摘  要：冷軋薄板的設備診斷系統(tǒng)是一個診斷平臺，通過這個平臺可以獲得遠程診斷技術的支持。02機組齒輪故障從發(fā)生到分析及處理，其過程均體現(xiàn)了這種支持的有效性。
        本文從齒輪故障的現(xiàn)象入手，分析故障的特征和產(chǎn)生原因，以及檢修的對策。以圖為今后同類故障的分析和充分利用遠程支持作一些經(jīng)驗積累。
        關鍵詞：診斷系統(tǒng)  齒輪故障  嚙合頻率  邊頻

        1  前言
        冷軋薄板02機組自2001年投產(chǎn)以來，產(chǎn)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(fā)了設備診斷系統(tǒng)，并在02機組上首先投入運行。
        冷軋薄板的設備診斷系統(tǒng)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(shù)據(jù)分析和狀態(tài)把握。它和傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)的區(qū)別在于分析數(shù)據(jù)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(tǒng)獲得了寶鋼檢測公司的技術支撐，設備診斷系統(tǒng)不僅在冷軋薄板廠現(xiàn)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(tǒng)的支持。
        2  02機組2#齒輪箱故障的現(xiàn)象
        02年6月，點檢在進行在線數(shù)據(jù)巡查時發(fā)現(xiàn)：2#機架主傳動齒輪箱的振動值增大，系統(tǒng)顯示紅燈報警，現(xiàn)場巡檢時發(fā)現(xiàn)齒輪箱聲音異常。發(fā)現(xiàn)問題后，點檢作了以下工作：
        (1) 利用便攜式數(shù)據(jù)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(chǎn)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(tǒng)通過DDN專線，從薄板診斷系統(tǒng)的設備屬性模塊中，查詢了2#機架齒輪箱的基礎參數(shù)及安裝結(jié)構，并進行了相關計算。
        2#軋機的基本參數(shù)如下：
        電機：
        電壓：2.8~3.0（kV）
        轉(zhuǎn)速：440/1100（RPM）
        極數(shù)：6P
        齒輪箱：
        齒數(shù)：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(tǒng)中有相應的設備參數(shù)，但這些參數(shù)不能滿足診斷的需要，若要把所有的設備參數(shù)全部放到管理系統(tǒng)中去，管理系統(tǒng)就會很臃腫，因此在建立薄板診斷系統(tǒng)的時候，決定把與診斷相關的設備信息放在診斷系統(tǒng)中，兩個系統(tǒng)的相關信息可以共享。

圖1   2#機齒輪箱結(jié)構及測點位置示意圖
1－電機側(cè)上部水平   2－電機側(cè)下部水平   3－中間上部水平
4－中間下部水平    5－操作側(cè)上部水平   6－操作側(cè)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(tǒng)投入運行后的第一次實測數(shù)據(jù)），軸承的通過頻率成分很小，轉(zhuǎn)頻的特征也不明顯，傳動系統(tǒng)的固有頻率沒有被激發(fā)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(jù)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(diào)閱了3到9月份的相關譜圖，發(fā)現(xiàn)2#機架的振動不是一直大的，它與轉(zhuǎn)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(jīng)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(cè)（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(fā)展是緩慢的、起伏變化的。為了有效地把握狀態(tài)發(fā)展的趨勢，檢測公司通過遠程監(jiān)測，重點把握2#機架6個測點的狀態(tài)。根據(jù)已經(jīng)獲得的信息，我們繪制了各測點的狀態(tài)趨勢圖。

圖4   高速齒fm1 和低速齒fm2的趨勢圖

        根據(jù)二對齒輪的嚙合頻率的幅值和發(fā)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(diào)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(diào)制和頻率調(diào)制所形成的邊頻帶
        (3) 由齒輪轉(zhuǎn)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(chǎn)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?shù)仍蛩鸬摹?br />        齒輪表面發(fā)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(tǒng)傳遞特性的影響以及存在頻率調(diào)制，頻譜上的邊頻成分不會十分規(guī)則和對稱，邊頻帶的分布形狀取決于調(diào)制信號的特點。
        根據(jù)幅值調(diào)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(fā)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)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(jīng)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(jù)診斷得出的結(jié)論安排了停機揭蓋檢查。
        為了確診診斷的結(jié)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(jié)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(nèi)。但在對高速齒作檢查的時候發(fā)現(xiàn)工作側(cè)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(cè)所有嚙合齒端部都有疲勞及點蝕現(xiàn)象。低速軸嚙合齒中部也有呈橢圓狀剝落現(xiàn)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(chǎn)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(tài)從而造成嚙合齒面點蝕及齒端部有塊狀剝落。
        經(jīng)過現(xiàn)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(tài)有所改善。圖8便是2# 機架主傳動齒輪箱處理后所測的數(shù)據(jù)，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(jù)檢修后的數(shù)據(jù)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(tǒng)是一個診斷平臺，它和傳統(tǒng)的診斷系統(tǒng)的區(qū)別在于分析數(shù)據(jù)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(tài)分析的關系
        薄板系統(tǒng)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(shù)據(jù)和在線不一定能夠吻合，但一段時間內(nèi)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(tǒng)與寶鋼診斷系統(tǒng)是依靠DDN連接的，網(wǎng)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(shù)據(jù)傳遞，是今后研究的內(nèi)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(wǎng)的通訊速度和在線信息的量，該系統(tǒng)設計時把實時信息存于在線服務器，而傳上去的信息是經(jīng)過處理后的信息，從平臺角度考慮是欠妥的。統(tǒng)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(tǒng)擴容的時候是否考慮上移。
        5  結(jié)束語
        隨著科學技術的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，人們對設備管理的理念正在發(fā)生深刻的變化，從一般常規(guī)設備管理向設備的綜合管理方向發(fā)展。它包括設備運行、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢預報和決策維修等，而狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷又是設備現(xiàn)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(chǎn)生顯著的效益，才能真正發(fā)揮作用。