峰值法 (Peak Vue)診斷齒輪泵早期故障

段倫

(廣東粵電集團(tuán)珠海發(fā)電廠，廣東珠海 519050)

峰值法 (Peak Vue)診斷齒輪泵早期故障

段倫

(廣東粵電集團(tuán)珠海發(fā)電廠，廣東珠海 519050)

發(fā)電廠汽輪機(jī)的液壓系統(tǒng)供油動(dòng)力是由齒輪泵提供的，齒輪泵發(fā)生故障將會(huì)影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，為此，采用峰值法及相應(yīng)的艾默生 (Emerson)的CSI 2130機(jī)械狀態(tài)分析儀診斷齒輪泵故障。實(shí)踐表明:峰值分析法可以將細(xì)微的故障信號(hào)從眾多噪聲信號(hào)中分辨出來，明確地判別齒輪和軸承故障跡象，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

峰值法;齒輪故障;滾動(dòng)軸承故障;早期診斷

發(fā)電廠汽輪機(jī)的液壓系統(tǒng)供油動(dòng)力是由齒輪泵提供的，齒輪泵發(fā)生故障將會(huì)破壞精密的液壓閥，影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此要在線判別齒輪泵早期故障所在，及時(shí)排除。采用峰值法診斷齒輪泵故障，使這一問題能得到較好的解決。

1 齒輪泵基本情況

1.1 齒輪泵原理

齒輪泵是容積泵。齒輪泵由靜止的泵殼和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子是由一對(duì)模數(shù)、齒數(shù)相同，旋向相反的外齒輪組成。齒頂與泵殼的間隙很小，齒輪兩端與泵殼的間隙也很小，組成密閉的吸油腔、壓油腔、小油室。如圖1所示。

圖1 齒輪泵原理

齒輪1為主動(dòng)齒輪，齒輪2為被動(dòng)齒輪，輪齒開始退出嚙合之處為吸油腔，輪齒開始進(jìn)入嚙合處為壓油腔，吸油腔與壓油腔被齒輪的嚙合線及端蓋所隔開，齒間與殼體、端蓋組成一個(gè)個(gè)小油室。如圖1旋轉(zhuǎn)方向，輪齒退出嚙合，使容積增大，產(chǎn)生真空，在大氣壓的作用下，油被吸進(jìn)，進(jìn)入吸油腔、小油室;壓油腔齒輪進(jìn)入嚙合，容積變小，壓力增大，在兩邊齒輪廓的擠壓下，嚙合處、齒頂、齒輪兩端面都是屏障，只有從出油口排出。

1.2 齒輪泵的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)

與同樣流量的其他各類泵相比，齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小，自吸性能好，無論在高、低轉(zhuǎn)速甚至在手動(dòng)情況下都能可靠地實(shí)現(xiàn)自吸，轉(zhuǎn)速范圍大。因泵的傳動(dòng)部分以及齒輪基本上都是平衡的，在高轉(zhuǎn)速下不會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，油液中污物對(duì)其工作影響不嚴(yán)重，不易咬死。

(2)齒輪泵的缺點(diǎn)

工作壓力較低，容積效率較低，流量脈動(dòng)大，噪聲大。

1.3 齒輪泵常見故障

(1)噪聲。齒輪在交變激振力作用下產(chǎn)生圓周、徑向、軸向振動(dòng)，引起交變激振力的因素有齒輪嚙合間斷性，即單齒、雙齒、多齒交替進(jìn)行，輪齒由點(diǎn)接觸擴(kuò)展到線接觸，或一次性線接觸，使接觸應(yīng)力大小、方向改變，產(chǎn)生機(jī)械沖擊振動(dòng)，產(chǎn)生沖擊噪聲。油的輸出是由小油室一份一份送出的，流量脈動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。磨損后沖擊噪聲、振動(dòng)噪聲增大。

吸油時(shí)進(jìn)入了空氣，引進(jìn)氣穴產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，使總振動(dòng)噪聲增大。

(2)泄漏。泄漏主要指內(nèi)泄漏。軸向端面間隙占80%，齒頂間隙占10%～15%，嚙合間隙占5%～10%。泵使用一個(gè)時(shí)期后，由于磨損，軸向間隙增大，加大內(nèi)泄漏;齒輪泵軸承損壞引起泵體孔腔磨損，同樣增大徑向間隙與軸向間隙，加大內(nèi)泄漏，使齒輪泵的出口壓力降低，輸出流量減少。

