低速鋼球磨煤機(jī)減速機(jī)齒輪斷齒故障診斷及分析

吳昌浩，曹景芳

(華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522)

0 引言

某電廠#5機(jī)組為635 MW機(jī)組，鍋爐采用單爐膛、懸吊式、燃煤汽包爐，機(jī)組制粉系統(tǒng)共配有6臺(tái)雙進(jìn)雙出、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼球磨煤機(jī)。磨煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為990 r/min。磨煤機(jī)型號(hào)為D-10D，筒體轉(zhuǎn)速為17.2 r/min，大齒輪齒數(shù)為280，通過與減速機(jī)輸出軸相連的23齒的小牙輪進(jìn)行嚙合驅(qū)動(dòng)。減速機(jī)型號(hào)為165HP1，單級(jí)減速，高速齒輪齒數(shù)為24，低速齒輪齒數(shù)為112，減速比為4.667∶1.000，均為滾動(dòng)軸承支撐，齒輪型號(hào)為898/892CD[1]。

減速機(jī)齒輪為漸開線斜齒輪。漸開線斜齒輪減速機(jī)具有嚙合性好、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、載荷能力高的特點(diǎn)。運(yùn)行過程中此類齒輪減速機(jī)振動(dòng)值較小，在出現(xiàn)斷齒及其他故障的情況下，即使已經(jīng)有明顯的異音，振動(dòng)值依舊處于較低水平，不能準(zhǔn)確反映設(shè)備的故障情況和劣化趨勢(shì)。本文通過采集和分析漸開線斜齒輪減速機(jī)日常運(yùn)行及各故障階段數(shù)據(jù)，找到有效的趨勢(shì)監(jiān)測(cè)方法，達(dá)到準(zhǔn)確判斷此類減速機(jī)故障及故障嚴(yán)重程度的目的。

1 故障現(xiàn)象

以該電廠齒型為漸開線斜齒的低速鋼球磨煤機(jī)減速機(jī)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，單側(cè)驅(qū)動(dòng)鋼球正常運(yùn)行過程中，振動(dòng)值較低且隨負(fù)載大小有一定的波動(dòng)。長(zhǎng)期的運(yùn)行監(jiān)測(cè)顯示，設(shè)備正常運(yùn)行以及存在故障并出現(xiàn)異音時(shí)，振動(dòng)值變化并不明顯，按照ISO 10816標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)未達(dá)到振動(dòng)警戒值。

2 設(shè)備異常問題

2017年3月23日，在對(duì)該磨煤機(jī)減速機(jī)進(jìn)行定期測(cè)量和檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)、減速機(jī)及小牙輪處出現(xiàn)明顯異音，無法準(zhǔn)確判斷異音來源。采用CX10便攜式振動(dòng)儀采集振動(dòng)信息，與3月7日的測(cè)量值相比較(見表1)，振動(dòng)略有增大，振動(dòng)烈度為3.36 mm/s，但未超出4.50 mm/s的警戒值。

圖1所示的減速機(jī)軸承部位的振動(dòng)頻譜圖中，主要振動(dòng)頻率成分為減速機(jī)齒輪嚙合頻率以及嚙合頻率的2倍、3倍諧波頻率，嚙合頻率及其諧波的幅值較低[2]，與2017年3月7日測(cè)量結(jié)果相比沒有明顯變化，水平方向嚙合頻率成分幅值僅為0.25 mm/s，嚙合頻率成分兩側(cè)可見少量間隔為0.21倍頻(此頻率為減速機(jī)低速齒輪轉(zhuǎn)速頻率)的邊帶。通過分析頻譜圖，可以初步判斷減速機(jī)部位低速齒輪存在磨損，但頻率成分幅值較低，根據(jù)振動(dòng)烈度及頻譜圖數(shù)據(jù)，只能判斷為輕微故障。

表1 磨煤機(jī)減速機(jī)部位振動(dòng)烈度Tab.1 Vibration intensity of coal mill reducer mm/s

圖1 減速機(jī)軸承部位振動(dòng)頻譜(2017-03-23)Fig.1 Vibration spectrum of the bearing parts of the reducer(2017-03-23)

對(duì)3月23日測(cè)量的時(shí)域波形圖(如圖2所示)進(jìn)行分析，圖中出現(xiàn)明顯的周期性沖擊，且沖擊幅值較大，沖擊間隔為減速機(jī)低速齒輪旋轉(zhuǎn)周期[3]，可以判斷減速機(jī)低速齒輪存在斷齒情況。對(duì)異音出現(xiàn)之前3月7日的測(cè)量信息(如圖3所示)進(jìn)行分析，時(shí)域波形圖中已出現(xiàn)輕微的周期性沖擊，間隔也與低速齒輪旋轉(zhuǎn)周期相同，說明設(shè)備出現(xiàn)異音之前，設(shè)備故障已在時(shí)域波形圖中有所表現(xiàn)。比較兩次測(cè)量時(shí)域波形圖，可以判斷齒輪已出現(xiàn)明顯斷齒且有劣化趨勢(shì)。

圖2 減速機(jī)軸承部位時(shí)域波形(2017-03-23)Fig.2 Time domain waveform of the bearing part of the reducer (2017-03-23)

圖3 減速機(jī)軸承部位時(shí)域波形(2017-03-07)Fig.3 Time domain waveform of the bearing part of the reducer (2017-03-07)

