鞍鋼礦業球磨機齒輪的狀態監測與故障診斷

于廣宇，王忠生

（鞍鋼集團礦業有限公司裝備制造分公司，遼寧鞍山 114001）

鞍鋼礦業球磨機齒輪的狀態監測與故障診斷

于廣宇，王忠生

（鞍鋼集團礦業有限公司裝備制造分公司，遼寧鞍山 114001）

結合球磨機常見故障特點，以球磨機齒輪故障為例，剖析球磨機齒輪的劣化過程，給出振動變化及頻譜圖特征，總結齒輪常見故障原因和狀態監測診斷工作的作用。

球磨機齒輪；狀態監測；故障診斷

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.54

0 引言

狀態監測中，由于球磨機空間狹窄和齒輪箱封閉的特點，傳感器探頭只能對齒輪兩側軸承座進行測點，而齒輪對設備安全穩定運行很重要，所以齒輪狀態監測一直是球磨機狀態監測的難點。

1 球磨機齒輪監測和診斷方法

1.1 球磨機齒輪工況

齒輪運行狀態影響到設備的安全性，隨著齒輪運行時間的增加，最終導致齒輪失效。齒輪失效形式有齒面磨損、膠合、接觸疲勞、彎曲疲勞與斷齒等。齒輪失效的部位不定，有的會集中在幾個齒，有的會出現在各個輪齒。在工作現場中，齒輪的裝配及其維護是保證齒輪正常運行的關鍵。

球磨機傳動部分包括大齒圈、小齒輪軸裝置、齒輪罩等部件，大小齒輪一般釆用斜齒傳動，易調整、壽命長、傳動平穩，沖擊小，噪聲低、承載能力強。在齒輪箱故障診斷中，由于齒輪箱各軸存在偏心誤差，故障診斷不能只檢測齒輪特征頻率，還要同時檢測嚙合頻率的倍頻。

1.2 齒輪傳動系統狀態監測與振動診斷方法

除了有明顯的嚙合頻率及倍頻外，頻譜圖上還有許多按一定規律分布的小譜線。這些小譜線是齒輪振動頻譜圖中常見的邊頻帶譜。由于球磨機齒輪為斜齒，斜齒上相鄰齒不同時嚙合，不同程度的嚙合相互疊加產生調制，導致譜線反映出有多種動載作用在齒輪上。有疑似故障趨勢的齒輪，可以從齒輪振動的邊頻帶譜和調制信號中入手。故障齒輪的振動信號往往表現為旋轉頻率對嚙合頻率及其倍頻的調制，在譜圖上形成以嚙合頻率為中心、等間隔分布的邊頻帶。邊頻帶的間隔反映了故障源頻率，幅值反映了故障程度。利用振動值過大來判斷齒輪損傷程度要注意3方面的問題。

（1）齒輪的制造與安裝誤差、點蝕等故障會直接體現為振動值過大。

（2）正常齒輪嚙合周期至少為2 a，所以不排除某些球磨機振動值雖然大但仍可繼續使用的情況。振動值大，多是小齒輪質量不好導致的斷齒現象。

（3）幅值超過正常值的4倍即＞16 mm/s時，時域信號沖擊明顯，幅值達50～80 mm/s，峭度、加速度峰值均有所提高，尤其以垂直方向為主。當具備上述條件時，很大程度會出現齒輪故障。這種情況應在出現早期征兆時及時寫入報告，與用戶溝通并實時跟蹤觀察。如果有突然變化，建議立即停機檢查齒輪。

1.3 球磨機參數

球磨機傳動裝置是將電機動力通過一系列裝置傳遞到球磨機上，使球磨機滾筒轉動，傳動結構包括電機、聯軸器、減速器、齒輪和輔助傳動等。高速運行時，齒輪加速度的變化會給球磨機帶來沖擊，為了保證球磨機平穩運行，要按照給定要求裝配，否則就會出現故障隱患。礦業公司球磨機多采用中心傳動方式，由電機通過減速機帶動球磨機（表1）。減速機的輸出軸與球磨機中心線在同一條直線上，驅動裝置的傳動比為128.65∶1。

表1 礦業公司主要球磨機參數

2 齒輪故障案例

2.1 疑似故障

2015年5月至8月，某作業區2-1#球磨機，小齒輪軸承（靠近電機端）垂直振動閾值持續在17 mm/s左右，9月突然升高至27 mm/s左右，引起操作人員的注意（圖1）。

2.2 振動分析與故障診斷報告

該球磨機設備轉速為250 r/min，設備參數信息見表1。經狀態監測與振動跟蹤監測，結合頻譜圖分析，發現齒輪嚙合頻率及諧波幅值沖擊過高懷疑齒輪嚙合故障；結合時域圖分析，信號沖擊較大且波形不對稱，因此推斷齒輪嚙合間隙增大并且伴有偏載現象。綜上分析，懷疑齒輪嚙合間隙增大是源于調整問題。目前很大程度上已出現磨損異常現象，應引起注意，應適時采取措施降低嚙合沖擊，避免給設備造成影響。同時要加強狀態監測，避免設備事故突發。

2.3 維修效果與復查

更換下來的齒輪確實存在缺陷（圖2），正是由于偏載或疲勞裂紋擴展造成的齒輪輪缺齒損傷，驗證了此前的推斷。幸好及時更換，未造成更多損失。經過維修后，對該球磨機進行觀察。在2015年8月至2016年8月，檢測到該球磨機振動值在合理范圍內變化（16 mm/s左右），結合年底的定期檢修，可以認為一年之內該球磨機振動值趨于穩定，沒有出現類似故障（圖3）。

3 結論

齒輪傳動是球磨機主要的傳動形式，齒輪也是球磨機故障的易發零件。根據大量案例可知，齒輪常見故障原因，主要是由于偏載或疲勞裂紋擴展造成的輪齒損傷。總結鞍鋼集團礦業公司球磨機齒輪故障診斷方法，就檢測球磨機齒輪不同工作狀態提出合理建議和維修計劃，為設備的故障預警和診斷提供支持。

圖1 小齒輪軸承振動監測

圖2 齒輪早期故障

圖3 一年內垂直方向振動趨勢

TH132.41

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〔編輯 吳建卿〕