(3)困油。齒輪泵要平穩(wěn)地工作，齒輪嚙合的重疊系數(shù)必須大于1，即總是有兩對(duì)齒輪同時(shí)嚙合。這就有一部分油液被圍困在兩對(duì)齒輪所形成的封閉腔內(nèi)，這個(gè)封閉容積先隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸減小，以后又逐漸增大。封閉容積減小會(huì)使被困油液受擠而產(chǎn)生高壓，并從縫隙中流出，導(dǎo)致油液發(fā)熱，軸承等機(jī)件也受到附加的不平衡負(fù)載作用。封閉容積增大又會(huì)造成局部真空，使油產(chǎn)生氣穴，引起噪聲、震動(dòng)和氣蝕。這就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。消除困油現(xiàn)象的措施是在齒輪的兩端蓋板上開卸荷槽，使封閉容積減小時(shí)通過右邊的卸荷槽與壓油腔相通，封閉容積增大時(shí)通過左邊的卸荷槽與吸油腔相通。卸荷槽開的位置、尺寸必須精確，否則會(huì)造成人為泄漏，降低齒輪泵效率。

(4)齒輪磨損。齒輪齒廓只有在節(jié)點(diǎn)嚙合的那一瞬間才是純粹的相對(duì)滾動(dòng)，而在其他嚙合時(shí)則是既有相對(duì)滾動(dòng)又有相對(duì)滑動(dòng)的接觸。嚙合點(diǎn)離基圓愈近，其相對(duì)滑動(dòng)的成分愈大，從而必然引起較嚴(yán)重的齒面磨損。

(5)齒面點(diǎn)蝕。齒面點(diǎn)蝕即齒面有微小的坑，進(jìn)一步發(fā)展則剝落，鐵屑帶入液壓油中，造成油路系統(tǒng)磨損、內(nèi)泄漏。齒面點(diǎn)蝕主要是由氣穴造成的。

(6)軸承損壞。液體內(nèi)有雜質(zhì)，或軌道、滾珠硬度不匹配，安裝不當(dāng)?shù)仍蛟斐伞?/p>

(7)氣穴與氣蝕。氣穴與氣蝕現(xiàn)象通常起因于進(jìn)液管阻塞、排液速度過快、壓力過低，而使溶于液體中的空氣大量分離或迅速汽化。齒輪泵在低壓入口處形成的微小氣泡，隨著泵的旋轉(zhuǎn)帶入高壓區(qū)時(shí)，被迅速壓破，對(duì)泵產(chǎn)生破壞作用。氣穴發(fā)生在齒輪泵的低壓區(qū)，而氣蝕發(fā)生在泵的高壓區(qū)，當(dāng)液體不能完全充滿泵內(nèi)空間時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氣穴。高黏度齒輪泵所輸送液體的黏度較高，為克服液體的流動(dòng)阻力所消耗的壓力比常規(guī)液壓齒輪泵大得多，因此，較易發(fā)生氣穴與氣蝕現(xiàn)象。

齒輪泵故障主要由設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作等方面的原因造成的。由設(shè)計(jì)造成的如困油、端面泄漏等;由操作造成的，如壓力控制不當(dāng)，轉(zhuǎn)速過高、油路堵塞等;由制造造成的，如齒輪加工精度不夠高、軸承質(zhì)量不好等;由安裝造成的，如主動(dòng)齒輪與電機(jī)軸的對(duì)中不好、聯(lián)軸節(jié)發(fā)生松動(dòng)、裝配誤差等。

2 現(xiàn)有的診斷方法

齒輪和軸承故障的早期診斷一直是機(jī)械學(xué)的基礎(chǔ)課題，涌現(xiàn)許多診斷方法。

(1)模糊C均值算法(FCM)

模糊C均值算法是一種數(shù)據(jù)分析和建模的方法。對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，基于目標(biāo)函數(shù)，尋找出最佳分析方案。將齒輪泵各種故障現(xiàn)象看作是模糊的，現(xiàn)象的界限也是模糊的，故障原因與癥狀之間的關(guān)系也是模糊的。對(duì)這些模糊數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類均值分析，從而識(shí)別出具體故障。

(2)小波包分析法

小波包分析是一種信號(hào)的時(shí)間、頻率分析方法。用分解和重構(gòu)的分析方法，對(duì)有效頻段的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。該法能有效地抑制干擾，從復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)中分離出故障特征信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行深層的信號(hào)處理，查找故障源。

