礦用碎石機(jī) 

摘要: 通過對(duì)不同齒輪箱振動(dòng)頻譜的檢測(cè)結(jié)果的分析，論述了判斷齒輪箱由于長(zhǎng)期處于某些惡劣條件下，如交變載荷或潤(rùn)滑油失效，引起的齒輪和軸承損壞的檢測(cè)方法。分析了齒輪箱出現(xiàn)故障的原因以及應(yīng)采取的SH系列回轉(zhuǎn)篩措施。

關(guān)鍵詞：震動(dòng)篩風(fēng)電機(jī) 齒輪箱 軸承 狀態(tài)檢測(cè)

一、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行多錘頭破碎機(jī)特征

我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)中安裝的風(fēng)電機(jī)組多數(shù)為進(jìn)口機(jī)組。近幾年來，一批齒輪箱發(fā)生故障，有些由廠家更換，也有的由國(guó)內(nèi)齒輪箱專業(yè)廠進(jìn)行了修理。有的風(fēng)場(chǎng)齒輪箱損壞率高達(dá)40~50%，極個(gè)別品牌機(jī)組齒輪箱更輸送裝置換率幾乎接近100%。雖然齒輪箱發(fā)生損壞不僅僅在我國(guó)出現(xiàn)，全世界很多地方同樣出現(xiàn)過問題，但在我國(guó)目前風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)的故障中已占了很大比重，應(yīng)認(rèn)真分析研究。

1) 過去小容量風(fēng)電機(jī)組齒輪箱多采用平行軸斜齒輪增速結(jié)構(gòu)，后來為避免齒輪箱造價(jià)過高、重量體積過大，500kW以上的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱多為平行軸與行星輪的混合結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大，輪轂高度增加，齒輪箱受力變得復(fù)雜化，這樣就造成有些齒輪箱篩料機(jī)可能在設(shè)計(jì)上就存在缺陷。

2) 由于我國(guó)有些地區(qū)地形地貌、氣候特征與歐洲相比有特殊性，可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)往復(fù)給料機(jī)計(jì)的齒輪箱正常運(yùn)行有一定影響。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)處于山區(qū)或丘陵地帶，尤其是東南沿海及島嶼，地形復(fù)雜造成氣流受地形影響發(fā)生崎變，由此產(chǎn)生在風(fēng)輪上除水平來流外還有徑向氣流分量。我國(guó)相當(dāng)一部分地區(qū)氣流的陣風(fēng)因子影響較大，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)力系來說，經(jīng)常出現(xiàn)超過其設(shè)計(jì)極限條件的情況。作為傳遞動(dòng)力的裝置-齒輪箱，由于氣流的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致齒輪箱長(zhǎng)期處于復(fù)雜的交變載荷下工作。由于設(shè)備安裝在幾十米高空，不可能容易地送到工廠檢修，因此經(jīng)常進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理，還可以分析從出現(xiàn)故障征兆到徹底失效的時(shí)間，以便及時(shí)安排檢修。

3) 在我國(guó)北方地區(qū)，冬季氣溫很低，一些風(fēng)場(chǎng)極端(短時(shí))最低氣溫達(dá)到-40℃以下，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)最低運(yùn)行氣溫在-20℃以上，個(gè)別低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最低可達(dá)到-30℃。如果長(zhǎng)時(shí)間在低溫下運(yùn)行，將損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的部件，如齒輪箱。因此必須對(duì)齒輪箱加溫。齒輪箱加溫是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較長(zhǎng)時(shí)間較低或停風(fēng)時(shí)，齒輪油會(huì)因氣溫太低而變得很稠，尤其是采取飛濺潤(rùn)滑部位，無法得到充分的潤(rùn)滑，導(dǎo)致齒輪或軸承短時(shí)缺乏潤(rùn)滑而損壞。如果機(jī)艙溫度也很低，那么管路中潤(rùn)滑油也會(huì)發(fā)生流動(dòng)不暢的問題，這樣當(dāng)齒輪箱油不能通過管路到達(dá)散破碎機(jī)械熱器，齒輪油溫會(huì)不斷上升直至停機(jī)。

