狀態監測與故障診斷技術在立磨減速機中的應用

劉 健

（馬鞍山馬鋼華陽設備診斷工程有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 引言

立磨機是一種大型粉磨設備，它集破碎、烘干、粉磨等于一體，生產效率高。國內外現代新型干法水泥生產線建設中，立磨占有率超過90%[1]。立磨減速機是立磨機的主傳動裝置，其安裝在磨機內部的磨盤之下，不僅要傳遞轉動磨盤所需的轉矩，還要承受磨盤的重量和磨輥對磨盤施加的研磨力，是立磨中最關鍵的部件之一，對生產線連續生產起到決定性作用，一旦發生故障，除設備維修本身所需的長時間和昂貴費用外，還直接導致生產線停產，使企業蒙受巨大經濟損失。由于立磨減速機在運行中出現故障前兆是隱性的，日常巡檢不能及時發現，往往是出了故障后才知道，對生產線連續生產存在著嚴重威脅。

1 設備監控管理現狀及解決措施

1.1 立磨減速機振動監控現狀

遠程診斷技術由于高昂的費用和系統日常維護、數據分析均需要專業人士，以及部分企業管理者尚未接受智能運維的理念等因素，導致其在水泥微粉企業尚未普及，多數企業仍采用傳統的簡易振動測量和溫度測量的監控方法。

1.2 解決措施

馬鋼嘉華新型建材公司于2017 年委托馬鋼華陽設備診斷工程有限公司對其兩條微粉生產線立磨機（圖1）進行周期性振動監測。針對立磨減速機箱體厚重、剛度大，內部零部件失效時產生的故障信號傳遞到外殼上的振動傳感器時衰減嚴重的特點，提出“狀態監測+精密診斷”的設備管理方法。其中包含兩方面內容：一是專業化的診斷公司對立磨減速機進行大周期性（2～3 月/次）振動監測、分析，并出具診斷分析報告，當發現異常時啟動精密診斷，縮短監測周期；二是現場點檢，每日使用簡易振動測試儀測量立磨減速機振動情況，發現異常時請專業化的診斷公司進行精密診斷。

圖1 立磨減速機

2 故障診斷應用案例

“狀態監測+精密診斷”設備管理方法應用以來發揮了很大的作用，下述案例詳細介紹了通過該方法成功診斷出1#線立磨機被動錐齒輪軸（中間軸）軸承故障，并通過監控運行使設備得到了最大化壽命利用，保障企業生產任務按時完成。

2.1 故障初現

機組自2017 年4 月進行周期性（2 月/次）監測以來，運行一直較平穩，2018 年2 月8 日現場反映設備異響，啟動精密診斷，測試發現減速箱殼體四周軸向加速度波形存在明顯沖擊信號，沖擊頻率對應減速機被動錐齒輪軸（中間軸）轉頻，但整體振動能量沒有明顯變化，如圖2 所示。包絡解調分析可見接近被動錐齒輪軸軸承的特征信號，判斷被動錐齒輪軸軸承很可能存在一定缺陷，使該軸定位存在偏差。

圖2 減速機殼體軸向加速度波形

為了準確評估故障程度及發展趨勢，于2 月9 日、12 日、19日對機組跟蹤測試，測試結果表明：整體情況與2 月8 日測試情況基本一致，減速箱軸向測點振動值有小幅上升。

考慮到目前整機振動能量較小，故障出現以來10 d 沒有明顯發展，建議：現場繼續運行，加強點檢，密切關注機組振動、溫度及異聲發展情況。鑒于立磨機在生產線的重要性，決定對其進行增強性測試（檢測周期為1 月/次），通過定期對該機組進行振動監測分析，及時評估缺陷情況及發展趨勢，保證生產正常運行了10 個月。

2.2 故障發展

2018 年12 月19 日周期監測發現減速箱各測點振動速度、加速度值較之前均有所增大（圖3）。為排除負荷變化的影響，通過生產調整在9 MPa（90 bar）和8.8 MPa（88 bar）兩種壓力下測試，測試結果表明振動受負荷影響不大。分析認為故障缺陷有所發展，建議加強點檢。

圖3 減速機殼體軸向加速度趨勢

2.3 故障惡化

2019 年1 月14 日周期監測發現立磨機整體振動較上周期有明顯增大。輸入軸各個方向振動速度有效值7～9 mm/s，立磨機本體各個測點軸向振動6～8 mm/s，徑向振動值約4 mm/s；加速度有效值由之前小于5 m/s2增大到大于10 m/s2。

圖4 為輸入軸軸向振動速度趨勢，可見振動速度通頻值較之前有明顯增大，達到9 mm/s；振動時域波形存在明顯沖擊，沖擊頻率約7.7 Hz。圖5 為振動速度包絡解調圖，包絡譜圖中存在7.676 Hz 及其諧波同時存在微弱71 Hz、142 Hz 等振動頻率（軸承NU2256 的內圈故障頻率）。輸入軸垂直、水平方向以及減速箱上測點速度、加速度譜圖都具有類似的特征。

圖4 減速機輸入軸軸向測點振動速度趨勢

圖5 輸入軸軸向振動速度及其包絡解調譜圖

綜合分析判斷：被動錐齒輪軸（中間軸）軸承故障近期有快速裂化態勢，可能存在內圈斷裂，導致軸定位不良，建議盡快停機檢修。

由于生產任務繁重，需要繼續生產一周才能停機，為避免設備事故的發生，制定了應急措施：①降負荷運行，即立磨主輥工作壓力不得超過8.6 MPa（86 bar）；②加強點檢，每2 h 測量減速機振動值，并做好記錄，如發現振動急劇增加，應匯報領導后立即停機。

另外，為監控故障的發展情況，臨時安裝一套遠程在線監控系統（圖6），保證機組安全運行至定修時間停機檢修。

圖6 立磨減速機臨時在線監控系統

2.4 檢修驗證

馬鋼嘉華新型建材公司于2019 年1 月22 日—2 月16 日年修期間更換了存在故障的1#線立磨機主減速箱，后期打開發現軸承內圈斷裂，內圈存在大面積壓痕剝落（圖7）。

圖7 被動錐齒輪軸下端軸承內圈斷裂、表面剝落

3 結語

本次診斷案例，詳細描述了故障的初現、發展、劣化及應急保產過程，缺陷從早期包絡中發現到振動加速度、速度通頻值上升，時間間隔很長，這期間干預最好，但容易出現因肉眼看不到明顯缺陷產生的誤判。現場一般不關心設備的具體缺陷，只關心設備能否運轉、以及還能運轉多久，因此有時在生產任務和設備安全之間需要設備診斷醫生來平衡取舍，需要承擔一定的風險，才能讓設備壽命最大化，企業利益最大化。“狀態監測+精密診斷”設備管理方法，對提升立磨減速機設備精益管理具有一定的推廣應用價值。