小波包分析對(duì)振動(dòng)波形包分解為低頻和高頻兩段，然后與正常信號(hào)作比較，如果哪一段的振動(dòng)波動(dòng)有差異，則再分解。在分解中，低頻失去的信號(hào)由高頻捕獲，在下一層的分解中，只分解上一層的低頻信號(hào)，保留上一層的高頻信號(hào)，如此類推下去，可以進(jìn)行更深次的分解。從齒輪總體振動(dòng)信號(hào)中，消去占絕大部分能量的常規(guī)信號(hào)，突出了由故障信號(hào)引起的變化，提高了齒輪泵故障的檢測(cè)能力。

(3)頻譜分析法

頻譜分析是通過機(jī)械噪聲的頻譜判斷故障的性質(zhì)。齒輪泵正常運(yùn)行時(shí)，噪聲信號(hào)是平穩(wěn)信號(hào)，信號(hào)中主要頻率成分是各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和齒輪的嚙合頻率。當(dāng)發(fā)生故障，其噪聲信號(hào)頻率或幅值會(huì)發(fā)生變化:信號(hào)是穩(wěn)態(tài)的，但對(duì)應(yīng)信號(hào)的特征頻率的幅值發(fā)生明顯變化;信號(hào)是周期平穩(wěn)信號(hào)，但出現(xiàn)了有規(guī)律的沖擊或調(diào)制現(xiàn)象;信號(hào)中無規(guī)律的沖擊或調(diào)制現(xiàn)象。根據(jù)這些信號(hào)變化，判斷故障是否發(fā)生及故障類別。

(4)集成神徑網(wǎng)絡(luò)法

將神徑網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷系統(tǒng)。將故障診斷知識(shí)集合分解為幾個(gè)邏輯上獨(dú)立的子集合，每個(gè)子集合再分解為若干規(guī)則子集，然后根據(jù)規(guī)則子集來組織網(wǎng)絡(luò)。分解后的子網(wǎng)絡(luò)比原來的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小得多且問題局部化了，診斷故障信息方便快捷。

(5)功能診斷法

當(dāng)齒輪泵壓力、流量發(fā)生變化時(shí)，即意味齒輪泵己發(fā)生故障。

(6)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)負(fù)熵故障診斷法

齒輪泵的動(dòng)態(tài)壓力有豐富的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，負(fù)熵是隨機(jī)變量獨(dú)立性的自然測(cè)度。負(fù)熵即熵減少，是熵函數(shù)的負(fù)向變化量。熵是物理學(xué)上熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度。提取齒輪泵壓力信號(hào)的負(fù)熵特征可以識(shí)別齒輪泵不同的故障模式。

(7)聽診法

即聽棒監(jiān)測(cè)。憑借多年現(xiàn)場(chǎng)維修經(jīng)驗(yàn)，通過接觸泵殼的銅棒傳遞的噪聲，用耳朵判別故障。如聽到軸承處有尖銳摩擦聲即可判斷軸承有問題。但是人的耳朵對(duì)于不同頻率的聲音敏感性是不同的，同樣多的噪聲，如果都是集中在幾百到幾千赫茲，與集中在20 kHz以上是完全不同的效果，后者人們可能根本就察覺不到。因此聽診法有局限性。

(8)測(cè)振儀

用VM-63a手持式測(cè)振儀分別對(duì)泵體驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端軸承位的水平、垂直向的速度振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)該測(cè)振儀診斷標(biāo)準(zhǔn)，無故障的振動(dòng)值在7.1 mm/s以下。2010年7月28日測(cè)量2A給水泵汽輪機(jī)供油齒輪泵的振動(dòng)較低為2.3 mm/s，無異常聲音。29日上午11時(shí)38分，2A給水泵汽輪機(jī)來“速度控制偏差大”報(bào)警。此時(shí)泵振動(dòng)速度值大幅度升高達(dá)6.2 mm/s，切換油泵后系統(tǒng)正常。解體發(fā)現(xiàn)原運(yùn)行泵軸承已嚴(yán)重磨損。此次事故說明測(cè)振儀不能準(zhǔn)確地查出問題所在。

