分析齿轮泵减速机振动原因Word文档格式.docx
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同步齿轮齿数
一级行星轮系
18
49
117
—
二级行星轮系
24
38
100
齿轮传动
26
电机输入转速
，则各级传动比和转速为：
一级行星传动比
（式1-1）
二级行星传动比
（式1-2）
总速比
（式1-3）
二级行星系太阳轮转速：
（式1-4）
输出端同步齿轮转速：
（式1-5）
减速机传动系统基本参数如表2所示：
表2减速机各传动系基本参数
传动级
输入轴
（额定）
一级行星传动
二级行星传动
同步齿轮传动
输入转速
850rpm
113.3rpm
21.9rpm
设计功率
800KW
400KW
轴承位置
输入轴端
行星齿轮
同步齿轮两侧
轴承型号
6228
NU2226EM
NU2232EM
24056
24052B
23064
300TMP
1.2故障描述
2010年8月25日，当班操作工巡检时发现齿轮泵G-404有异响，并且声音连续。
因此，我们对G404机组进行了检查，VM63测振仪显示振动速度为2.2mm/s，数值在该设备的振动值允许范围内，根据以前类似情况的处理经验，认为是由于该齿轮泵与减速机的齿形联轴节缺油所致。
9月2日利用三聚停车检修的机会，我们对该齿轮泵和减速机的联轴节进行拆检，检查发现该联轴节润滑油略有缺少，补加润滑油后开车，异响消除，但振动仍然存在。
通过查看本特利在线监控系统发现齿轮泵G-404在8月16日振动增大，图3为该齿轮泵VE-4201A检测点经本特利在线监控系统采集到的实时监控图，从图3可看出振动在当天11点20分急剧增大，增大幅度在50%左右且振动值持续保持在高点，图中A点为9月2日停车检修点，开车后从图中可看出振动程度与检修前基本一样。
这时，我们意识到是减速机内部出现了问题，由于目前的减速机振动值在该设备要求的7.1mm/s以下，我们决定对其运行状况进行重点监控。
图3VE-4201A实时监控图
2故障原因分析与诊断
历经三个月重点监控，通过现场设备工人及专业巡检小组共同的努力，我们累积了大量的监测数据，为故障原因分析提供了强大的数据支持，我们利用这些数据对该熔融齿轮泵减速机振动故障原因进行分析。
首先对每天两次的巡检测数据进行整理，统计发现产品牌号、熔融指数以及单位小时产量的变化对电机电流、电机转速、减速机振动程度都有不同程度的影响。
特护监测期间，该装置共生产过8101/8303/1008/7726/7735/1735/9026/6606八种牌号的聚丙烯产品，我们仅以其中四种生产周期长的牌号作为分析依据，以生产牌号为横轴，按照各牌号生产日期的先后顺序，对减速机振动加速度进行统计并作出振动加速度与产品牌号之间的关联图，如图4所示。
图4减速机振动加速度与产品牌号关联图
从图中可看出，生产不同的牌号时，设备振动的剧烈程度也不同，产品熔融指数大，振动相对缓和；
但是在装置生产相同牌号的产品时，振动值都呈上升趋势，表明设备故障逐渐累计。
2.1频谱检测理论
轴承和齿轮都是转动机械设备中比较容易损坏的元件，在该齿轮泵减速机的结构中共包括7种类型的26个轴承和13个齿轮，因此本文主要根据频谱分析理论对该减速机的轴承和齿轮进行频谱特征分析与故障诊断。
2.1.1滚动轴承的故障及诊断机理
滚动轴承是旋转机械中应用最广的机械零件，也是最易损坏的元件之一。
旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大的影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声，甚至造成设备损坏。