歸納起來，我們可以分析在我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生齒輪箱故障可埋刮板輸送機(jī)能主要有以下原因：

1、齒輪箱潤(rùn)滑微型振動(dòng)電機(jī)不良造成齒面、軸承過早磨損

-大氣溫度過低，潤(rùn)滑劑凝固Yk型圓碎石篩分機(jī)，造成潤(rùn)滑劑無法到達(dá)需潤(rùn)滑部位而造成磨損
-潤(rùn)滑劑散熱不好，經(jīng)常過熱大傾角波紋擋邊輸送機(jī)，造成潤(rùn)滑劑提前失效而損壞機(jī)械嚙合表面
-濾芯堵塞、油位傳感器污染，潤(rùn)滑工業(yè)輸送設(shè)備劑“中毒”而失效

2、設(shè)計(jì)振動(dòng)輸送機(jī)上存在缺陷

齒輪的承載能力計(jì)算一般按照ISO6336(德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN3990)進(jìn)行。當(dāng)無法從實(shí)際運(yùn)行得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，廠家可能選用的應(yīng)用系數(shù)KA為1.3，但實(shí)際上由于風(fēng)載荷的不穩(wěn)定性，使得設(shè)計(jì)與實(shí)際具有偏差，造成齒輪表面咬傷甚至表面載荷過分離機(jī)大而疲勞破壞。說明當(dāng)選擇應(yīng)用系數(shù)KA為1.3時(shí)，齒輪傳動(dòng)鏈中載荷遠(yuǎn)超出按假設(shè)設(shè)計(jì)值。如果軸承選擇不合適，由于軸向載荷相當(dāng)大，而造成軸承損壞。

3、失速調(diào)節(jié)型風(fēng)電機(jī)組安裝角如果設(shè)置過大時(shí)，冬季就會(huì)出現(xiàn)過功率現(xiàn)象，過高載荷影響齒輪箱的壽命。

二、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷

通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)行特征進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，比如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒輪箱、主軸、發(fā)電機(jī)等部件的振動(dòng)頻譜、齒輪油污染情況或定期對(duì)上述部件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，找出導(dǎo)致問題出現(xiàn)的原因，相應(yīng)采取措施加以解決。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱目前發(fā)生的故障來看，齒輪、軸承部件的損壞主要有幾種情況的磨損：粘附磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動(dòng)磨損和氣蝕。這些磨損出現(xiàn)之后，輕則金屬微粒會(huì)污染潤(rùn)滑劑，影響功率傳遞，產(chǎn)生噪音，造成齒面嚴(yán)重磨損或斷裂，軸承內(nèi)外圈或滾珠損壞，嚴(yán)重的使機(jī)組無法轉(zhuǎn)動(dòng)而徹底停機(jī)。當(dāng)機(jī)械部件發(fā)生初期磨損時(shí)，其振動(dòng)頻譜上會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)特征頻率，通過測(cè)試儀器可以進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.應(yīng)用SKF公司CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障進(jìn)行診斷
我們采用SKF的CMVA6.0狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，對(duì)張北風(fēng)場(chǎng)2臺(tái)NTK300/31（其中：1號(hào)機(jī)齒輪箱在齒輪箱廠才修過且運(yùn)行不滿1年，2號(hào)機(jī)為出現(xiàn)問題齒輪箱）齒輪箱進(jìn)行了對(duì)比，通過齒輪箱內(nèi)軸承和齒輪間嚙合的頻率和振動(dòng)分析，準(zhǔn)確地找出了2號(hào)機(jī)齒輪箱的故障點(diǎn)，既NJ234和NJ320二個(gè)軸承損壞，為齒輪箱修復(fù)發(fā)現(xiàn)問題及解決問題提供了判定依據(jù)，減少了修理周期，相應(yīng)提高了設(shè)備可用率。

