元素含量損失等)。

3 結(jié)論

本文研究了動(dòng)態(tài)信號(hào)分析在鋼鐵廠運(yùn)行的兩級(jí)錐齒輪正齒輪箱中的應(yīng)用。所有分析的結(jié)果與變速箱維修期間的主要部件(如小齒輪、軸承)本身狀況相關(guān)，因此可為操作人員提供建議，從而調(diào)整變速箱運(yùn)行參數(shù)。在預(yù)測(cè)性維護(hù)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觀察到的速度、加速度、振動(dòng)加速度包絡(luò)線等曲線特征，可為維護(hù)人員提供的建議如下：

徑向間隙、預(yù)緊力，潤(rùn)滑油的摩擦條件，特別是與固體(鐵磨損顆粒)摩擦等異常情況，可以通過(guò)溫度與振動(dòng)信號(hào)曲線特征表征。

可以通過(guò)測(cè)量和分析動(dòng)態(tài)信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)齒輪箱在推薦模式下的穩(wěn)定運(yùn)行偏差，并確定齒輪箱運(yùn)行安全性是否到達(dá)閾值。