大多數(shù)診斷方法強(qiáng)烈依賴初始化數(shù)據(jù)的好壞。

3 峰值法 (Peak Vue)分析

振動(dòng)信號(hào)是動(dòng)態(tài)信號(hào)，它包含的信息豐富，很適合進(jìn)行故障診斷。

由齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)是信號(hào)的主分量，無論有無故障，這種振動(dòng)總是存在的，稱為常規(guī)振動(dòng)。當(dāng)齒輪個(gè)別齒面存在缺陷時(shí)，齒輪振動(dòng)的時(shí)頻特征發(fā)生變化，齒輪每轉(zhuǎn)一周，將產(chǎn)生一次或幾次沖擊，嚙合振動(dòng)受到調(diào)制 (振幅調(diào)制、頻率調(diào)制)，引起系統(tǒng)的附加振動(dòng)，其頻率表現(xiàn)為振動(dòng)信號(hào)譜中出現(xiàn)一系列等間隙的頻率簇，形成相應(yīng)的邊帶頻率。齒輪嚙合振動(dòng)是以高頻沖擊的形式出現(xiàn);齒輪泵基礎(chǔ)松動(dòng)、軸系不對(duì)中、油液渦動(dòng)、油液脈動(dòng)等以低頻振動(dòng)為主。如何從總體振動(dòng)與噪聲中分離出附加振動(dòng)信號(hào)及噪聲，是問題的關(guān)鍵。從齒輪泵拾取的振動(dòng)信號(hào)是非常復(fù)雜的信號(hào)，振動(dòng)頻譜多，各振動(dòng)之間相互耦合，信噪比低。附加振動(dòng)信號(hào)能量小，固有信號(hào)或外界干擾信號(hào)，很輕易地就能淹沒了附加振動(dòng)信號(hào)，普通的振動(dòng)分析儀難以識(shí)別出該信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選用峰值分析技術(shù)。

3.1 原理

振動(dòng)信號(hào)采集采用與峰值分析技術(shù)相應(yīng)的艾默生(Emerson)公司生產(chǎn)的CSI 2130機(jī)械狀態(tài)分析儀。CSI 2130機(jī)械狀態(tài)分析儀能夠檢測(cè)到因早期疲勞裂紋、齒輪磨損或相關(guān)沖擊等引發(fā)的應(yīng)力波。該儀器采集金屬之間直接接觸產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)，采集范圍從低速旋轉(zhuǎn)的低頻信號(hào)，到80 kHz的信號(hào)。金屬之間的沖擊，其伴生的壓力波形是短周期 (低于毫秒級(jí))、寬頻帶 (1～50 kHz)。經(jīng)過高通濾波 (截止頻率1 kHz)，使信號(hào)集中于故障集中的沖擊信號(hào)存在的頻段，再分離沖擊信號(hào)和普通振動(dòng)信號(hào)。沖擊信號(hào)可在故障的早期到中期階段被監(jiān)測(cè)到。

圖2 齒輪故障頻譜

3.2 齒輪故障診斷

汽輪機(jī)液壓系統(tǒng)采用RCB-400型齒輪泵，人字齒、1 500 r/ min。2012年 4月，CSI 2130機(jī)械狀態(tài)分析儀作出齒輪泵電機(jī)端頻譜圖，如圖2所示。

正常的齒輪頻譜上有1倍頻譜線 (指工頻，就是工作頻率，如轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，除以60，就是25 r/s，工作頻率就是25 Hz)，2倍頻譜線 (工頻× 2)及高頻譜線。高頻譜線是齒輪嚙合頻譜 (齒數(shù)×轉(zhuǎn)速)的譜線。

故障齒輪的振動(dòng)信號(hào)往往表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，最后形成的頻譜線表現(xiàn)為以嚙合頻率及其各次諧波為中心的一系列邊頻帶群［3］。故障齒輪的邊頻譜線幅值很高，齒輪故障診斷實(shí)質(zhì)上是對(duì)邊頻帶的識(shí)別。

圖2顯示，RCB-400型齒輪泵水平振動(dòng)峰值(Peak Vue)邊頻幅值顯著升高。該泵嚙合頻率為150 Hz，邊頻以該頻率為中心呈幅值不對(duì)稱分布，此不對(duì)稱是由于調(diào)幅和調(diào)頻的向量疊加所致。正常邊頻幅值在0.01g左右，此時(shí)邊頻幅值大約0.03g，是正常值的3倍。在嚙合譜線的兩側(cè)還有兩個(gè)幅值較低的邊頻頻譜。診斷該齒輪有故障，需要進(jìn)行檢修。停機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)齒面有一定磨損(見圖3)，不太嚴(yán)重，屬早期磨損。

