軋機齒輪故障的預報、分析及處理

        1  前言
        冷軋薄板02機組自2001年投產以來，產能逐漸提高。為加強設備管理力度，提升設備管理水平，冷軋薄板廠開始涉足設備診斷領域，開發了設備診斷系統，并在02機組上首先投入運行。
        冷軋薄板的設備診斷系統是一個診斷平臺，它的特點是以設備為對象，以計劃為主導，以設備代碼把各種信息勾連起來，“集在線診斷、簡易診斷和精密診斷為一臺”進行數據分析和狀態把握。它和傳統的診斷系統的區別在于分析數據不是單一的，機械的、電氣的、化學的等等信息都可以按需要加入進來對某一個對象進行分析，使得診斷的效率大為提高。
        冷軋薄板的設備診斷系統獲得了寶鋼檢測公司的技術支撐，設備診斷系統不僅在冷軋薄板廠現場可以進行操作，通過DDN專線與寶鋼診斷服務器相連，可以獲得檢測公司診斷專家系統的支持。
        2  02機組2#齒輪箱故障的現象
        02年6月，點檢在進行在線數據巡查時發現：2#機架主傳動齒輪箱的振動值增大，系統顯示紅燈報警，現場巡檢時發現齒輪箱聲音異常。發現問題后，點檢作了以下工作：
        (1) 利用便攜式數據采集器進行離線確認
        (2) 請求檢測公司的診斷遠程支持
        (3) 同時提出精密診斷申請
        齒輪箱的振動值增大將會大大降低設備的使用壽命，會使設備產生疲勞劣化。為找出振動值逐漸增大的原因，檢測公司的診斷專家系統通過DDN專線，從薄板診斷系統的設備屬性模塊中，查詢了2#機架齒輪箱的基礎參數及安裝結構，并進行了相關計算。
        2#軋機的基本參數如下：
        電機：
        電壓：2.8~3.0（kV）
        轉速：440/1100（RPM）
        極數：6P
        齒輪箱：
        齒數：Z1-24/Z2-57/Z3-22/Z4-22
        直徑：444.44/1055.56/500.00/500.00(mm)
        齒寬：400/400/470/470(mm)
        軸承型號：高速、低速軸KOIO-NO.NNU4052WQ3C270
        中間軸KOIO-NO.46T52422GC4
        薄板的設備管理系統中有相應的設備參數，但這些參數不能滿足診斷的需要，若要把所有的設備參數全部放到管理系統中去，管理系統就會很臃腫，因此在建立薄板診斷系統的時候，決定把與診斷相關的設備信息放在診斷系統中，兩個系統的相關信息可以共享。

圖1   2#機齒輪箱結構及測點位置示意圖
1－電機側上部水平   2－電機側下部水平   3－中間上部水平
4－中間下部水平    5－操作側上部水平   6－操作側下部水平

        2#軋機齒輪箱由二組齒輪構成，從2月25日的頻譜圖中分析（2.25日是該系統投入運行后的第一次實測數據），軸承的通過頻率成分很小，轉頻的特征也不明顯，傳動系統的固有頻率沒有被激發的跡象。在該譜圖中最大的頻率成分為齒輪的嚙合頻率，并且存在邊頻及倍頻，盡管量不是很大。

圖2   2月25日操作測上測點的圖譜

        根據嚙合頻率的計算公式：
        第一對齒嚙合頻率為： 462×24/60=185Hz
        第二對齒嚙合頻率為： 462×24×22/(57×60)=71Hz
        為了找出該齒輪箱的振動原因所在，我們調閱了3到9月份的相關譜圖，發現2#機架的振動不是一直大的，它與轉速基本無關，而與軋制力呈正比關系，這是軋鋼設備的共性；但是低速齒的振動和嚙合頻率不明顯，高速齒振動和嚙合頻率一直在增長，尤其是中間上部這個測點的信息，除了高速齒的嚙合頻率幅值增加較快之外，邊頻的幅值也在增加，但是從7月份開始，邊頻變得不那么明顯，8月30日的圖譜中，盡管嚙合頻率的幅值已經達到11.6mm/s，但邊頻卻分不出來。

