轧机齿轮故障的预报、分析及处理

        1  前言
        冷轧薄板02机组自2001年投产以来，产能逐渐提高。为加强设备管理力度，提升设备管理水平，冷轧薄板厂开始涉足设备诊断领域，开发了设备诊断系统，并在02机组上首先投入运行。
        冷轧薄板的设备诊断系统是一个诊断平台，它的特点是以设备为对象，以计划为主导，以设备代码把各种信息勾连起来，“集在线诊断、简易诊断和精密诊断为一台”进行数据分析和状态把握。它和传统的诊断系统的区别在于分析数据不是单一的，机械的、电气的、化学的等等信息都可以按需要加入进来对某一个对象进行分析，使得诊断的效率大为提高。
        冷轧薄板的设备诊断系统获得了宝钢检测公司的技术支撑，设备诊断系统不仅在冷轧薄板厂现场可以进行操作，通过DDN专线与宝钢诊断服务器相连，可以获得检测公司诊断专家系统的支持。
        2  02机组2#齿轮箱故障的现象
        02年6月，点检在进行在线数据巡查时发现：2#机架主传动齿轮箱的振动值增大，系统显示红灯报警，现场巡检时发现齿轮箱声音异常。发现问题后，点检作了以下工作：
        (1) 利用便携式数据采集器进行离线确认
        (2) 请求检测公司的诊断远程支持
        (3) 同时提出精密诊断申请
        齿轮箱的振动值增大将会大大降低设备的使用寿命，会使设备产生疲劳劣化。为找出振动值逐渐增大的原因，检测公司的诊断专家系统通过DDN专线，从薄板诊断系统的设备属性模块中，查询了2#机架齿轮箱的基础参数及安装结构，并进行了相关计算。
        2#轧机的基本参数如下：
        电机：
        电压：2.8~3.0（kV）
        转速：440/1100（RPM）
        极数：6P
        齿轮箱：
        齿数：Z1-24/Z2-57/Z3-22/Z4-22
        直径：444.44/1055.56/500.00/500.00(mm)
        齿宽：400/400/470/470(mm)
        轴承型号：高速、低速轴KOIO-NO.NNU4052WQ3C270
        中间轴KOIO-NO.46T52422GC4
        薄板的设备管理系统中有相应的设备参数，但这些参数不能满足诊断的需要，若要把所有的设备参数全部放到管理系统中去，管理系统就会很臃肿，因此在建立薄板诊断系统的时候，决定把与诊断相关的设备信息放在诊断系统中，两个系统的相关信息可以共享。

图1   2#机齿轮箱结构及测点位置示意图
1－电机侧上部水平   2－电机侧下部水平   3－中间上部水平
4－中间下部水平    5－操作侧上部水平   6－操作侧下部水平

        2#轧机齿轮箱由二组齿轮构成，从2月25日的频谱图中分析（2.25日是该系统投入运行后的第一次实测数据），轴承的通过频率成分很小，转频的特征也不明显，传动系统的固有频率没有被激发的迹象。在该谱图中最大的频率成分为齿轮的啮合频率，并且存在边频及倍频，尽管量不是很大。

图2   2月25日操作测上测点的图谱

        根据啮合频率的计算公式：
        第一对齿啮合频率为： 462×24/60=185Hz
        第二对齿啮合频率为： 462×24×22/(57×60)=71Hz
        为了找出该齿轮箱的振动原因所在，我们调阅了3到9月份的相关谱图，发现2#机架的振动不是一直大的，它与转速基本无关，而与轧制力呈正比关系，这是轧钢设备的共性；但是低速齿的振动和啮合频率不明显，高速齿振动和啮合频率一直在增长，尤其是中间上部这个测点的信息，除了高速齿的啮合频率幅值增加较快之外，边频的幅值也在增加，但是从7月份开始，边频变得不那么明显，8月30日的图谱中，尽管啮合频率的幅值已经达到11.6mm/s，但边频却分不出来。

