碟式分離機主要故障的分析
技術(shù)支持
1 引言
碟式分離機是一種多功能、高效率的薄層分離機械，普遍應(yīng)用于橡膠、制藥、食品等行業(yè)。同其他分離機械相比，碟式分離機械在結(jié)構(gòu)上有其獨特之處，主要表現(xiàn)為：
（1）轉(zhuǎn)鼓由一百多個零件組成，各個零部件之間有精確的相對位置。
（2）立軸由兩個滾動軸承支撐，其中上軸承安置在由6根徑向彈簧組成的彈性支承上。
（3）立軸系統(tǒng)由1對螺旋齒輪驅(qū)動，該對螺旋齒輪用于增速傳動。
因而碟式分離機具有同其他機械不同的故障形式，采用通常的方法不能有效地監(jiān)測和診斷，有必要對碟式分離機的主要故障進行詳細的分析。
2 彈簧失效
立軸的彈性支承由軸向彈簧和徑向彈簧組成，軸向彈簧主要是用來緩沖安裝轉(zhuǎn)鼓時造成的沖擊，一般不易失效。徑向彈簧直接影響到立軸系統(tǒng)的動力特性，主要作用之一是降低立軸系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，使碟式分離機的工作轉(zhuǎn)速位于立軸系統(tǒng)的第一階和第二階臨界轉(zhuǎn)速之間。第二個作用是緩沖和減振，減少由立軸系統(tǒng)傳到機座上的振動。
徑向彈簧長期處于較大的交變應(yīng)力的作用下，如果應(yīng)力超過了彈簧材料的疲勞極限，就會出現(xiàn)疲勞裂紋，彈簧的剛度就會下降，進而會發(fā)生彈簧的斷裂。正常情況下，6根徑向彈簧的剛度基本相等，彈性支承在各個方向上的當(dāng)量剛度也基本相等，如果發(fā)生某根彈簧的剛度下降甚至是斷裂，就會造成各個方向上當(dāng)量剛度的不一致。這樣不但會降低緩沖減振效果，而且會增大其余彈簧的負荷，使振動加劇，后果不堪設(shè)想。在各個方向上支承剛度的不同，就會導(dǎo)致振動幅值的不同，在當(dāng)量剛度下降的方向上，轉(zhuǎn)鼓的振動幅值增大，而在機座上該方向的振動幅值卻下降，可以根據(jù)這一特性有效地診斷出彈簧的失效。
另一種診斷彈簧失效的方法是：用2只電渦流式位移傳感器分別測出2個相互垂直的方向上的振動位移，再用計算機處理并繪制出轉(zhuǎn)鼓的軸心軌跡，正常情況下軸心軌跡是近似的圓，發(fā)生彈簧裂紋或斷裂后，軸心軌跡會變成明顯的橢圓。
然而，在工作情況下，碟式分離機的轉(zhuǎn)鼓被機殼罩住，要安裝電渦流式位移傳感器就必須拆去機罩，這樣既不方便又影響正常的生產(chǎn)，可以采取以下方法加以解決：用2只加速度傳感器分別測量垂直方向上的振動加速度，再經(jīng)過窄帶濾波，通帶的中心頻率等于轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)頻率，帶寬盡可能的窄，以便消除其他振動的干擾，對得到的信號再進行兩次積分，便可以得到只與轉(zhuǎn)鼓的選擇頻率相關(guān)的振動位移信號，同樣可以用計算機繪制出轉(zhuǎn)鼓的軸心軌跡。
3 轉(zhuǎn)鼓不平衡
碟式分離機的轉(zhuǎn)速很高，一般在7000r/min左右，而且轉(zhuǎn)鼓的尺寸大、重量大，很小的偏心就會引起較大的振動，過大的振動可能造成以下不良后果：一是增加軸承的動載荷；二是影響螺旋齒輪的嚙合，增加了齒與齒之間載荷的不均勻性，同時也加大了齒輪承受的動載荷，縮短了齒輪的使用壽命；三是轉(zhuǎn)鼓碰到機殼或進、排液管。因此，轉(zhuǎn)鼓不平衡是碟式分離機常見而且后果嚴重的故障。轉(zhuǎn)鼓的不平衡主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)頻率成分的幅值增大。根據(jù)不同的發(fā)生原因，轉(zhuǎn)鼓不平衡故障可分為以下兩類：
