粉碎機(jī)異常振動(dòng)故障診斷及改進(jìn)試驗(yàn)

周 為，周文超，劉學(xué)航

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)中心，四川 宜賓 644003)

PCS－5型立式粉碎機(jī)是四川宜賓金齒輪有限責(zé)任公司系列蜂窩煤機(jī)指定配套設(shè)備，用于將煤塊破解并傳輸至蜂窩煤機(jī)，壓制成不同規(guī)格大小成品。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維修方便，機(jī)械安裝占地面積小，單位功率粉碎比大，易于調(diào)節(jié)粉碎粒度，且可連續(xù)閉路粉碎等優(yōu)點(diǎn)。但是，粉碎機(jī)產(chǎn)品異常振動(dòng)失效故障率居高不下，是一直困擾企業(yè)技術(shù)人員的難題。宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院與相關(guān)企業(yè)大力開(kāi)展校企合作，校企雙方科技人員以返廠故障粉碎機(jī)、待售粉碎機(jī)成品為研究對(duì)象，從粉碎機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)入手，反復(fù)測(cè)試、試制，開(kāi)展了一系列技術(shù)攻關(guān)活動(dòng)，對(duì)粉碎機(jī)異常振動(dòng)故障進(jìn)行了診斷及改進(jìn)。

1 PCS－5型立式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)組成及問(wèn)題分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

PCS－5型立式粉碎機(jī)主要由電機(jī)、機(jī)體、間隙調(diào)整裝置、轉(zhuǎn)子部等結(jié)構(gòu)單元組成。機(jī)體由料斗、筒體用鋼板焊接而成，筒體設(shè)計(jì)有一對(duì)活門(mén)，用于安裝維修之用;間隙調(diào)整裝置用于調(diào)整錘頭與筒體內(nèi)襯板之間的間隙;轉(zhuǎn)子部主要由主軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、軸承、軸承座與錘頭組成。

1.2 問(wèn)題及分析

PCS－5型立式粉碎機(jī)自作為蜂窩煤機(jī)配套設(shè)備投放市場(chǎng)以來(lái)，質(zhì)量信息反饋顯示:“轉(zhuǎn)子部”在粉碎機(jī)各結(jié)構(gòu)部中故障率最高，超過(guò)總故障率的86，而“軸承失效”又是“轉(zhuǎn)子部”的“重災(zāi)區(qū)”。故障表現(xiàn)形式:機(jī)器產(chǎn)生輕微振動(dòng)伴有異響聲，軸承部位發(fā)熱燙手，振動(dòng)異響變大，電路開(kāi)關(guān)跳閘，主軸“抱死”。

引起立式粉碎機(jī)振動(dòng)的機(jī)械因素有以下四個(gè)方面:(1)轉(zhuǎn)子機(jī)械加工過(guò)程中，由于原始的制造加工誤差或安裝不均勻?qū)е沦|(zhì)量不平衡;(2)轉(zhuǎn)子主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接不對(duì)中;(3)動(dòng)、靜部件之間的連接松動(dòng);(4)軸承間隙或者軸向不當(dāng)配合。

根據(jù)粉碎機(jī)試制、生產(chǎn)、銷(xiāo)售質(zhì)量反饋等方面的技術(shù)檔案，校企科技人員經(jīng)多次分析，初步確定導(dǎo)致粉碎機(jī)質(zhì)量缺陷的兩個(gè)原因:電機(jī)轉(zhuǎn)子同主軸不同心和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)小。

2 轉(zhuǎn)子主軸振動(dòng)頻譜分析及其改進(jìn)措施

2.1 轉(zhuǎn)子主軸振動(dòng)頻譜特征分析

旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中必然產(chǎn)生一種特定的振動(dòng)頻率成分，這種特定的頻率成分就是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特征頻率。頻譜分析就是分析確定振動(dòng)信號(hào)(如振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度等)的頻譜結(jié)構(gòu)，將所研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械的頻譜特征中的各種頻率成分分解開(kāi)來(lái)，以便對(duì)各頻率成分的振源進(jìn)行識(shí)別分析。振動(dòng)頻譜分析法主要包括數(shù)據(jù)采集、信息分析、狀態(tài)評(píng)估和故障診斷四個(gè)部分［1］。立式粉碎機(jī)是典型旋轉(zhuǎn)機(jī)械。利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行診斷，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法中最有效、最常用的方法［2］。

在故障粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子部布置測(cè)點(diǎn)，采集速度頻譜信息，經(jīng)學(xué)院設(shè)備故障檢測(cè)與維護(hù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子部測(cè)點(diǎn)采集速度頻譜圖

由圖1可知:(1)這是比較典型的主軸與傳動(dòng)軸不對(duì)中的頻譜圖;(2)出現(xiàn)二倍頻，且以一倍頻和二倍頻分量為主，二倍頻所占比例較大;(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)主軸工頻幅值為69.370 Hz。

學(xué)院動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)室分別檢測(cè)電機(jī)與連接套之間、連接套與轉(zhuǎn)子主軸之間的同軸度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)連接套處超標(biāo)。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子同主軸不同軸的改進(jìn)措施

1)聯(lián)接套的改進(jìn)