如图5所示，滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，由于安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷等原因造成各元件表面产生剥落坑、裂纹或胶合斑痕等，使轴承在运转中产生振动。
下面给出滚动轴承工作时各零件单一缺陷产生的振动所对应的特征频率的计算方法：
图5滚动轴承结构图
D—节圆直径d—滚珠直径α—接触角z—滚动体个数n—轴的转速
旋转轴工作频率
（式2-1）
保持架特征频率
（式2-2）
外滚道特征频率
（式2-3）
内滚道特征频率
（式2-4）
滚动体特征频率
（式2-5）
缺陷的尺寸越大，振动信号越强。
在实际运行过程中轴承各零件会同时出现多个剥落坑，产生的频率是上述单个频率的数倍。
这里应注意由于滚动轴承的制造、材质以及轴承实际工作状态与理论状态不完全一致等原因使得测量特征频率与理论计算值存在一定的差别。
滚动轴承故障的频谱和波形的特征如下：
1）径向振动在轴承故障特征频率及其低倍频处有峰，若有多个同类故障，则在故障特征频率的低倍频处有较大的峰存在，若还有明显的倍频成分，表明故障严重；
2）内滚道故障特征频率处有峰，且有间隔为1倍工作频率的边带，表明有内滚道故障；
3）滚动体故障特征频率处有峰，且有间隔为保持架故障特征频率的边带，表明有滚动体故障；
4）在频谱的中高频区域若有群峰产生，表明有疲劳故障；
5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时，轴向振动波形与径向相同）或者其波峰系数大于5，表明故障产生了高频冲击现象。
2.1.2齿轮的故障及诊断机理
齿轮的故障现象主要包括制造误差、装配不良和齿轮损伤三方面，其频谱的主要特征成分有：
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以及由齿轮加工误差形成的隐含成分。
齿轮在啮合过程中啮合齿上的载荷和刚度是随着时间变化的，正常运转的无故障齿轮也会受到啮合刚度周期性变化的激励而产生啮合频率的振动（或称啮合振动），此外传动误差、啮合冲击、节线冲击等问题也会使齿轮在啮合过程中发生啮合频率的振动。
转轴中心固定的齿轮其啮合频率为：
（式2-6）
式中
、
——主动轮和从动轮的转速频率
——主动轮和从动轮的齿数
在齿轮啮合良好的情况下产生的啮合频率及其谐波具有较低的幅值，正常齿轮产生的啮合频率振动，其波形近似于简谐波，幅值很小，但当存在齿面磨损，或者负荷增大、齿轮径向间隙过大以及齿轮游隙不适当等原因所引起的故障时，由于齿轮的啮合状况变坏，啮合频率的谐波成分幅值就会明显增大。
齿轮常见故障的频谱和波形特征如下：
1）当齿轮发生均匀磨损时，其啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，而且高频次谐波幅值相对增大较多；
2）当齿轮出现不同轴或不对中时，会在频谱上产生以各阶啮合频率为中心，以故障齿轮的旋转频率
为间隔的一阶边频；
3）当齿轮出现偏心会引起齿轮的旋转频率及其倍频处幅值增大。
4）当齿轮上的点蚀、划痕分布比较均匀时，在频谱上表现为啮合频率的谐波成分产生高而窄，且幅值变化起伏较大的边频带。
通过上述理论我们将在2.2中通过西马力A30机泵离线监测数据对减速机故障进行分析。
2.2西马力A30机泵离线监测数据分析
燕化公司机泵离线监测系统是燕化公司动设备监测的重要组成部分，通过专业技术人员对运行动设备重要程度的合理划分，采取不同的巡检频次，该系统可以对动设备进行有效的监控。
它以西马力轴承故障监测仪A30为巡检工具，通过采集监控设备的振动频谱、振动速度以及冲击脉冲，完成对动设备的运行状态监测。