图3  8月30日中间上测点的图谱

        与此同时，在操作侧（低速齿）的图谱中，啮合频率虽然同样存在，幅值却明显很小。
        2#机架共设了6个测点，基本涵盖了齿轮箱的全部信息，虽然该齿轮箱振动有异常，但发展是缓慢的、起伏变化的。为了有效地把握状态发展的趋势，检测公司通过远程监测，重点把握2#机架6个测点的状态。根据已经获得的信息，我们绘制了各测点的状态趋势图。

图4   高速齿fm1 和低速齿fm2的趋势图

        根据二对齿轮的啮合频率的幅值和发展趋势来分析，2#机架振动大的原因可能是出在高速齿上面，尤其是中间上部这个位置，5个月内幅值增加了近5倍。
        7月20日02机组有一次定修，点检打开2#齿轮箱的人孔进行齿面检查，由于观察位置的制约，当时没有发现异常迹象。到8月30日，1fm的最大幅值达到12.3487mm/s。由于该次检查没有发现问题，因此一度怀疑到其他方面的故障，比如轴承的故障、扁头套的故障等等，但这些故障没有相对应的特征频率来证明，最后还是把焦点集中到齿轮上来。
        3  故障原因分析
        要找出齿轮振动大的原因，必须从齿轮本身的特点去分析。齿轮由于结构和工作原理上的一些特点，其振动信号较为复杂。它在工作过程中的故障信号频率基本上表现为两个部分：一是齿轮啮合频率及其谐波构成的载波信号；二是低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。从频域和时域上观察，齿轮的主要特征成分有：
        (1) 啮合频率及其谐波成分
        (2) 幅值调制和频率调制所形成的边频带
        (3) 由齿轮转速频率的低次谐波所构成的附加脉冲
        啮合情况良好的齿轮，其产生的啮合频率和谐波具有较低的幅值，啮合频率和谐波幅值的增加，则可能是负荷增大，齿轮径向间隙过大以及齿轮游隙不适当等原因所引起的。
        齿轮表面发生均匀性磨损，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化，齿表面磨损后，由于齿廓形状的变坏，啮合时不仅在宽频带上的振动幅值增大，而且从频谱上分析，可以看到啮合频率及其各次谐波幅值均有明显增长。
        在实测信号中，由于系统传递特性的影响以及存在频率调制，频谱上的边频成分不会十分规则和对称，边频带的分布形状取决于调制信号的特点。
        根据幅值调制边频的形状可以分辨出齿轮存在局部性缺陷还是分布性缺陷。如果齿轮发生断裂或大的剥落等局部性缺陷，则当啮合点进入到缺陷处时，齿轮就会产生一个可以分解为许多正弦分量之和的冲击脉冲，在频谱上会形成以啮合频率为中心的一系列边频，这种现象在2#齿轮箱各测点的图谱中不存在，故可排除；如果齿轮上存在点蚀、划痕等分布比较均匀的缺陷，在频谱上产生的边频带特点是分布比较高比较窄，而且幅值变化起伏比较大。从6月以来的图谱中可以发现，啮合频率及其边频是呈起伏变化、缓慢上升的趋势，因此点蚀、剥落的可能性比较大。
        6月份以来的图谱，尤其是中间上部这个测点的图谱，1fm的边频由于其啮合频率幅值的增加而被掩盖，要提高频率分辨率，细化谱分析是一种手段。Elive软件提供了时域、频域谱的细化功能。
        细化谱的分析可以从两方面着手：一是利用边带的对称性找出其频率关系；二是比较各次测量中边带谱峰对的幅值差异程度，边带谱峰图形的变化就包含着齿是否存在局部故障。