從3月23日測(cè)量的減速機(jī)軸承部位解調(diào)頻譜圖中(如圖4所示)也可以看到明顯的0.21倍轉(zhuǎn)速頻率成分，為低速齒輪轉(zhuǎn)速頻率，與3月7日測(cè)量的數(shù)據(jù)相比(如圖5所示)，頻率成分沒有變化，但幅值出現(xiàn)明顯增大，垂直方向由0.3g增大到0.8g，說明故障出現(xiàn)明顯劣化趨勢(shì)。

圖4 減速機(jī)軸承部位解調(diào)頻譜(2017-03-23)Fig.4 Demodulation spectrum of the bearing part of the reducer (2017-03-23)

對(duì)解調(diào)波形圖進(jìn)行分析，前后兩次測(cè)量的沖擊值最大值分別為4.0g，5.4g，均屬于較低水平，但兩次解調(diào)波形圖中均出現(xiàn)周期性沖擊，沖擊尖峰及周期性非常明顯，周期為低速齒輪旋轉(zhuǎn)周期，如圖6、圖7所示。

綜上所述，可以判斷減速機(jī)低速齒輪在3月7日日測(cè)量時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)斷齒，至3月23日，斷齒情況進(jìn)一步發(fā)展，故障持續(xù)劣化并出現(xiàn)異音。

圖5 減速機(jī)軸承部位解調(diào)頻譜(2017-03-07)Fig.5 Demodulation spectrum of the bearing part of the reducer (2017-03-07)

圖6 減速機(jī)軸承部位解調(diào)波形(2017-03-07)Fig.6 Demodulation waveform of the bearing part of the reducer (2017-03-07)

圖7 減速機(jī)軸承部位解調(diào)波形(2017-03-23)Fig.7 Demodulation waveform of the bearing part of the reducer (2017-03-23)

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況，加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)備檢修備品并制訂檢修計(jì)劃，于4月17日對(duì)設(shè)備進(jìn)行停運(yùn)檢修。檢修前對(duì)設(shè)備振動(dòng)情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，頻譜圖中嚙合頻率成分幅值沒有明顯變化，解調(diào)頻譜圖中低速齒輪轉(zhuǎn)速頻率成分幅值上升到1.08g，時(shí)域波形圖中，沖擊值最大為6.40g，解調(diào)波形圖中周期性沖擊值明顯增大，高達(dá)11.29g，如圖8、圖9所示。

圖8 減速機(jī)部位解調(diào)波形(2017-04-17)Fig.8 Demodulation waveform of the reducer part (2017-04-17)

圖9 減速機(jī)部位時(shí)域波形(2017-04-17)Fig.9 Time domain waveform of the reducer(2017-04-17)

3 檢修處理及振動(dòng)分析

按計(jì)劃對(duì)減速機(jī)部位進(jìn)行檢查處理，發(fā)現(xiàn)齒輪斷齒嚴(yán)重(如圖10所示)，對(duì)減速機(jī)齒輪進(jìn)行更換。

圖10 減速機(jī)低速齒輪損壞情況Fig.10 Decelerator low speed gear damage

設(shè)備解體后，對(duì)比測(cè)量的設(shè)備振動(dòng)值及振動(dòng)圖譜，整個(gè)故障過程中，設(shè)備振動(dòng)烈度變化不明顯。至4月17日檢修前，設(shè)備振動(dòng)頻譜圖中齒輪嚙合頻率成分及其諧波和邊帶成分均沒有明顯增大，說明振動(dòng)頻譜圖中此類減速機(jī)斷齒故障特征不明顯。

解調(diào)波形圖在故障初期有所表現(xiàn)，沖擊的頻帶較寬，容易與齒輪嚙合不良的故障混淆，在故障發(fā)展過程中，波形有持續(xù)變化，后期形成明顯的周期性沖擊，沖擊的頻率成分可以反映故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率，且沖擊值持續(xù)升高，對(duì)發(fā)現(xiàn)初期故障和監(jiān)測(cè)劣化情況有一定的指導(dǎo)。

故障發(fā)生初期，在現(xiàn)場(chǎng)異音出現(xiàn)之前，時(shí)域波形圖和解調(diào)頻譜圖就已經(jīng)出現(xiàn)明顯特征，對(duì)發(fā)現(xiàn)初期故障有較好的指示作用；故障劣化過程中，幅值及沖擊尖峰的幅值均有明顯的變化，沖擊的頻率表現(xiàn)為故障齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率，是發(fā)現(xiàn)初期故障和監(jiān)測(cè)故障發(fā)展情況的有效手段。

4 結(jié)論

低速鋼球磨煤機(jī)是電廠的重要輔機(jī)，齒輪減速機(jī)是設(shè)備的重要組成部分，通過對(duì)此類型磨煤機(jī)減速機(jī)故障全過程的監(jiān)測(cè)，可以得到以下結(jié)論：齒型為漸開線斜齒輪的減速機(jī)運(yùn)行過程中，振動(dòng)數(shù)值的大小、振動(dòng)頻譜圖中的頻率成分及其幅值不能明顯反映齒輪斷齒故障，不能準(zhǔn)確指示故障情況；在已經(jīng)斷齒后，解調(diào)波形圖有明顯的指示作用，能反映故障齒輪的位置，且隨故障劣化變化明顯；時(shí)域波形圖和解調(diào)頻譜圖在斷齒故障發(fā)生初期就有很明顯的變化，能反映故障齒輪的位置，且隨故障的劣化，可以作為趨勢(shì)監(jiān)測(cè)和分析齒輪損壞情況的主要依據(jù)。