口万年红
摘要某空压机组的噪声突然增大，在对设备进行了精密诊断和连续跟踪之后，找出故障所在，要求尽快停机处理，避免了设备的继续劣化及恶性事故的发生。文中对涡流传感器为什么对断齿故障不敏感进行了探讨。并建议齿轮故障可用加速度传感器和电流监测的方法，提高监测效果。
一、概述
近年来，宝钢的设备诊断工作已取得了长足的进步，面向重大设备周期检测的“受控点”工作，保证了重大设备的安全运行，积累了大量历史数据，并很好地融人了宝钢设备管理体系。诊断专业人员已成为维护设备正常运行的不可缺少的力量。本文通过对某空压机组的状态跟踪和齿轮装置断齿故障的诊断过程，说明了设备诊断在利用科学手段及时发现故障、防止恶性事故的发生、保证连续设备的安全运行方面所起的重要作用。
齿轮装置是宝钢现场极其重要且广泛使用的设备，运行中与其状态有关的特征有振动、温度、噪声、润滑油中的磨粒和形态、转矩、扭振、齿根应力分布等，每个量都从各自不同的角度反映运行的状态，但由于现场条件和测试手段所限，有些特征的提取和分析不易实现，有些特征反映的情况不敏感。相对来讲，齿轮装置的振动是目前公认的较好的特征提取量，具有测试方便、反映迅速、信息量全面、方法较成熟的特点。
齿轮装置通过啮合传递力，这个过程会引起冲击、摩擦从而产生振动。此外齿轮运动中的轴心偏移、质量不平衡、磨损、轴承缺陷等问题都会导致振动的产生。在这个复杂的振动系统中，影响振动及其变化的主要因素是齿轮刚度和传动误差，当齿轮运行状态恶化时，直接反映在齿轮传动误差上；齿轮刚度的瞬时变动，导致冲击的产生，所有这些都使齿轮的动载荷加大，振动也相应加大。这些就是振动诊断的基本依据。
二、问题的出现和初步诊断
某空压机组主要包括电动机、齿轮增速机和压缩机三个部分，机组结构简图及测点示意图如图1所示。空压机的主要设备参数：同步电机转速1500r/min，压缩机转速4186r/min，齿轮箱齿数120/43、速比2.79，叶片数：1级22，2级16，3级16，4级16。
2001年6月下旬，检测公司对该空压机组进行了例行的周期测试，其设备状态正常。7月11日设备噪声升高，类似高频啸叫而并非撞击声，难以分辨原因，在线监测系统显示振动数据和温度完全正常。当时，对设备进行了振动测试和分析，发现设备的振动速度值与过去相比变化不大，但齿轮增速机的加速度值有明显增大（表1）。图2和图3分别是测点③垂直方向的速度谱和加速度谱。从低频看，无论低速轴还是高速轴，振动速度谱均类似，振动的主要成分均为高速轴的转频（图2）；而从高频看，可明显看到高速轴转频间隔的冲击（图3）。由于压缩机测点振动值变化不大，且噪声主要出自增速机，首先断定问题出在增速机，而压缩机部分状态正常。出现以高速轴转频为间隔的冲击，可能的原因主要有两大方面，一是与高速轴相关的部件缺陷，包括齿轮、轴承等等，二是由于安装质量、现场条件的变化或运行条件不理想而间接造成的齿轮啮合不平衡。根据机组运行的实际情况，可排除齿轮制造和安装误差。通过现场地脚测试和信号分析，也排除了基础沉降、对中不良等原因引起的齿轮轴不平行或一侧啮合等问题。由此，怀疑聚焦在与高速轴相关的部件上。
三、进一步跟踪分析
为了进一步分析设备状态，对设备的在线涡流传感器信号进行了记录和分析。涡流传感器反映转子的位移变化，通常对旋转设备内部的大多数机械故障较为敏感。在线传感器安装在高速轴上，其振动位移值非常小（表2），且自设备噪声增大以来，幅值几乎没有变化。图4是涡流传感器信号频谱，所有测点的信号相似，均以高速轴的转频70Hz为主，谐波与高频成分很少，从信号上看不出瓦隙不好或碰摩的特征。因此，从数值和特征上来说，产生高速轴转频为间隔的振动的原因，基本上可以排除轴瓦的因素，怀疑的焦点向齿轮方面靠近。基于一段时间的跟踪分析，检测公司在故障分析会上提出增速机极有可能存在齿轮故障，建议安排停机检查，同时调整了跟踪测试周期。
常见的齿轮故障形式有齿面磨损、表面剥落、裂纹、偏心、一侧啮合、断齿等等。由于本次故障征兆出现的比较突然，就故障本身而言，不属于设备（或部件）状态逐渐劣化的范畴，用趋势分析的方法难以判断，逻辑分析和机理分析显得更为重要，设备能否坚持到原定停机检查时间，都需要有足够的依据。
在日后的跟踪测试中，又对空压机进行了全面测试，增加了测点④和⑥，再次记录了在线传感器信号和外部信号。此次测试发现，外部信号的振动值又有增大趋势，信号分析也表明，冲击特征、齿轮的啮合频率及其二倍频更趋明显。经过信号的细化分析（图5），可以看到6000Hz（啮合频率两倍频）两边存在高速轴的转频边带，可进一步说明高速轴齿轮存在故障的可能性较大。但另一方面，在线涡流传感器的信号依然正常，没有变化。经过一段时间的跟踪监测和分析，基本可以断定：齿轮出现故障。但故障的性质决定后续的处理方式，如发生断齿，停产的可能性较大，后续的处理将更为紧急；而其他的齿轮缺陷，还有继续生产的可能。由于故障征兆出现突然，且在此之后进行的润滑油分析中，未发现有关的金属磨粒超标，加之啮合频率倍频的出现，种种迹象表明设备不宜继续工作。根据检测公司的建议，设备的停机检查日期提前。同时进行一天两次的跟踪测试，以确保停机前不发生重大恶性事故。图6是设备停机揭盖后高速轴齿轮的情况，与诊断结果完全吻合。
