低速鋼球磨煤機減速機齒輪斷齒故障診斷及分析

吳昌浩，曹景芳

(華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522)

0 引言

某電廠#5機組為635 MW機組，鍋爐采用單爐膛、懸吊式、燃煤汽包爐，機組制粉系統共配有6臺雙進雙出、單電機驅動鋼球磨煤機。磨煤機電機轉速為990 r/min。磨煤機型號為D-10D，筒體轉速為17.2 r/min，大齒輪齒數為280，通過與減速機輸出軸相連的23齒的小牙輪進行嚙合驅動。減速機型號為165HP1，單級減速，高速齒輪齒數為24，低速齒輪齒數為112，減速比為4.667∶1.000，均為滾動軸承支撐，齒輪型號為898/892CD[1]。

減速機齒輪為漸開線斜齒輪。漸開線斜齒輪減速機具有嚙合性好、傳動平穩、噪聲小、載荷能力高的特點。運行過程中此類齒輪減速機振動值較小，在出現斷齒及其他故障的情況下，即使已經有明顯的異音，振動值依舊處于較低水平，不能準確反映設備的故障情況和劣化趨勢。本文通過采集和分析漸開線斜齒輪減速機日常運行及各故障階段數據，找到有效的趨勢監測方法，達到準確判斷此類減速機故障及故障嚴重程度的目的。

1 故障現象

以該電廠齒型為漸開線斜齒的低速鋼球磨煤機減速機作為監測對象，單側驅動鋼球正常運行過程中，振動值較低且隨負載大小有一定的波動。長期的運行監測顯示，設備正常運行以及存在故障并出現異音時，振動值變化并不明顯，按照ISO 10816標準，遠未達到振動警戒值。

2 設備異常問題

2017年3月23日，在對該磨煤機減速機進行定期測量和檢查時，發現電機、減速機及小牙輪處出現明顯異音，無法準確判斷異音來源。采用CX10便攜式振動儀采集振動信息，與3月7日的測量值相比較(見表1)，振動略有增大，振動烈度為3.36 mm/s，但未超出4.50 mm/s的警戒值。

圖1所示的減速機軸承部位的振動頻譜圖中，主要振動頻率成分為減速機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日測量結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，嚙合頻率成分兩側可見少量間隔為0.21倍頻(此頻率為減速機低速齒輪轉速頻率)的邊帶。通過分析頻譜圖，可以初步判斷減速機部位低速齒輪存在磨損，但頻率成分幅值較低，根據振動烈度及頻譜圖數據，只能判斷為輕微故障。

表1 磨煤機減速機部位振動烈度Tab.1 Vibration intensity of coal mill reducer mm/s

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

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

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

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

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

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

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

綜上所述，可以判斷減速機低速齒輪在3月7日日測量時就已經出現斷齒，至3月23日，斷齒情況進一步發展，故障持續劣化并出現異音。

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

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

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

根據設備運行情況，加強設備監測，準備檢修備品并制訂檢修計劃，于4月17日對設備進行停運檢修。檢修前對設備振動情況進行跟蹤監測，頻譜圖中嚙合頻率成分幅值沒有明顯變化，解調頻譜圖中低速齒輪轉速頻率成分幅值上升到1.08g，時域波形圖中，沖擊值最大為6.40g，解調波形圖中周期性沖擊值明顯增大，高達11.29g，如圖8、圖9所示。

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

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

3 檢修處理及振動分析

按計劃對減速機部位進行檢查處理，發現齒輪斷齒嚴重(如圖10所示)，對減速機齒輪進行更換。

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

設備解體后，對比測量的設備振動值及振動圖譜，整個故障過程中，設備振動烈度變化不明顯。至4月17日檢修前，設備振動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，說明振動頻譜圖中此類減速機斷齒故障特征不明顯。

解調波形圖在故障初期有所表現，沖擊的頻帶較寬，容易與齒輪嚙合不良的故障混淆，在故障發展過程中，波形有持續變化，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頻率，且沖擊值持續升高，對發現初期故障和監測劣化情況有一定的指導。

故障發生初期，在現場異音出現之前，時域波形圖和解調頻譜圖就已經出現明顯特征，對發現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，沖擊的頻率表現為故障齒輪的旋轉頻率，是發現初期故障和監測故障發展情況的有效手段。

4 結論

低速鋼球磨煤機是電廠的重要輔機，齒輪減速機是設備的重要組成部分，通過對此類型磨煤機減速機故障全過程的監測，可以得到以下結論：齒型為漸開線斜齒輪的減速機運行過程中，振動數值的大小、振動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，不能準確指示故障情況；在已經斷齒后，解調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；時域波形圖和解調頻譜圖在斷齒故障發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，可以作為趨勢監測和分析齒輪損壞情況的主要依據。