图6减速机输入端离线监控频谱图
图6为2010年10月20日13点31分利用西马力A30离线监控系统对齿轮泵减速机输入端采集的频谱图，该频谱图中分别在52.5Hz，210Hz、415Hz、630Hz、837.5Hz……处有峰值，1600~2000Hz的中高频区有群峰出现。
2.2.1熔融齿轮泵减速机内轴承故障分析
首先对该减速机所有轴承进行频率特征计算。
由于受到产品牌号、工作负荷等因素的影响，减速机在运行过程中其电机电流和转速是变化的，测试当天电机转速
。
代入式（1-4）（1-5）得到一级行星轮输出转速
，二级行星轮输出转速
将
代入滚动轴承特征频率计算公式（式2-1）——（式2-5）中，得到减速机内各个轴承部件的故障特征频率如表3所示：
表3减速机内各轴承部件的故障特征频率
转速
工作频率
保持架
外滚道
内滚道
滚动体
NU2226
264
4.4
1.9
32.41
42.38
16.21
NU2232
60
1
0.43
7.8
10.2
3.68
24052
18.58
0.31
0.14
3.48
4.27
1.48
3.78
4.59
1.56
4.25
5.05
1.77
5.27
2.14
720
12
6
69.24
50.76
38.04
根据轴承故障频率特征分析方法，从表中可看出型号为6228的轴承其内滚道故障特征频率与图6中52.5Hz基本吻合，且在1600~2000Hz高频区有群峰出现，根据滚动轴承故障的频谱和波形的特征，我们认为减速机内的6228轴承的内滚道存在有疲劳缺陷，但是由于没有出现倍频峰值，说明该轴承故障并不是十分严重，该轴承在减速机内仍然可以继续运行。
2.2.2熔融齿轮泵减速机齿轮故障分析
在该减速机的齿轮啮合系中，利用（式2-6）对各级齿轮传动的啮合频率进行计算，计算结果如表4所示。
表4各级齿轮传动的啮合频率
传动系
啮合频率
216
38.4
8.05
图6中，210Hz及其倍频415Hz、630Hz、837.5Hz……处均有峰值出现，由于实际测量的特征频率与理论计算值存在一定的差别，210Hz与一级行星轮系的啮合频率基本吻合，因此，这些峰值对应的是一级行星轮系的啮合频率及其谐波成分，说明一级行星轮系的齿轮有磨损，使齿轮的啮合情况变坏，产生以上振动现象。
通过计算比较我们认为该减速机输入端6228轴承内滑道存在点蚀或疲劳脱落缺陷，一级行星轮系的齿轮有磨损缺陷。
3HG8902C设备状态检测数据分析
HG8902C多通道数据采集故障诊断系统具有强大的离、在线振动分析功能，其频谱分析功能常用于各种旋转机械常见故障分析，由于该仪器在测量时对所设定量程的前端和末端反应不敏感，因此我们采用高、中、低三个频率范围针对西马力A30离线检测系统的频谱分析结果，对减速机输入端6228轴承和一级行星轮系进行进一步的频谱采集。
3.1低频区域频谱分析
对HG8902C采集数据系统有效显示范围设置为100Hz，对减速机输入端低频振动进行测试分析，图7为减速机输入端垂直方向低频振动频谱图，从图中可看出在62Hz处出现峰值与6228轴承的内滚道频率特征及A30系统测试结果相吻合，表明该轴承内滚道存在点蚀磨损故障。
图7减速机输入端垂直方向低频振动频谱图
3.2中频区域频谱分析
对HG8902C采集数据系统有效显示范围设置为1000Hz，对减速机输入端中频振动进行测试分析，图8为减速机输入端垂直方向中频振动频谱图，从图中可看出，在200Hz、400Hz、600Hz、800Hz、1000Hz处均出现峰值，与A30离线监测数据分析中一级行星轮系的啮合频率基本吻合，再次证明了一级行星轮系的齿轮存在磨损故障。
图8减速机输入端垂直方向中频振动频谱图