機(jī)組情況描述:機(jī)型NTK300/31(NEG/MICON早期產(chǎn)品) 額定功率：300kW

齒輪箱類型: JA/KE CS520
安裝風(fēng)場(chǎng)： 張北風(fēng)電場(chǎng)
已運(yùn)行時(shí)間： 30,505h
已發(fā)電量： 2,923,913kWh
齒輪箱損壞情況：首先，軸承NJ234 (IM1)內(nèi)圈擋環(huán)粉碎，IMl軸軸向串動(dòng)16mm，進(jìn)而引起，軸承22318 (HS)和NJ320 (IM2)損壞。
監(jiān)測(cè)方式：分別對(duì)張北風(fēng)場(chǎng)兩臺(tái)JA/KE CS520 (NTK300/31)齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)對(duì)象：1號(hào)齒輪箱為在齒輪箱廠才修過且運(yùn)行不滿1年；2號(hào)為有問題齒輪箱
監(jiān)測(cè)狀態(tài)：風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)，并網(wǎng)發(fā)電
監(jiān)測(cè)時(shí)間：2h

取樣/分析程序：

1) 所有軸承端蓋的水平和垂直方向各取1個(gè)點(diǎn)
2) 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)，依次在各取樣點(diǎn)提取振幅和頻率數(shù)據(jù)
3) 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行頻譜分析，得知軸承、齒輪嚙合狀況。若發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)頻譜特征，結(jié)合齒輪箱的運(yùn)行參數(shù)，推斷引起問題的因素。
4) 建立狀態(tài)分析檔案，跟蹤質(zhì)量檢查。

監(jiān)測(cè)結(jié)果：

1號(hào)齒輪箱：齒輪間嚙合及軸承運(yùn)行工況良好。

2號(hào)齒輪箱：

1) 輸入軸：出現(xiàn)齒輪箱的嚙合頻率及其高倍的諧波分量，說明軸承狀態(tài)良好，齒輪運(yùn)行存在缺陷。
2) IM1軸：

輸入端：出現(xiàn)了缺陷頻率和諧波分量，說明軸承狀態(tài)及齒輪運(yùn)行不良。

輸出端： 出現(xiàn)大量的缺陷頻率和諧波分量并加雜大量邊頻，說明軸承己明顯損壞，齒輪的嚙合不良。

圖1 振動(dòng)加速度包絡(luò)線頻譜分析：軸承外環(huán)明顯損壞

3) IM2軸：出現(xiàn)不少軸承缺陷特征，說明軸承有問題，如圖1。

4) 高速軸：輸出端的振動(dòng)頻譜說明無明顯的軸承損壞特征。

圖2 振動(dòng)加速度包絡(luò)線頻譜分析：無明顯損壞

以上監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際檢查完全吻合。通過對(duì)齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，我們準(zhǔn)確的找到了故障的位置和故障點(diǎn)，縮短了齒輪箱修理而造成的風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間。

2.應(yīng)用SKF公司Marlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障進(jìn)行測(cè)試
采用SKF公司Marlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)NOEDEX N43/600kW風(fēng)電機(jī)組齒輪箱高速端的速度、加速度、溫度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，經(jīng)開箱后發(fā)現(xiàn)齒輪油已嚴(yán)重污染，齒輪齒面已有磨損。