圖3 齒面磨損

用油石修磨，修麼后再作峰值頻譜圖，如圖4所示，齒輪邊頻幅值降低，情況正常。

圖4 修磨后油泵邊頻幅值

3.3 軸承故障診斷

當(dāng)軸承內(nèi)環(huán)滾道、外環(huán)滾道、滾珠任一零件出現(xiàn)傷痕，每當(dāng)滾子滾過傷痕，就會(huì)出現(xiàn)一次振動(dòng) (假設(shè)各零件為剛性，滾子沿滾道為純滾動(dòng))，運(yùn)行中，傷痕點(diǎn)反復(fù)撞擊與之接觸的其他無件表面而產(chǎn)生低頻振動(dòng)，這些頻率一般在1 kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率，簡稱故障頻率。故障頻率可以通過軸承的幾何結(jié)構(gòu)如節(jié)圓直徑、滾球直徑、接觸角等參數(shù)計(jì)算得出。故障頻率包括:保持架故障頻率 (FTF)，滾子故障頻率(BSF)，內(nèi)圈故障頻率(BPFI)和外圈故障頻率 (BPFO)。故障頻率得出后，分別作軸承座峰值頻譜圖及齒輪工作峰值頻譜圖，兩者對(duì)比，進(jìn)行診斷。

RCB-400型齒輪泵采用SKF可調(diào)心的球面滾子軸承。主動(dòng)軸電機(jī)端型號(hào)為22207E，主動(dòng)軸非電機(jī)端及從動(dòng)軸兩端均為22206E。通過CSI精密點(diǎn)檢儀得到故障頻率，如表1所示。

表1 軸承故障頻率 (1倍頻，25 Hz)

作軸承座處峰值頻譜圖，如圖5所示。

圖5 軸承座峰值頻譜圖

從圖5可看出:軸承座處速度振動(dòng)長期通頻值較高，達(dá)6 mm/s(高于其他齒輪泵，基本在2 mm/s以下)，其波形圖上有沖擊尖峰，表明有沖擊現(xiàn)象，但振動(dòng)穩(wěn)定無明顯上升趨勢(shì)。作齒輪工作峰值頻譜圖，如圖6所示。

圖6 齒輪工作峰值頻譜圖

圖7 軸承無明顯故障

圖6上僅有嚙合頻率的諧波，沒有軸承的故障頻率，即可診斷軸承無故障。停機(jī)時(shí)觀察該軸承，見圖7，單手盤泵轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，軸承表面除有輕微銹蝕外沒有其他故障。

4 結(jié)論

通過對(duì)峰值分析法理論考量，及采用Emerson的CSI 2130分析儀作為診斷工具實(shí)例運(yùn)用表明，峰值分析法是很好的振動(dòng)頻率分析法。該方法可以將細(xì)微的故障信號(hào)從眾多噪聲信號(hào)中分辨出來，可以明確地判別齒輪和軸承故障類別，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。在建立完善振動(dòng)數(shù)據(jù)庫以后，某廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修工作效率提高，工作量減輕，保證了汽輪機(jī)的正常運(yùn)行。峰值分析法已在眾多的火電廠家推廣。

［1］ISO2372機(jī)械設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］劉馬火，陳明付.振動(dòng)速度譜在滾動(dòng)軸承故障分析中的運(yùn)用［J］.熱力發(fā)電，2010，39(6):91－93.

［3］楊國安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.1版.北京:中國石化出版社，2007:199.

［4］傅貴興.齒輪泵故障診斷與維護(hù)分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2012(5):56－58.

［5］阮學(xué)云，刑佑亭，鈕炳瑜.基于頻譜分析的CBK型齒輪泵噪聲診斷及控制［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(9):147－150.

［6］施俊俠，楊兆建，張日紅.小波包分析方法在齒輪泵故障診斷中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(17):126－129.

Diagnosis of Early Stage Fault of Gear Pump Using Peak Vue Technology

DUAN Lun
(Zhuhai Power Plant，Guangdong Yudean Group Co.，Ltd.，Zhuhai Guangdong 519050，China)

The power of oil of Turbine's hydraulic system in a power plant was provided by gear pumps，and fault occurred in the gear pumps would affect Turbine's safety operation.Therefore，Peak Vue technology and related Emerson CSI 2130 vibration analysis machine were used to diagnose gear pump's fault.Practice proves that the Peak Vue technology is good at telling the fine fault signal apart from noise signals，and clearly estimating the fault signal of gears and bearings with high accuracy and reliability.

Peak Vue technology;Gear fault;Roller bearing fault;Diagnosis of early stage

TK05

A

1001－3881(2014)9－166－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.046

2013－03－29

段倫 (1982—)，工學(xué)碩士，工程師，從事火電廠調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)與管理。E－mail:13923390106@163.com。

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