四、深入讨论
由图6可见，增速机齿轮损坏的情况是严重的，针对在线监测的涡流传感器为什么没有反应，进行了进一步思考和探讨。首先否定了因传感器的频响不够宽而测不出啮合频率等故障特征的看法。涡流传感器的频响可达8kHz左右，该频带完全可以包括齿轮故障的特征频率。自设备状态恶化以来，以测点⑤的垂直方向为例，外部信号的振动速度平均值从0.6mm/s上升到4.0mm/s左右，它的主要成分是高速轴的转频70Hz，这个频率绝对在涡流传感器所能反映的频带范围内。其次，否定了对传感器标定的怀疑。该增速机高速轴测点的位移报警值是80μm，跳车值是118μm，远离目前振动的显示值7~14μm，看似值得怀疑，事后通过查阅资料，并通过了解其他齿轮箱上的涡流传感器读数，发现一般齿轮箱上的读数的确远远小于其他部位的读数，这是因为在齿轮箱部位，轴不仅依靠油膜支撑，还依靠齿面支撑，因此刚度远远大于其他部位，这是由齿轮装置的特点决定的。而在其他部位（如压缩机轴瓦部位），轴仅仅靠油膜支撑，相对刚度要小得多，轴振动就相对大。由以上分析可知，在线涡流传感器的读数应该是真实的。
既然如此，为何在线监测轴振动的涡流传感器值没有变化？何况齿轮的故障特征是由轴传递给增速机壳体的。经过深入思考后笔者认为，齿轮的确通过轴把振动传给增速机，但能量是以加速度的形式传递的，而加速度与位移间有一个ω2的关系，在加速度能量一定的情况下，位移量是有限的。换句话说，由于齿轮的转速较高，使故障引发的振动在位移形式上的确是不大的，而主要以加速度的形式传递，这就是通常所说的高频振动限制了位移量，或者说，对高频振动而言，位移是不敏感的。问题可以归结到振动的三种形式或三个参量。从物理上讲，位移反映质点工作位置的程度，可监测位能对设备的破坏；速度反映质点运动的快慢，可监测动能对设备的破坏；而加速度是质点受力情况的反映，可监测冲击力对设备的破坏。因此三个参量反映不同的失效原因，反映不同的部件故障。虽然数学上三个量是可以转换的，但在实际测试中却不能任意选取。
另外还注意到，这些日子电机的振动值也在增大。尤其是电机自由端的轴向振动速度值，由正常时的0.9mm/s升高到接近3.0mm/s，其主要频率成分也是高速轴的转频。说明电机也受到了影响。事实上，电机是压缩机系统的原动机，系统获得能量的唯一途径，就是电机通过轴系传递转矩。当齿轮出现断齿后，转矩是不平稳的，对电机而言，负载就出现了波动，这种波动会反映在电机的电流或功率信号中。经了解，电流分析法在近期的齿轮箱诊断案例中已有成功应用。
五、结束语
通过此案例，笔者对增速机的故障诊断有两点建议：(1)在增速机外部安装在线加速度传感器。原在线涡流传感器对监测增速机的轴瓦、轴系的故障是有意义的，而对齿轮的故障是不够敏感的。(2)在怀疑发生齿轮故障时，可通过测试和分析电机电流作为辅助方法。在齿轮发生故障时，齿廓受到损伤，轮齿刚度的瞬时变化使运转的不平稳性受到影响，导致转矩的不平稳。因此，在某些情况下，在电流中寻找齿轮特征比在振动中寻找更为有效，减少了传递途径的影响。我们也将在此方面做进一步的尝试。
通过这次对空压机组的跟踪与诊断，还可以从中感悟到以下几点：(1)选择合适的监测参数是正确诊断的前提。(2)设备的个性差异是较大的。由于设备在制造、安装、工况和维护上的差异，使设备的故障征兆各不相同。如本案例中增速机断齿发出的噪声就与常规情况很不相同。(3)对设备状态的正确把握，除依靠当前信号的正确测试和分析外，最好要有监测信号的积累。对于设备特征或现象的突变，不会无缘无故，总有其内在的原因。若没有历史信息的积累，则难以把握状态劣化的程度。这次诊断的空压机正好是周期监测的受控设备，有较详细的数据和信号特征历史记录，为准确把握设备状态提供了帮助。(4)不能过分依赖设备的在线监测传感器。如前所述，对于高速运转的齿轮部件，其振动的主要表现形式不是位移，因此用涡流传感器反映其故障是不敏感的，说明进口设备在传感器的配备方面，也有不尽合理或不全面之处。如果本案例中死守传感器的报警值，就不会发现断齿故障，后果将难以想象。
参考文献
1刘仲川，张志伟，陈宝佳．齿轮故障诊断润滑油在线监测．西安交通大学出版社，1992年6月
2韩捷，张瑞林．旋转机械故障机理及诊断技术．机械工业出版社，1997年8月
3StevenM.Schultheis.Evaluationofrotorvibrationingearboxes.ORBITDecember1997,Vol.18No.4