Marlin系統(tǒng)由三部分組成：狀態(tài)探測(cè)器（MCD）、數(shù)據(jù)管理器（MDM）及PRISM4 Surveyor應(yīng)用軟件。Marlin可通過狀態(tài)探測(cè)器（MCD）讀出機(jī)器狀態(tài)，即兩個(gè)振動(dòng)測(cè)量值（速度和包絡(luò)加速度）和一個(gè)溫度測(cè)量值。探測(cè)器自動(dòng)把這些讀數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)作比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)超出正常值限時(shí)立即向操作人員發(fā)出警報(bào)。從探測(cè)器上發(fā)出的讀數(shù)可立即顯示和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理器（MDM）上，數(shù)據(jù)管理器主要作用是輸入、存儲(chǔ)和對(duì)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行檢查。PRISM4 Surveyor軟件可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)和分析，繪制出歷史趨勢(shì)曲線。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、齒輪箱及發(fā)電機(jī)等組成。為了捕獲風(fēng)資源的需要，整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸系安裝在幾十米高的塔架上，這就給機(jī)組各部位的測(cè)量帶來不便。而Marlin系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分狀態(tài)探測(cè)器（MCD）和數(shù)據(jù)管理器（MDM）便于隨身攜帶，因而十分適合對(duì)風(fēng)電機(jī)組的重點(diǎn)部位進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量。

1) Marlin系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

① 狀態(tài)探測(cè)器（MCD）既可單獨(dú)使用，又可與數(shù)據(jù)管理器（MDM）聯(lián)合使用。當(dāng)單獨(dú)使用MCD時(shí)，根據(jù)報(bào)警信號(hào)可對(duì)機(jī)組測(cè)量點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)馬上作出判斷，十分方便。當(dāng)需要了解機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中的某個(gè)過程時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)傳到MDM中進(jìn)行保存，然后再進(jìn)行詳細(xì)分析。

② 由于Marlin系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)既包括振動(dòng)速度，又包括包絡(luò)加速度，因此我們不但可以發(fā)現(xiàn)低頻到中頻的故障如不平衡、不對(duì)中、轉(zhuǎn)子彎曲、松動(dòng)等，又可檢測(cè)到軸承及齒輪的缺陷，這一點(diǎn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組尤為重要。此外，對(duì)溫度的測(cè)量，可以幫助分析軸承溫度，對(duì)故障的判斷起到一定的幫助作用。

2) Marlin系統(tǒng)的不足

Marlin系統(tǒng)作為SKF公司的一種較為簡(jiǎn)易的狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，其分析和診斷功能較為薄弱。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，我們僅能看到其在一段時(shí)間內(nèi)的總體水平；如果發(fā)現(xiàn)了某些測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值超出報(bào)警限值，也僅能做出一個(gè)早期故障的判斷，而對(duì)于故障的具體來源及原因便無從得知，這時(shí)就需要借助更為先進(jìn)的工具如Microlog系統(tǒng)，來做進(jìn)一步的分析，如FFT頻譜分析、頻譜趨勢(shì)分析、時(shí)間波形分析等，以便對(duì)故障做出準(zhǔn)確判斷。

3) 采用Marlin系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要作大量的工作

由于現(xiàn)階段對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)所作的工作還非常有限，因此我們?cè)谠O(shè)定測(cè)量值的報(bào)警限值時(shí)還有一定的困難。設(shè)定準(zhǔn)確的報(bào)警水平既需要有機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，又需要有被監(jiān)測(cè)機(jī)組正常振動(dòng)水平的經(jīng)驗(yàn)，只有當(dāng)我們了解了正常的振動(dòng)水平，才會(huì)發(fā)現(xiàn)機(jī)組的異常振動(dòng)。這就需要我們對(duì)機(jī)組的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)作長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，收集其振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)信息。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)表明機(jī)組處于一個(gè)持久的良好工作條件時(shí)，就可把報(bào)警值設(shè)定在這個(gè)趨勢(shì)水平之上。此外，當(dāng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行修理后，如果必要的話，也需要對(duì)報(bào)警水平進(jìn)行調(diào)整。

3.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的選擇

根據(jù)目前風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，通常齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機(jī)及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件，因此在常規(guī)的監(jiān)測(cè)中，可將齒輪箱前后軸承、發(fā)電機(jī)前后軸承分別作為測(cè)量點(diǎn)。這樣做是基于如下的考慮：

