鞍钢矿业球磨机齿轮的状态监测与故障诊断

于广宇，王忠生

（鞍钢集团矿业有限公司装备制造分公司，辽宁鞍山 114001）

鞍钢矿业球磨机齿轮的状态监测与故障诊断

于广宇，王忠生

（鞍钢集团矿业有限公司装备制造分公司，辽宁鞍山 114001）

结合球磨机常见故障特点，以球磨机齿轮故障为例，剖析球磨机齿轮的劣化过程，给出振动变化及频谱图特征，总结齿轮常见故障原因和状态监测诊断工作的作用。

球磨机齿轮；状态监测；故障诊断

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.54

0 引言

状态监测中，由于球磨机空间狭窄和齿轮箱封闭的特点，传感器探头只能对齿轮两侧轴承座进行测点，而齿轮对设备安全稳定运行很重要，所以齿轮状态监测一直是球磨机状态监测的难点。

1 球磨机齿轮监测和诊断方法

1.1 球磨机齿轮工况

齿轮运行状态影响到设备的安全性，随着齿轮运行时间的增加，最终导致齿轮失效。齿轮失效形式有齿面磨损、胶合、接触疲劳、弯曲疲劳与断齿等。齿轮失效的部位不定，有的会集中在几个齿，有的会出现在各个轮齿。在工作现场中，齿轮的装配及其维护是保证齿轮正常运行的关键。

球磨机传动部分包括大齿圈、小齿轮轴装置、齿轮罩等部件，大小齿轮一般釆用斜齿传动，易调整、寿命长、传动平稳，冲击小，噪声低、承载能力强。在齿轮箱故障诊断中，由于齿轮箱各轴存在偏心误差，故障诊断不能只检测齿轮特征频率，还要同时检测啮合频率的倍频。

1.2 齿轮传动系统状态监测与振动诊断方法

除了有明显的啮合频率及倍频外，频谱图上还有许多按一定规律分布的小谱线。这些小谱线是齿轮振动频谱图中常见的边频带谱。由于球磨机齿轮为斜齿，斜齿上相邻齿不同时啮合，不同程度的啮合相互叠加产生调制，导致谱线反映出有多种动载作用在齿轮上。有疑似故障趋势的齿轮，可以从齿轮振动的边频带谱和调制信号中入手。故障齿轮的振动信号往往表现为旋转频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心、等间隔分布的边频带。边频带的间隔反映了故障源频率，幅值反映了故障程度。利用振动值过大来判断齿轮损伤程度要注意3方面的问题。

（1）齿轮的制造与安装误差、点蚀等故障会直接体现为振动值过大。

（2）正常齿轮啮合周期至少为2 a，所以不排除某些球磨机振动值虽然大但仍可继续使用的情况。振动值大，多是小齿轮质量不好导致的断齿现象。

（3）幅值超过正常值的4倍即＞16 mm/s时，时域信号冲击明显，幅值达50～80 mm/s，峭度、加速度峰值均有所提高，尤其以垂直方向为主。当具备上述条件时，很大程度会出现齿轮故障。这种情况应在出现早期征兆时及时写入报告，与用户沟通并实时跟踪观察。如果有突然变化，建议立即停机检查齿轮。

1.3 球磨机参数

球磨机传动装置是将电机动力通过一系列装置传递到球磨机上，使球磨机滚筒转动，传动结构包括电机、联轴器、减速器、齿轮和辅助传动等。高速运行时，齿轮加速度的变化会给球磨机带来冲击，为了保证球磨机平稳运行，要按照给定要求装配，否则就会出现故障隐患。矿业公司球磨机多采用中心传动方式，由电机通过减速机带动球磨机（表1）。减速机的输出轴与球磨机中心线在同一条直线上，驱动装置的传动比为128.65∶1。

表1 矿业公司主要球磨机参数

2 齿轮故障案例

2.1 疑似故障

2015年5月至8月，某作业区2-1#球磨机，小齿轮轴承（靠近电机端）垂直振动阈值持续在17 mm/s左右，9月突然升高至27 mm/s左右，引起操作人员的注意（图1）。

2.2 振动分析与故障诊断报告

该球磨机设备转速为250 r/min，设备参数信息见表1。经状态监测与振动跟踪监测，结合频谱图分析，发现齿轮啮合频率及谐波幅值冲击过高怀疑齿轮啮合故障；结合时域图分析，信号冲击较大且波形不对称，因此推断齿轮啮合间隙增大并且伴有偏载现象。综上分析，怀疑齿轮啮合间隙增大是源于调整问题。目前很大程度上已出现磨损异常现象，应引起注意，应适时采取措施降低啮合冲击，避免给设备造成影响。同时要加强状态监测，避免设备事故突发。

2.3 维修效果与复查

更换下来的齿轮确实存在缺陷（图2），正是由于偏载或疲劳裂纹扩展造成的齿轮轮缺齿损伤，验证了此前的推断。幸好及时更换，未造成更多损失。经过维修后，对该球磨机进行观察。在2015年8月至2016年8月，检测到该球磨机振动值在合理范围内变化（16 mm/s左右），结合年底的定期检修，可以认为一年之内该球磨机振动值趋于稳定，没有出现类似故障（图3）。

3 结论

齿轮传动是球磨机主要的传动形式，齿轮也是球磨机故障的易发零件。根据大量案例可知，齿轮常见故障原因，主要是由于偏载或疲劳裂纹扩展造成的轮齿损伤。总结鞍钢集团矿业公司球磨机齿轮故障诊断方法，就检测球磨机齿轮不同工作状态提出合理建议和维修计划，为设备的故障预警和诊断提供支持。

图1 小齿轮轴承振动监测

图2 齿轮早期故障

图3 一年内垂直方向振动趋势

TH132.41

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〔编辑 吴建卿〕