聯(lián)接套的設(shè)計(jì)雖然提高了機(jī)械加工工藝性，卻帶來(lái)了主軸裝配聯(lián)接誤差。經(jīng)過(guò)多次討論，決定取消聯(lián)接套，改為在主軸端面鏜孔與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸聯(lián)接。改進(jìn)后的主軸組件經(jīng)學(xué)院動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)室送檢檢測(cè)，全部達(dá)到G16平衡精度等級(jí)［3］，較改進(jìn)前的94 有所提高。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸與主軸孔配合公差優(yōu)化

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著配合間隙增大，裝配容易，同軸度、振動(dòng)位移幅值減下，溫升小于40℃，符合設(shè)計(jì)使用要求;但是，當(dāng)配合間隙超過(guò)0.10 mm后，會(huì)加劇對(duì)聯(lián)接平鍵及其鍵槽的沖擊磨損。因此，優(yōu)化的間隙配合公差范圍以+0.05～+0.08 mm為宜。學(xué)院公差與配合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 裝配公差試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量及其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析與改進(jìn)

3.1 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析

PCS－5型立式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)由6塊組成、總重30 kg，用于懸掛錘頭。粉碎機(jī)工作時(shí)，如果煤塊偏大且加料不均勻，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子部造成較大的沖擊載荷。用戶反映粉碎機(jī)會(huì)出現(xiàn)“悶車(chē)”，往往伴有粉碎機(jī)機(jī)身異常急劇振動(dòng)，這種現(xiàn)象持續(xù)0.5 h后，軸承處溫度會(huì)凈升40℃。

不同振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)都有各自的相位，相位相同的振動(dòng)，會(huì)引起共振。換句話說(shuō)，強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與系統(tǒng)的自然頻率一致時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振，使振動(dòng)幅值急劇放大［4］。對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)行帶負(fù)荷、電機(jī)變速試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)存在比較明顯的共振現(xiàn)象。學(xué)院設(shè)備故障檢測(cè)與維護(hù)實(shí)驗(yàn)室在粉碎機(jī)電機(jī)處采集的速度頻譜圖驗(yàn)證了這一點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 電機(jī)測(cè)點(diǎn)采集速度頻譜圖

解決粉碎機(jī)機(jī)身振動(dòng)異常及容易發(fā)生“悶車(chē)”的方法有兩種:在主軸上加裝一個(gè)飛輪以蓄能;加大轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸增重以增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。它們均可以起到改變機(jī)器的共振頻率的作用，減少、甚至消除機(jī)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生共振的概率。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，最終排除第一種方法而選擇:加大轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸以增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大/減小對(duì)改善粉碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的影響，可以通過(guò)電機(jī)負(fù)載電流的變化來(lái)觀察，據(jù)此優(yōu)化轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸。振動(dòng)持續(xù)異常，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承座軸承過(guò)熱。因此，軸承溫度變化是檢驗(yàn)改進(jìn)措施是否奏效的標(biāo)志［5］。

3.2 增大轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改進(jìn)措施

為了確定粉碎機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)直徑及厚度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著轉(zhuǎn)盤(pán)尺寸增大，滿負(fù)荷加料操作，電機(jī)瞬時(shí)最高負(fù)載電流會(huì)有所下降，主軸軸承溫度也同時(shí)下降(小于50℃)，電機(jī)振動(dòng)位移幅值也隨之下降為122.75 μm，符合設(shè)計(jì)使用要求;但是，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量超過(guò)70 kg后，電機(jī)瞬時(shí)最高負(fù)載電流下降幅度減小，同時(shí)主軸軸承溫度有所上升。因此，優(yōu)化的轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量以總重60 kg左右為宜。學(xué)院機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 改進(jìn)效果

經(jīng)反復(fù)測(cè)試，粉碎機(jī)振動(dòng)速度、位移頻譜、振動(dòng)噪音等指標(biāo)參數(shù)符合技術(shù)要求，帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)正常，轉(zhuǎn)子軸承溫升小于35℃。2012年下半年改款粉碎機(jī)投放市場(chǎng)，接受用戶檢驗(yàn)。根據(jù)售后質(zhì)量跟蹤，粉碎機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)機(jī)身振動(dòng)平穩(wěn)，主軸軸承過(guò)熱失效故障率大幅下降85.3，生產(chǎn)效率由原來(lái)每班35 T提高到42 T，受到配套主廠和用戶好評(píng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在生產(chǎn)實(shí)際中，振動(dòng)異常而導(dǎo)致主軸軸承過(guò)熱失效，是粉碎機(jī)發(fā)生故障的最主要原因。引起振動(dòng)異常的因素有很多，結(jié)合PCS－5型立式粉碎機(jī)的使用情況與學(xué)院相關(guān)實(shí)驗(yàn)室通力合作，校企科技人員經(jīng)過(guò)反復(fù)分析測(cè)試，確定了振動(dòng)異常故障的原因并實(shí)施改進(jìn):(1)聯(lián)軸器設(shè)計(jì)不合理容易導(dǎo)致同軸度超差，取消連接套改為直連;(2)電機(jī)與轉(zhuǎn)子主軸裝配公差過(guò)小，優(yōu)化值以+0.05～+0.08 mm為宜;(3)轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)量不夠，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)小，優(yōu)化值以60 kg為宜。

［1］ 張碧波.設(shè)備故障檢測(cè)與故障診斷［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:65－66.

［2］ 易良.簡(jiǎn)易振動(dòng)診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995:54.

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［4］ 張英志.狀態(tài)監(jiān)測(cè)在驅(qū)動(dòng)裝置中的應(yīng)用［J］.設(shè)備管理與維修，2003(4):44－46.

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