1) 當(dāng)機(jī)組的主要軸承失效時(shí)，機(jī)組就得停機(jī)。監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)可以較早發(fā)現(xiàn)軸承故障，這就為及早安排必要的維修提供了寶貴的時(shí)間。
2) 由于軸承承載著機(jī)器的負(fù)荷，許多典型的機(jī)械問題如不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)等都會(huì)將振動(dòng)信號(hào)傳給軸承。因此通過監(jiān)視軸承的振動(dòng)，就會(huì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)上述典型機(jī)械故障及軸承缺陷。

4.存在問題

1) 缺乏足夠數(shù)據(jù)

由于缺乏任何可供比較的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，因而分析引發(fā)缺陷的原因有一定難度。如，是不對(duì)中、不平衡、機(jī)件松動(dòng)還是軸彎曲等引起的損壞。

2) 缺乏經(jīng)驗(yàn)

針對(duì)位于齒輪箱內(nèi)部的軸承及齒輪嚙合的診斷，狀態(tài)監(jiān)測(cè)還存在一定的難度，這是由于數(shù)據(jù)采集探頭距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，該診斷須排除其他干擾因素，以達(dá)到準(zhǔn)確判斷，需要進(jìn)一步探索。

三、結(jié)論

綜上所述，我們認(rèn)為：對(duì)于齒輪箱齒輪、軸承的故障診斷尚處于摸索時(shí)期，還需要有一定的時(shí)間和更多的實(shí)踐，由于我們對(duì)為數(shù)不多的幾臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱進(jìn)行了分析，難免存在有一定的片面性，但其效果經(jīng)證實(shí)是有效的。

我們采用狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于我們發(fā)現(xiàn)和正確判斷出現(xiàn)的故障以及判斷故障位置和可能的原因有很大的幫助，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行管理的角度來看，我們必須了解齒輪箱的狀態(tài)，以及當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)能得到正確的判斷和相應(yīng)的處理。我們感到只有借助儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)才能真正了解故障的原因以及應(yīng)采取的措施，避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，并指導(dǎo)日后的修理。

某些振動(dòng)頻率幅值超過設(shè)計(jì)極限，也是造成設(shè)備損壞的一個(gè)原因，因此國(guó)外一些廠家在齒輪箱上安裝一些阻尼器，抑制某些頻率而達(dá)到減少設(shè)備破壞的目的。

我們無論是國(guó)產(chǎn)化制造齒輪箱還是齒輪箱的用戶，在今后運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1) 必須深入了解齒輪箱輸入的載荷譜，以及齒輪箱的振動(dòng)頻譜，通過測(cè)試分析找出故障原因，并在設(shè)計(jì)制造中進(jìn)行改進(jìn)，如設(shè)計(jì)參數(shù)、加工工藝改變。
2) 對(duì)于不同用戶應(yīng)采取不同措施，如陣風(fēng)大，交變應(yīng)力較大的地方，應(yīng)對(duì)齒輪箱及軸承進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。
3) 低溫時(shí)，應(yīng)考慮妥善的加熱方法，以及良好的散熱系統(tǒng)。
4) 應(yīng)充分監(jiān)視振動(dòng)頻譜，對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果齒輪箱軸承或齒輪出現(xiàn)故障特征頻率時(shí)，及時(shí)分析處理，并不斷進(jìn)行測(cè)試最終建立數(shù)據(jù)庫。
5) 應(yīng)不斷檢查潤(rùn)滑部位是否充分得到潤(rùn)滑，以及潤(rùn)滑劑是否有雜質(zhì)，是否已經(jīng)失效。
6) 必須對(duì)重點(diǎn)部位的溫度進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)超溫進(jìn)行保護(hù)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

總之，齒輪箱損壞需引起我們的重視。正確分析原因，采取相應(yīng)措施，國(guó)產(chǎn)齒輪箱代替進(jìn)口是完全可行的