基于振動頻譜和紅外成像的中速磨減速機診斷技術

0 引言

目前，磨煤機在火電廠中是鍋爐燃燒制粉系統的核心設備。某電廠660 MW汽輪發電機組制粉系統共配有6臺中速輥盤式磨煤機。一旦出現故障，將會直接影響機組的穩定，導致機組出力異常。在該設備運行的過程中已發生了較多的此類故障，如驅動設備的高壓電機故障，中間連接減速機中的軸承及齒輪故障，被驅動的輥盤式磨煤機故障，以及潤滑油系統出現漏油、下架體出現漏風等。針對以上這些問題進行分析，找出問題出現的原因并提出有效的方法加以解決，降低事故率，增強磨煤機運行的可靠性及經濟性。

1 磨煤機工作原理及故障特征

1.1 磨煤機工作原理

磨煤機為JLX-61S立式中速磨主要采用錐——行星傳動，通常標準設計是電機水平布置轉速977 rpm、動力水平輸入垂直向上輸出

。該系列立磨減速機在設計時先后參考并借鑒了國外公司減速機相關結構，采用三分流的行星傳動加以及錐齒輪的結構形式（見圖1）。該結構形式由錐齒輪部分(輸入齒數18、傘齒數53）、行星傳動部分（太陽輪齒數16、行星輪齒數78、齒圈數152）、推力軸承及箱體部分組成。整體具有結構簡單、運行平穩、效率高、噪音小等特點。

對此，巴斯夫大中華區農業解決方案部運營總監王翔指出，數字化在巴斯夫農業解決方案中占據重要地位。巴斯夫數字平臺在中國已進行大量元素收集，計劃第一步推出病害識別系統，這需要大量的一手素材。巴斯夫與大疆合作后，在推廣方面取得了成績。

1.2 故障特征

2021年6月8日，對該磨煤機減速機進行定期點檢測量時

，各點紅外測試及超聲測試均正常。采用CX10便攜式振動儀發現振動通頻值略有偏大，振動通頻值為4.7 mm/s（見表1）。振動頻譜中主要成分以一級減速錐形齒輪嚙合頻率為主（18.14 X豎直向幅值2.7 mm/s）相關換算可描述為：

一個人在年輕時吃什么都香，在饑餓難耐時更是如此，待到老年或吃得大腹便便時想法就不一樣了。晉代有一位大富豪何曾，生活奢靡，在廚膳滋味上務求窮極綺麗，雖“日食萬錢，猶曰無下箸處”。原因不外是這位老兄吃得太多太好，味蕾失去了新鮮感。如果餓他三天，或讓他參加一段時間的艱苦勞動后再回到餐桌前，情形會大不一樣。而另一位與他同時代的文學家、書法家張翰，秋風起時，想到的是家鄉的菰菜、莼羹和鱸魚膾，為這些普通土產竟然辭官歸去。

減速機輸入軸齒輪嚙合頻率

3）磨損嚴重時，二次及多次諧波幅值超過嚙合頻率幅值。

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嚙合頻率成分兩側可見少量間隔為4.56倍頻（此頻率為減速機行星齒輪嚙合頻率）的邊帶。二次諧波幅值大于嚙合頻率

。頻譜中伴有小數值非整數倍頻。圖2頻譜中可以判定軸承有輕微磨損，嚙合齒輪有磨損并影響到二級減速行星輪齒輪的嚙合狀態。考慮外部電網負荷需要，振動值超出4.50 mm/s的警戒值但未進入危急值，設備繼續運行，加強趨勢跟蹤。

行星輪部分傳動比

太陽輪嚙合頻率

對12月13日測量的錐齒側頻譜圖（見圖3）進行分析，圖中高頻區出現明顯的高幅值嚙合頻率諧波（26.10X 4.1 mm/s）。在行星齒輪側頻譜中有高幅值的錐齒嚙合頻率(18.05X 4.2 mm/s)（見圖4）。在時域波形圖譜中沖擊幅值達12.37 g，沖擊間隔為減速機錐齒齒輪旋轉周期，現場除環境背景噪音之外還有輕微機械摩擦異聲。對異聲出現之前6月7日的測量信息(如圖5所示)進行分析，時域波形圖中已出現輕微的周期性沖擊，間隔也與齒輪旋轉周期相同，比較兩次測量頻譜及時域波形圖，可以判斷齒輪磨損已出現明顯劣化趨勢。2022年1月4日再次復測錐齒側及行星輪側頻譜，各項幅值均大幅提升，其中二級減速行星齒輪嚙合頻率G2快速突升并伴有豐富的多次諧波，幅值大于嚙合頻率值（見圖6藍色線）。紅外成像在大齒圈處明顯有溫度偏差，在北部區域溫度偏高，局部發熱點50.1℃，南部區域整體溫度平均，基本在42~43℃。圖7振動通頻值已達7.72 mm/s超危急值，現場除環境背景噪音之外還有明顯異聲，告知運行部門停役進行檢修。

2 主要故障形式和振動機理

2.1 不平衡和中心不正

實踐經驗表明，簡單而又重要的振動原因就是不平衡，轉子質量中心和旋轉中心存在差異導致三種情況的不平衡。

（1）高運營成本。秸稈直燃發電尚且還是一個新興產業，在價格水平的問題上，國內依然沒有可以參照的體系。以當前的實際情況來看，在現有的技術水平下，秸稈發電成本約為常規火電成本的1.5倍。一方面因為秸稈發電機組投資成本較煤電機組高；另外，通常秸稈發電機組容量較煤電機組的小，熱效率明顯低于常規火電機組；三是秸稈燃料的低位熱值相比于煤炭少50%，并且秸稈重量輕、密度小，體積大，運輸和儲存的難度高、成本大，這將導致偏高的燃料成本。

1）靜不平衡即不平衡力作用在一個平面上的，當轉子旋轉產生一個周期性作用的離心力而形成一個階的振動。

The appearance score of each rat was measured on the Days 7, 14, and 21 (7th day of treatment), according to the Standard of TCM syndrome[26] and National standard for clinical diagnosis and treatment of TCM (State Bureau of Technical Supervision, GB/T 16751.2-1997).