（1）轉(zhuǎn)鼓在使用過程中產(chǎn)生的永久變形。
轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)鼓的各個部分處于強的離心力場的作用下，工作較長一段時間（5～6年）后，轉(zhuǎn)鼓會產(chǎn)生一定的永久變形，而且鎖緊大螺母在擰緊過程中，用力不當(dāng)，也可能造成永久變形，這種變形破壞了原有的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了新的不平衡。另外，物料同轉(zhuǎn)鼓長期直接接觸，會腐蝕轉(zhuǎn)鼓，也會造成不平衡。在不太嚴重的情況下，可以用現(xiàn)場動平衡的辦法加以校正。因為這種方法不但簡便、效果優(yōu)良，而且耗時少，對生產(chǎn)的影響也小。
（2）碟片松動。
正常情況下，轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)安裝有一百多片碟片，碟片、轉(zhuǎn)鼓蓋、鎖緊大螺母之間的相對位置是靠準(zhǔn)確的相對安裝定位尺寸和轉(zhuǎn)鼓蓋的壓緊力來保證的，各個零部件的不平衡量合成為一個總的不平衡量，在機器出廠前已經(jīng)校正。
轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時，碟片處于離心力場的作用下，如果碟片組件的質(zhì)心偏移產(chǎn)生的離心力不能克服靜摩擦力時，碟片同轉(zhuǎn)鼓體相對靜止。如果碟片間的壓力不足，轉(zhuǎn)速達到一定時，離心力就會大于碟片間的靜摩擦力，碟片就會沿徑向產(chǎn)生移動，從而產(chǎn)生新的不平衡。從以上的分析可見，由碟片松動造成的不平衡量是一個不穩(wěn)定量，因此不能用通常的動平衡方法加以消除。
以前診斷碟片松動的方法主要是通過升速和降速時的幅頻曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到4000r/min時，振幅由18μm突跳到40μm，而轉(zhuǎn)速降到4000r/min時，振幅卻沒有突降。經(jīng)分析可知，升速曲線上4000r/min時振幅的突跳不是由共振引起的，而是由碟片松動錯位引起的，降速時要使錯位的碟片復(fù)位，只能靠轉(zhuǎn)鼓的變形的減少來實現(xiàn)，而轉(zhuǎn)鼓的變形隨轉(zhuǎn)速的降低逐漸減小，因此降速曲線上沒有振幅的突降，升、降速曲線畫到一起時就形成了一個封閉的區(qū)域。該方法對壓得比較緊時的松動現(xiàn)象相當(dāng)有效，對于比較松的情況，就必須結(jié)合相頻曲線才能達到滿意的結(jié)果。
4 軸承的失效
大多數(shù)碟式分離機采用滾動軸承來支承橫軸和立軸系統(tǒng)。在正常的使用條件下，滾動軸承主要有以下失效形式：
（1）點蝕
由于碟式分離機采用了螺旋齒輪傳動，所以支撐立軸和橫軸的滾動軸承不但要承受徑向載荷，而且要承受較大的軸向載荷，滾動軸承的內(nèi)圈、外圈和滾動體等元件處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，這種應(yīng)力可以看作是脈動循環(huán)交變應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過疲勞極限時，在經(jīng)過若干次的循環(huán)以后，元件的表面一定深度處產(chǎn)生裂紋，繼而擴展到接觸表面，便形成了點蝕，從而引起劇烈的振動和噪聲。
（2）永久變形