圖3  8月30日中間上測點的圖譜

        與此同時，在操作側（低速齒）的圖譜中，嚙合頻率雖然同樣存在，幅值卻明顯很小。
        2#機架共設了6個測點，基本涵蓋了齒輪箱的全部信息，雖然該齒輪箱振動有異常，但發展是緩慢的、起伏變化的。為了有效地把握狀態發展的趨勢，檢測公司通過遠程監測，重點把握2#機架6個測點的狀態。根據已經獲得的信息，我們繪制了各測點的狀態趨勢圖。

圖4   高速齒fm1 和低速齒fm2的趨勢圖

        根據二對齒輪的嚙合頻率的幅值和發展趨勢來分析，2#機架振動大的原因可能是出在高速齒上面，尤其是中間上部這個位置，5個月內幅值增加了近5倍。
        7月20日02機組有一次定修，點檢打開2#齒輪箱的人孔進行齒面檢查，由于觀察位置的制約，當時沒有發現異常跡象。到8月30日，1fm的最大幅值達到12.3487mm/s。由于該次檢查沒有發現問題，因此一度懷疑到其他方面的故障，比如軸承的故障、扁頭套的故障等等，但這些故障沒有相對應的特征頻率來證明，最后還是把焦點集中到齒輪上來。
        3  故障原因分析
        要找出齒輪振動大的原因，必須從齒輪本身的特點去分析。齒輪由于結構和工作原理上的一些特點，其振動信號較為復雜。它在工作過程中的故障信號頻率基本上表現為兩個部分：一是齒輪嚙合頻率及其諧波構成的載波信號；二是低頻成分的幅值和相位變化所構成的調制信號。從頻域和時域上觀察，齒輪的主要特征成分有：
        (1) 嚙合頻率及其諧波成分
        (2) 幅值調制和頻率調制所形成的邊頻帶
        (3) 由齒輪轉速頻率的低次諧波所構成的附加脈沖
        嚙合情況良好的齒輪，其產生的嚙合頻率和諧波具有較低的幅值，嚙合頻率和諧波幅值的增加，則可能是負荷增大，齒輪徑向間隙過大以及齒輪游隙不適當等原因所引起的。
        齒輪表面發生均勻性磨損，將引起嚙合頻率及其各次諧波幅值的變化，齒表面磨損后，由于齒廓形狀的變壞，嚙合時不僅在寬頻帶上的振動幅值增大，而且從頻譜上分析，可以看到嚙合頻率及其各次諧波幅值均有明顯增長。
        在實測信號中，由于系統傳遞特性的影響以及存在頻率調制，頻譜上的邊頻成分不會十分規則和對稱，邊頻帶的分布形狀取決于調制信號的特點。
        根據幅值調制邊頻的形狀可以分辨出齒輪存在局部性缺陷還是分布性缺陷。如果齒輪發生斷裂或大的剝落等局部性缺陷，則當嚙合點進入到缺陷處時，齒輪就會產生一個可以分解為許多正弦分量之和的沖擊脈沖，在頻譜上會形成以嚙合頻率為中心的一系列邊頻，這種現象在2#齒輪箱各測點的圖譜中不存在，故可排除；如果齒輪上存在點蝕、劃痕等分布比較均勻的缺陷，在頻譜上產生的邊頻帶特點是分布比較高比較窄，而且幅值變化起伏比較大。從6月以來的圖譜中可以發現，嚙合頻率及其邊頻是呈起伏變化、緩慢上升的趨勢，因此點蝕、剝落的可能性比較大。
        6月份以來的圖譜，尤其是中間上部這個測點的圖譜，1fm的邊頻由于其嚙合頻率幅值的增加而被掩蓋，要提高頻率分辨率，細化譜分析是一種手段。Elive軟件提供了時域、頻域譜的細化功能。
        細化譜的分析可以從兩方面著手：一是利用邊帶的對稱性找出其頻率關系；二是比較各次測量中邊帶譜峰對的幅值差異程度，邊帶譜峰圖形的變化就包含著齒是否存在局部故障。

