基于旋轉機組變速箱齒輪故障診斷方法

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）

旋轉機組在石油、化工以及航天航空等領域應用廣泛，促進了各行各業的發展。這類設備的故障診斷方法一直是該領域的研究重點與熱點[1]。同時，齒輪傳動是旋轉機械中最常用的傳動方式之一，且作為變速箱關鍵的組成部件，其運行狀態直接影響著整臺機組的工作狀況[2]。旋轉機組不斷運轉，難免會發生各種問題，特別是變速箱。相關資料統計，60%的變速箱故障由齒輪問題造成[3-4]。變速箱一旦發生故障可能會迫使機組停運，影響企業的生產與效益，嚴重時可能會危及人類的生命安全。因此，對旋轉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，由于實際工作時環境相對惡劣且載荷比較復雜[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測與診斷。目前，分析變速箱齒輪故障通常采用經驗分析法，即設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的表現判斷變速箱是否存在故障。但是，這種分析方法對技術人員的經驗要求較高，且技術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

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

1.2 齒輪潤滑環境

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，在不同的旋轉機組中，齒輪在變速箱中的潤滑環境不同。本文所涉及的潤滑環境包括浸油潤滑、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，為1～8。扭矩平穩時，認為負載沖擊指數較小；如果負載沖擊過大，則認為負載沖擊指數較大。

然而，當變速箱的輸入輸出轉速比不等于變速箱自身的轉速比時，說明旋轉機組變速箱中出現了嚴重的打齒現象。考慮到也有可能出現軸承和傳動軸故障，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

旋轉機組中齒輪的診斷方法較多，其中傳統方法對技術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、保養及點檢記錄建立變速箱齒輪故障數據庫。該數據庫包含影響變速箱齒輪的一些外在因素和內在因素。內在因素包括變速箱齒輪的具體參數和潤滑環境。齒輪的具體參數包括模數、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。

根據變速箱齒輪故障數據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，建立變速箱齒輪故障率N：

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

變速箱齒輪的綜合故障率FR可表示為：

上述過程中，新產生的數據實時更新到故障數據庫，需要根據維修、保養、點檢記錄以及實際變速箱齒輪故障不斷更新各修正系數，以便提升后續變速箱齒輪的綜合故障率FR的分析精度。當變速箱發生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的修正系數。例如，某變速箱連續發生了3次故障，根據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%，則詳細對比發生故障時實際測量的外在因素與數據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的修正系數，將其更新成這3次故障統計得出的實際修正系數。

當變速箱齒輪的綜合故障率FR＜2%時，則認定旋轉機組可正常工作，只需按照正常的點檢流程繼續實施檢查即可。當變速箱齒輪的綜合故障率為2%≤FR≤5%時，則認定為前期預警，此時可采取相應的措施。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，此時建議停機檢修。相關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機組工作轉速為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。設備正常啟動后，總體機組表現良好，但當靠近變速箱時有時出現微弱的異響，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個參數對應的修正系數分別為a=0.01、b=0.01、c=0.6、d=600。齒輪等級A=7（模數m=2、齒輪精度R=3）；潤滑環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是負載沖擊指數等于3。旋轉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L為：

則齒輪綜合故障率FR為：

因此，本文通過對旋轉機組進行故障診斷和分析，得到該設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。為了效益與安全，設備應進行停機檢修，以免齒輪箱故障進一步擴大。最后，通過檢修設備發現，齒輪箱中齒輪出現磨損故障。及時更換齒輪后，通過經驗觀察和運用故障診斷方法檢測判斷啟動設備為正常狀態。

3 結語

本文提出了一種新的旋轉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，很好地解決了旋轉機組故障診斷存在的問題，減少了安全事故的發生。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。