梁振東
（中國機械工程學會 中國振動工程學會 中國設備管理協會）
摘 要：通過振動頻譜、波形分析和趨勢跟蹤監測方法，對低速重載齒輪箱中軸承進行故障診斷與分析的現場實際案例。
關鍵詞：低速重載齒輪箱；滾動軸承；振動檢測；故障診斷
1 簡述
低速重載齒輪箱軸承一般承受較大的負荷和扭矩，在其運行過程中經常會出現局部點蝕、剝落以及滾子破碎等嚴重故障，一般此類齒輪箱通常用在一些大型的關鍵設備上，一旦發生故障，維修起來不但要花費大量的時間和費用，還會嚴重影響生產，本文案例所診斷的糧油大豆壓榨廠脫溶機(DT)減速機維修通常需要7-10天的時間。通過振動監測手段，能很好地掌握齒輪箱的運行健康狀態 ，合理安排檢修時間，避免重大停車事故，獲得較好的經濟效益。
2 低速重載齒輪箱軸承損壞特征
低速重載齒輪箱軸承的使用除了受軸承質量、安裝水平等影響外，通常還受設備帶重載頻繁啟動、潤滑油污染、高振動等因素的影響。軸承疲勞、腐蝕、壓痕和膠合等隨著故障發展，通常會演變成磨損故障。
3 低速重載齒輪箱軸承振動分析方法及故障診斷
低速重載齒輪箱通常齒輪級數多、軸承多，運行過程中可能會產生各級齒輪嚙合頻率、各軸承故障特征頻率、各轉軸的轉動頻率等等，頻率成分較復雜，而在這些頻率中，高速軸齒輪缺陷嚙合產生的沖擊能量通常較大，產生的幅值較大的振動；而低速軸軸承、齒輪缺陷產生的沖擊能量往往較小，產生幅值較小的振動，這就往往容易被忽視而造成漏判。
通過對振動頻譜和波形的分析，可以很好地找出故障源所在。對振動趨勢的監測，能較好的掌握故障的惡化情況。
3.1 測點位置的選擇
低速重載齒輪箱的測點位置的選擇，最好能布置在承載區，以獲得最強的齒嚙合和軸承狀態信號。
3.2 測量參數的選擇
測量參數的選擇對故障的發現尤為重要。本文所采用的是振動速度通頻振動和加速度長時間波形相結合。
對滾動軸承監測，我們可以用長時間波形監測異常沖擊；重點用振動速度來監測低速重載軸承損壞的中后期階段，當速度譜中出現了軸承故障特征頻率成分并伴隨邊帶時，軸承狀態已經非常糟糕。
針對滾動軸承，速度譜最大頻率范圍我們可以參考10*BPFI， 但不管選擇什么樣的頻率范圍，分辨率一定要足夠大。
長時間波形持續的時間至少取測點所在轉軸轉動10轉所用的時間，當然持續時間越長越好，但數據量會比較大。
4 低速重載齒輪箱軸承故障診斷實例
4.1 某糧油大豆壓榨廠脫溶機(DT)減速機軸承故障診斷
脫溶機(DT)是大豆壓榨廠的關鍵設備，該設備能否正常運行，直接關系到全廠生產的持續進行。
2013年12月26日對該臺設備包括電機和減速機進行了第一次振動檢測，經過分析，存在的問題除了聯軸器對中不良外，其他正常。
2014年5月15日進行第二次振動檢測，檢測發現，齒輪箱的狀態與上次檢測時相比發生了明顯的變化，經分析，得到的結論是齒輪箱GB 2S軸上部軸承和GB 3S軸上部軸承出現了明顯故障，軸承內圈出現嚴重磨損現象，需計劃安排更換軸承。
在加強監測下，監控運行到2014年6月28日按計劃返廠檢修，解體發現GB 2S軸上部軸承內圈磨損嚴重，GB 3S軸上部軸承內圈磨損嚴重，內圈在軸向上有一道整齊的斷裂裂痕，驗證了診斷的準確性。
4.2 分析診斷過程
4.2.1 設備技術參數表
設備技術參數表如表1所示，齒輪箱結構三維圖如圖1所示。
表1 設備技術參數表
圖1 齒輪箱三維結構圖
4.2.2 振動數據分析