圖5   8月30日中間上測點的200Hz細化譜圖譜

        圖5是經過細化的圖譜。細化以后的圖譜明顯的顯示了相關的邊頻118.086和128.0，幅值達到了2.1和2.7mm/s。這個幅值比3月份的圖譜增加了將近10倍，邊帶增長的速度比嚙合頻率的增長速度快了一倍，齒面故障的特征已經很明顯。造成這種缺陷的原因有以下幾方面：
        (1) 齒輪嚙合不良；
        (2) 齒輪磨損即嚙合間隙增大；
        (3) 負荷太大。
        (4)  檢修驗證
        9月8日，冷軋薄板廠根據診斷得出的結論安排了停機揭蓋檢查。
        為了確診診斷的結論，點檢采取了用著色法檢查齒輪嚙合情況，用壓鉛法測量齒輪間隙的手段。檢查結果著色法檢查齒輪嚙合面為全齒寬的70%以上，壓鉛法測量齒輪的間隙為0.45~0.55mm，間隙在合理的范圍之內。但在對高速齒作檢查的時候發現工作側有一個嚙合齒端部呈塊狀剝落（長20mm、寬15mm）如圖7所示；且高速齒工作側所有嚙合齒端部都有疲勞及點蝕現象。低速軸嚙合齒中部也有呈橢圓狀剝落現象，但沒有高速齒嚴重。

圖6  揭蓋后顯示的齒面剝落情況

        從齒嚙合情況來看，高速齒嚙合面有偏移，至使齒面受力不均局部受力，容易產生疲勞損傷；軋機在正常運行時2#機架的軋制力分配較大，使該機架主傳動齒箱齒輪長期處于疲勞狀態從而造成嚙合齒面點蝕及齒端部有塊狀剝落。
        經過現場處理2# 機架齒輪箱恢復運行，其振動值較修復前有明顯降低，狀態有所改善。圖8便是2# 機架主傳動齒輪箱處理后所測的數據，從圖中明顯看到2#機架的第一對齒嚙合頻率在220 Hz時，振動幅值由原來的9.046155mm/s降低到4.23023mm/s。其它測點的振動值都有不同程度的降低，說明這次檢修的效果是明顯的，更說明當時的分析和判斷也是正確的。

圖7   修復后的中間上部測點圖譜

        再根據檢修后的數據分析，2# 機架齒輪箱的振動值雖然比以前有所降低，但和其它幾個機架的齒輪箱振動值相比還是較大，負荷太大是主要原因，如何控制，是設備和工藝今后需研究的課題，如對5個機架的負荷作重新分配，考慮是否需要緊急制作2#齒輪箱傳動齒輪軸等等。
        4  幾點思考
        冷軋薄板廠的設備診斷系統是一個診斷平臺，它和傳統的診斷系統的區別在于分析數據不是單一的，本次案例是一種成功的嘗試，在嘗試中有幾點思考，供大家討論。
        (1) 多信息的參與和狀態分析的關系
        薄板系統是一個平臺，但管理的職責在點檢。齒輪箱的磨損、點蝕可以通過油分析來早期控制，但必須提供采樣的渠道；離線的振動數據和在線不一定能夠吻合，但一段時間內的趨勢應該是一樣的，點檢應該作各種信息的趨勢管理工作。
        (2) 遠程技術支持的效率問題
        薄板系統與寶鋼診斷系統是依靠DDN連接的，網絡傳輸速度受到制約，比如實事信息無法傳遞，如何在特殊情況下進行時段性的數據傳遞，是今后研究的內容，否則遠程技術支持只能是一種滯后的支持。
        (3) 分析功能的上移
        考慮到主干網的通訊速度和在線信息的量，該系統設計時把實時信息存于在線服務器，而傳上去的信息是經過處理后的信息，從平臺角度考慮是欠妥的。統一的平臺，完善的分析工具，先進的分析方法應該是一種有機的融合，在系統擴容的時候是否考慮上移。
        5  結束語
        隨著科學技術的迅猛發展，在現代工業生產中，人們對設備管理的理念正在發生深刻的變化，從一般常規設備管理向設備的綜合管理方向發展。它包括設備運行、狀態監測、故障診斷、趨勢預報和決策維修等，而狀態監測和故障診斷又是設備現代化管理的技術基礎和關鍵所在，只有進入設備管理體制中才能產生顯著的效益，才能真正發揮作用。