图5   8月30日中间上测点的200Hz细化谱图谱

        图5是经过细化的图谱。细化以后的图谱明显的显示了相关的边频118.086和128.0，幅值达到了2.1和2.7mm/s。这个幅值比3月份的图谱增加了将近10倍，边带增长的速度比啮合频率的增长速度快了一倍，齿面故障的特征已经很明显。造成这种缺陷的原因有以下几方面：
        (1) 齿轮啮合不良；
        (2) 齿轮磨损即啮合间隙增大；
        (3) 负荷太大。
        (4)  检修验证
        9月8日，冷轧薄板厂根据诊断得出的结论安排了停机揭盖检查。
        为了确诊诊断的结论，点检采取了用着色法检查齿轮啮合情况，用压铅法测量齿轮间隙的手段。检查结果着色法检查齿轮啮合面为全齿宽的70%以上，压铅法测量齿轮的间隙为0.45~0.55mm，间隙在合理的范围之内。但在对高速齿作检查的时候发现工作侧有一个啮合齿端部呈块状剥落（长20mm、宽15mm）如图7所示；且高速齿工作侧所有啮合齿端部都有疲劳及点蚀现象。低速轴啮合齿中部也有呈椭圆状剥落现象，但没有高速齿严重。

图6  揭盖后显示的齿面剥落情况

        从齿啮合情况来看，高速齿啮合面有偏移，至使齿面受力不均局部受力，容易产生疲劳损伤；轧机在正常运行时2#机架的轧制力分配较大，使该机架主传动齿箱齿轮长期处于疲劳状态从而造成啮合齿面点蚀及齿端部有块状剥落。
        经过现场处理2# 机架齿轮箱恢复运行，其振动值较修复前有明显降低，状态有所改善。图8便是2# 机架主传动齿轮箱处理后所测的数据，从图中明显看到2#机架的第一对齿啮合频率在220 Hz时，振动幅值由原来的9.046155mm/s降低到4.23023mm/s。其它测点的振动值都有不同程度的降低，说明这次检修的效果是明显的，更说明当时的分析和判断也是正确的。

图7   修复后的中间上部测点图谱

        再根据检修后的数据分析，2# 机架齿轮箱的振动值虽然比以前有所降低，但和其它几个机架的齿轮箱振动值相比还是较大，负荷太大是主要原因，如何控制，是设备和工艺今后需研究的课题，如对5个机架的负荷作重新分配，考虑是否需要紧急制作2#齿轮箱传动齿轮轴等等。
        4  几点思考
        冷轧薄板厂的设备诊断系统是一个诊断平台，它和传统的诊断系统的区别在于分析数据不是单一的，本次案例是一种成功的尝试，在尝试中有几点思考，供大家讨论。
        (1) 多信息的参与和状态分析的关系
        薄板系统是一个平台，但管理的职责在点检。齿轮箱的磨损、点蚀可以通过油分析来早期控制，但必须提供采样的渠道；离线的振动数据和在线不一定能够吻合，但一段时间内的趋势应该是一样的，点检应该作各种信息的趋势管理工作。
        (2) 远程技术支持的效率问题
        薄板系统与宝钢诊断系统是依靠DDN连接的，网络传输速度受到制约，比如实事信息无法传递，如何在特殊情况下进行时段性的数据传递，是今后研究的内容，否则远程技术支持只能是一种滞后的支持。
        (3) 分析功能的上移
        考虑到主干网的通讯速度和在线信息的量，该系统设计时把实时信息存于在线服务器，而传上去的信息是经过处理后的信息，从平台角度考虑是欠妥的。统一的平台，完善的分析工具，先进的分析方法应该是一种有机的融合，在系统扩容的时候是否考虑上移。
        5  结束语
        随着科学技术的迅猛发展，在现代工业生产中，人们对设备管理的理念正在发生深刻的变化，从一般常规设备管理向设备的综合管理方向发展。它包括设备运行、状态监测、故障诊断、趋势预报和决策维修等，而状态监测和故障诊断又是设备现代化管理的技术基础和关键所在，只有进入设备管理体制中才能产生显著的效益，才能真正发挥作用。