3.3高频区域频谱分析
图9减速机输入端垂直方向高频振动频谱图
最后，将HG8902C采集数据系统有效显示范围设置为2KHz，对减速机输入端高频区域的振动进行测试分析，图9为减速机输入端垂直方向中频振动频谱图，从图中可看出，在1500Hz以后的中
高频区域出现群峰，表明有轴承存在疲劳故障。
通过以上频谱图对比分析，与A30离线监测系统数据分析结论基本一致，但是发现一级行星齿轮啮合频率谐波成分幅值有增大趋势，于是，将A30系统2010年11月19日13点25分采集的频谱图（如图10）与之前的频谱图进行对比，发现齿轮啮合频率谐波成分幅值增幅较大，甚至超过啮合频率处幅值，且产生边带，反应出齿轮磨损加剧。
图10减速机输入端11月19日13点25分采集的离线监控频谱图
4机组润滑油品的铁谱分析
图11油品铁谱分析报告
通过对轴承和齿轮的频谱分析，本文判断齿轮泵G404减速机异常振动的是由于一级行星轮系的磨损和输入端6228轴承的疲劳故障引起的。
为了进一步确定振动原因，我们对该机组润滑油进行了的铁谱分析，图11为铁谱分析报告单和照片，报告单中写明“与上次比较金属磨粒增多，从谱片上看，金属磨粒主要是正常磨粒，本次油样中，没有大于20微米的金属磨粒”。
据此，我们分析认为油品中所增加的磨粒一部分来自齿轮的磨损，另一部分来自轴承的磨损。
该装置设计年产量为20万吨，但实际生产过程中，年产量连续两年超过28万吨，工作负荷提高了40%以上，按照轴承工作状态曲线，目前该轴承处于故障初期阶段，是由于轴承长期处于高负荷工作状态产生的疲劳磨损，造成内滚道存有磨损或点蚀等疲劳故障。
图12轴承故障发展四阶段图
5结论
我们利用设备故障诊断技术，应用西马力A30机泵离线监测系统和HG8902C设备状态监测仪等现代测试分析手段和诊断理论方法对公司级重点机组M401熔融齿轮泵G404减速机进行了为期三个月的特护运行和异常振动原因分析，并通过机组油品铁谱分析对振动原因进行了深一步的论证。
以下是本文对该减速机振动原因的分析结论：
1）减速机振动频谱图中，低频50~60Hz区间有较大峰值出现，与输入端6228支撑轴承内滑道故障特征频率相对应，且在1600Hz以后的高频区域有群峰出现，表明6228轴承有疲劳故障产生；
2）减速机振动频谱图中在210Hz及其倍频处有峰值出现且在高倍频的增幅比低倍频处大，与一级行星轮系啮合频率及其谐波相对应，说明该传动系齿轮存在磨损故障；
同时，谐波处出现边带并有较高幅值，反应出齿轮处于磨损加速阶段。
3）通过机组油品铁谱分析对频谱分析结果进行了论证，由于机组长期在高负荷状态下运行，所生产产品牌号众多，设备运行状况波动大，加剧了设备零部件的磨损程度。
存在问题与建议：
由于时间、生产任务及检测设备和技术水平等方面的因素，该减速机自装置建成开车至今没有进行过拆机检查，本文只通过频谱分析和理论计算对该减速机异常振动的原因进行了理论分析，我们分析认为目前该减速机处于故障初期阶段并且磨损正在加剧。
据此我们建议在目前的生产过程中尽量降低机组单位小时产量，多生产熔融指数大的产品，降低减速机的负荷，尽量维持目前的运行状态，不使故障扩大，使之运行至2011年的装置大检修。
并在2011年的大检修中对该减速机行拆机检查，尤其要关注本文所论述的几方面问题。
参考文献
1、北京燕山石化公司工程建设指挥部二十万吨聚丙烯装置造粒系统最终文件
2、中国运载火箭技术研究院北京京航公司设备故障诊断技术及应用
3、沈庆根郑水英设备故障诊断化学工业出版社2009.5
4、毛谦德李振清袖珍机械设计师手册第3版机械工业出版社2007.1
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