對于碟式分離機來說，轉(zhuǎn)鼓尺寸較大，不平衡是經(jīng)常出現(xiàn)的故障，由于轉(zhuǎn)速較高，不平衡所引起的沖擊載荷是相當(dāng)大的，一旦軸承元件上的應(yīng)力超過了材料的屈服極限，就會造成永久變形。永久變形所引起的振動同點蝕引起的振動的表現(xiàn)形式非常相似，只是永久變形產(chǎn)生的沖擊的脈沖寬度要寬一些。
在使用維護和保養(yǎng)不當(dāng)或密封潤滑不良時，滾動軸承也會出現(xiàn)磨損、膠合、內(nèi)外圈和保持架的破裂等不正常的失效形式。
5 螺旋齒輪的失效
同其它大多數(shù)的機器一樣，齒輪失效也是碟式分離機的主要故障之一，和其它機器相比，碟式分離機的齒輪傳動有獨特之處。首先，它的橫軸和立軸相互垂直，采用了一對螺旋齒輪傳動，主、從動齒輪沿齒槽方向有高速滑動。其次，一般機器的工作轉(zhuǎn)速低于原動機的轉(zhuǎn)速，因而，齒輪主要是用來減速的，而碟式分離機卻恰恰相反，它的工作轉(zhuǎn)速很高，因此，這對螺旋齒輪就被用作增速傳動，這就決定了它的失效形式主要有以下幾種：
（1）膠合
齒輪件的高速滑動會產(chǎn)生大量的熱量，對于碟式分離機來說，由于采用了閉式齒輪傳動，不利于散熱，這就使齒輪和潤滑油的溫度升高，潤滑油的粘度下降，降低了齒面間油膜的承載能力，溫度高到一定程度時，油膜受到破壞，齒面間直接接觸，雖然青銅有較強的抗膠合能力，但在溫度高、齒面間壓力大的情況下，也會發(fā)生膠合，繼續(xù)轉(zhuǎn)動就會撕破嚙合面，降低嚙合精度，產(chǎn)生大量的振動和噪聲。提高齒輪的加工精度，降低齒面的粗糙度，采用含有抗膠合添加劑的潤滑油可以減少膠合的發(fā)生。
（2）磨損
齒面的粗糙度較大，油溫較高或者潤滑油被水等所污染時，齒面間的油膜不足以將兩齒面分離開，齒輪轉(zhuǎn)動時就會出現(xiàn)磨損。另外，對于新機器來說，跑合期結(jié)束后，應(yīng)更換潤滑油，否則潤滑油中的金屬顆粒，會對齒面造成磨粒磨損。
（3）塑性變形
大螺旋齒輪的齒圈大多用青銅制造，因而表面硬度較低，如果存在轉(zhuǎn)鼓不平衡，齒輪偏心或精度不高，碟式分離機工作時將產(chǎn)生較大的振動，從而增加了齒面間的動載荷，很容易造成齒面的接觸應(yīng)力超過齒輪材料的屈服極限，引起齒面塑性變形，降低了齒輪的嚙合精度，產(chǎn)生較大的振動和噪聲。
（4）點蝕
構(gòu)成螺旋齒輪副的齒面是點接觸，雖然傳遞的動力并不太大，但齒面間的接觸應(yīng)力仍然是很大的，齒輪旋轉(zhuǎn)過程中，齒面受脈動循環(huán)交變應(yīng)力作用，接觸應(yīng)力超過材料的疲勞極限時，就會出現(xiàn)點蝕。由于青銅疲勞極限低于鋼的疲勞極限，因此，往往大螺旋齒輪首先出現(xiàn)點蝕。
在監(jiān)測齒輪振動時，傳感器不可安裝在齒輪上面，只能安裝在機座上。而齒輪的振動是通過齒輪、軸、軸承這一途徑傳播到機座上的，因此，測到的振動信號就不只是齒輪振動所產(chǎn)生的信號，而是由齒輪、軸、軸承的振動信號以及一定量的噪聲的混合信號。要想從這個混合信號中取出齒輪或軸承的振動信號，必須根據(jù)齒輪或軸承的固有特性，再采用解調(diào)等手段加以處理。
6 結(jié)語
本文系統(tǒng)地闡述了碟式分離機的主要故障，給以后的狀態(tài)監(jiān)測和診斷工作打下了一個良好的基礎(chǔ)。每一種故障都有其表現(xiàn)形式，為了能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測和識別碟式分離機的工作狀態(tài)，首先要從現(xiàn)場測得振動或噪聲信號，并對這些信號加以處理，在時域、頻域或時頻域中提取出每種故障的特征信息，就可以采用有關(guān)的理論加以識別。