2014年5月15日振動檢測時發現，減速機各測點頻譜中均出現22.45Hz多諧頻振動成分，并伴隨2.09Hz邊頻帶束，經過計算，22.45Hz與GB 2S軸的支承軸承NSK 23238CA在轉速124.4rpm時內圈故障特征頻率相符合，在軸承內圈故障特征頻率兩邊出現其所在轉軸(GB 2S)轉頻2.088Hz的邊帶束(見圖 2)，長時間波形圖中有明顯的轉頻沖擊信號(見圖 3)。綜上，說明該軸承內圈損壞已經比較嚴重，出現了明顯磨損。
圖2 GB-2S測點處振動數據頻譜圖
圖3 GB-2S測點處振動數據時域圖
除了上述發現之外，在GB 3S軸上同時也檢測到5.588Hz及其多倍諧頻的振動成分， 經過計算，此頻率與GB 3S軸的支承軸承SKF22348CC在轉速36rpm時內圈故障特征頻率相匹配，信號非常弱，如果分析時不小心可能會忽略掉。經過頻譜細化放大后可以清楚軸承故障特征頻率成分，并伴隨有GB 3S軸轉頻0.6Hz的邊頻帶束(見圖4)，雖然信號很弱，考慮到該軸承所在處的轉速較低，結合以往的經驗，可以肯定該軸承內圈同六出現了嚴重的故障。
圖4 GB-3S測點處振動數據頻譜圖
4.2.3 停機檢修解體檢查
由于生產不允許停機，對齒輪箱進行監控運行，通過振動趨勢的監測發現，GB 2S T和 GB 3S T軸承測點振動值在不斷抬升(見圖5和圖6)，說明軸承狀態在不斷惡化，在做好檢修的充分準備工作后于2014年6月28日按計劃停機檢修。
圖5 GB-2S處振動信號RMS值變化趨勢
圖6 GB-3S處振動信號RMS值變化趨勢
停機后減速機返廠檢修，解體檢查發現，GB-2S上部和GB-3S上部軸承內圈均損壞嚴重， 見圖7和圖8。
圖7 GB-2S處軸承內圈磨損
圖8 GB-3S處軸承內圈磨損
由于該客戶對此項工作的高度關注以及密切配合，使得我們能準確掌握設備的運行健康狀況，給出合理檢修時間建議，避免突發意外停車事故的發生，又不影響生產，獲得了較好的經濟效益。
下面介紹另一大豆壓榨廠的脫溶機(DT)減速機軸承故障案例，2013年7月份我們檢測時發現了GB-2S軸軸承(SKF22328CC)出現了內圈故障特征頻率成分，并伴隨GB 2S軸轉頻的邊頻帶(見圖9)，建議停機檢查，但由于一直沒有采取行動，也沒有采取任何加強監測的手段，到9月份由于軸承嚴重損壞導致齒輪嚴重損傷的二次破壞停車事故(見圖10)，對生產造成了嚴重的影響，對檢修工作非常被動，造成了不小的經濟損失。
圖9 GB-2S處測點振動信號頻譜圖
5 結束語
對于低速重載齒輪箱軸承用振動的方法進行監測，前中期故障是比較難發現的，所以我們重點監測軸承故障中后期。隨著故障的發展，到了故障中后期，振動加速度和包絡解調對故障特征的指示同樣不明顯，但可以作為趨勢跟蹤進行監測。
在故障中后期，振動速度卻是一個非常有效的測量參數，當速度譜中出現了軸承故障特征頻率，可以說軸承的缺陷可以用肉眼能看得到了，此時我們就必須引起足夠的重視。
當故障發展到速度頻譜中出現了軸承故障特征頻率并伴隨有邊頻帶，即使是振動幅值很小，換句話說就是建議必須盡快計劃更換軸承了，上述的兩個案例就是很好的說明。通過上面的實例，我們還發現在軸承內圈故障特征頻率兩邊出現轉軸轉頻的邊頻帶，則是此類低速重載軸承損壞時一個比較明顯的特征。低速重載滾動軸承一旦出現故障，故障發展得較快，這就需要我們制定合適的檢測周期，特別是發現故障后。
來源 ：《2018年全國設備監測診斷與維護學術會議暨第十六屆全國設備故障診斷學術會議、第十八屆全國設備監測與診斷學術會議、2018年全國設備診斷工程會議》
（版權歸原作者或機構所有）
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