《意見稿》稱，智能快件箱使用企業在使用智能快件箱投遞快件前，應當征得收件人同意，寄件人交寄快件時指定智能快件箱作為投遞地址的除外。智能快件箱運營企業應在服務界面提示智能快件箱使用企業事先征得收件人同意。

2.2 基礎松動

依據齒輪傳動理論漸開線齒輪、齒廓齒輪在節點附近為單齒嚙合，而在結線的兩邊為雙齒嚙合，嚙合區的大小則由重疊系數決定

，因此，每對齒輪在嚙合過程中承受的載荷是變化的，從而引起齒輪的振動。另外一對齒輪的嚙合過程中，兩齒面相對滑動速度和摩擦力均在節點處改變方向，引起齒輪的振動，從而形成了嚙合頻率及其諧波。

2.3 齒輪嚙合不良

在旋轉機械中，松動可導致機器的嚴重振動。松動是由基礎松動、軸承約束松弛、過大的配合間隙等原因引起，松動可以使任何已有的不平衡、不對中引起的振動更加嚴重。在松動情況下，除了產生基本振動之外，在振動頻譜中還會產生基本頻率的高次成分，如二倍頻、三倍頻。也會產生三分之一倍頻及半倍頻等分數級諧振，其特征是旋轉諧頻出現很大的振幅，并且振動出現一定的不穩定性。在這種情況下的診斷，首先檢查是否存在松動。

嚙合頻率與諧波的頻譜關系（見圖8所示）：

1）初始階段嚙合頻率的幅值最高，各次諧波的幅值依次減小。

2）隨著齒輪磨損的增加，漸開線、齒廓逐漸受到破壞，使齒輪振動加劇，此時嚙合頻率及其各次諧波的幅值逐漸抬高，各次諧波幅值的增加比嚙合頻率更快。

2）偶不平衡作用在轉子相對的兩個側面上的不平衡。

行星輪的轉速

3）轉子上既有靜不平衡又有偶不平衡，稱之為動不平衡。不平衡轉子的振動信號，原始時域波形相似于一個純正玄波，振動頻譜中，諧波能量主要集中在工作頻率（1X）上，即基頻振動成分很大，其它倍頻成分比例很小。轉子系統另一個振源就是不對中，不對中就是聯軸器連接起來的兩根軸中心線存在偏差。不對中特征，轉子徑向振動出現二倍頻，振動信號原始時域波形呈畸變的正弦波。

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2.4 軸承磨損

由于結構和工作原理上的一些特點，滾動軸承的振動信號特別是頻率成分較為繁雜，滾動軸承的振動可以是外界激勵因素所引起的如轉子不平衡、不對中、電磁拉力臨界轉速結構共振等，這些故障按照各自的特征頻率及處理方法去診斷。當軸承故障時，會產生突變的沖擊脈沖，從而激發軸承固有的振動頻率，這些振動頻率是軸承診斷的重要信息。為使問題簡化而建立運動假設方程：

1）軸承零件為剛體，不考慮接觸變形。

2）滾動體沿套圈滾道為純滾動，滾體表面內外圈接觸點的速度與內外圈滾道上的對應點速度相等。

3）忽略間隙影響及不考慮潤滑油膜的作用。依據幾何學條件，可求得幾個轉動頻率和通過頻率（見圖9）。

3 解體處理及分析

按檢修計劃對減速機各部件解體發現，輸入齒與傘齒嚙合部位有凹坑及壓痕的塑性變形磨損，滾動軸承磨損（見圖10）。行星輪、內齒圈、太陽輪等零部件嚴重磨損（見圖11）。設備解體后分析減速機的振動噪聲，最常用的方法離不開瀑布圖分析，它采用“跳躍式的FFT變換”方式計算瞬時頻譜，用三維圖來顯示分析結果，是所有瞬時FFT頻譜的集總顯示。對比測量的振動瀑布圖（見圖12）。整個故障過程是由長期運行導致軸承磨損至2021年6月齒輪嚙合頻率及振動通頻值幅值緩慢爬升，至12月故障進一步惡化，導致錐齒軸中心發生偏移影響行星輪、太陽輪的嚙合質量，紅外成像顯示位置中心偏向減速機北側，受力點即為最高發熱區域。至2022年元月，故障快速惡化致現場異聲明顯，振動通頻值超危急值，嚙合頻率成分及倍頻諧波豐富，時域波形圖沖擊幅值提升明顯。

4 結束語

減速機是電廠磨煤機的關鍵零部件，也是最容易發生故障的零部件之一，其運行狀態直接影響設備性能。一旦出現故障，必然導致設備發生停運，造成重大經濟損失。因此，“精密點檢”綜合振動分析技術、紅外分析技術等先進技術手段，對轉動機械進行了交叉會診，形成了精密診斷意見，解體后也完全驗證了精密點檢的相關診斷和分析。

［1］華電望亭發電廠.660 MW燃煤機組鍋爐檢修規程：Q/WFD-102-3-2.02-2011［S］.

［2］沙德生，陳江.火電廠設備狀態檢修技術與管理［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［3］楊國安.旋轉機械故障診斷實用技術［M］.北京：中國石化出版社，2018.1.

［4］陸人定.齒輪箱故障時域和頻域綜合診斷技術［J］.機電工程技術，2007，36(6):17-19+51.