1 引言

碟式分離機是一種多功能、高效率的薄層分離機械，普遍應用于橡膠、制藥、食品等行業。同其他分離機械相比，碟式分離機械在結構上有其獨特之處，主要表現為：

（1）轉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）立軸系統由1對螺旋齒輪驅動，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的動力特性，主要作用之一是降低立軸系統的臨界轉速，使碟式分離機的工作轉速位于立軸系統的第一階和第二階臨界轉速之間。第二個作用是緩沖和減振，減少由立軸系統傳到機座上的振動。

徑向彈簧長期處于較大的交變應力的作用下，如果應力超過了彈簧材料的疲勞極限，就會出現疲勞裂紋，彈簧的剛度就會下降，進而會發生彈簧的斷裂。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量剛度也基本相等，如果發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，后果不堪設想。在各個方向上支承剛度的不同，就會導致振動幅值的不同，在當量剛度下降的方向上，轉鼓的振動幅值增大，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鼓的軸心軌跡，正常情況下軸心軌跡是近似的圓，發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，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，再經過窄帶濾波，通帶的中心頻率等于轉鼓的旋轉頻率，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，便可以得到只與轉鼓的選擇頻率相關的振動位移信號，同樣可以用計算機繪制出轉鼓的軸心軌跡。

3 轉鼓不平衡

碟式分離機的轉速很高，一般在7000r/min左右，而且轉鼓的尺寸大、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；三是轉鼓碰到機殼或進、排液管。因此，轉鼓不平衡是碟式分離機常見而且后果嚴重的故障。轉鼓的不平衡主要表現為轉鼓旋轉頻率成分的幅值增大。根據不同的發生原因，轉鼓不平衡故障可分為以下兩類：

（1）轉鼓在使用過程中產生的永久變形。

轉鼓高速旋轉過程中，轉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，轉鼓會產生一定的永久變形，而且鎖緊大螺母在擰緊過程中，用力不當，也可能造成永久變形，這種變形破壞了原有的平衡狀態，產生了新的不平衡。另外，物料同轉鼓長期直接接觸，會腐蝕轉鼓，也會造成不平衡。在不太嚴重的情況下，可以用現場動平衡的辦法加以校正。因為這種方法不但簡便、效果優良，而且耗時少，對生產的影響也小。

（2）碟片松動。

正常情況下，轉鼓體內安裝有一百多片碟片，碟片、轉鼓蓋、鎖緊大螺母之間的相對位置是靠準確的相對安裝定位尺寸和轉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，在機器出廠前已經校正。

轉鼓旋轉時，碟片處于離心力場的作用下，如果碟片組件的質心偏移產生的離心力不能克服靜摩擦力時，碟片同轉鼓體相對靜止。如果碟片間的壓力不足，轉速達到一定時，離心力就會大于碟片間的靜摩擦力，碟片就會沿徑向產生移動，從而產生新的不平衡。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。當轉速升到4000r/min時，振幅由18μm突跳到40μm，而轉速降到4000r/min時，振幅卻沒有突降。經分析可知，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位，只能靠轉鼓的變形的減少來實現，而轉鼓的變形隨轉速的降低逐漸減小，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域。該方法對壓得比較緊時的松動現象相當有效，對于比較松的情況，就必須結合相頻曲線才能達到滿意的結果。

4 軸承的失效

大多數碟式分離機采用滾動軸承來支承橫軸和立軸系統。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，滾動軸承的內圈、外圈和滾動體等元件處于復雜的應力狀態下，這種應力可以看作是脈動循環交變應力，當應力超過疲勞極限時，在經過若干次的循環以后，元件的表面一定深度處產生裂紋，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，轉鼓尺寸較大，不平衡是經常出現的故障，由于轉速較高，不平衡所引起的沖擊載荷是相當大的，一旦軸承元件上的應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形式非常相似，只是永久變形產生的沖擊的脈沖寬度要寬一些。

在使用維護和保養不當或密封潤滑不良時，滾動軸承也會出現磨損、膠合、內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，一般機器的工作轉速低于原動機的轉速，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，也會發生膠合，繼續轉動就會撕破嚙合面，降低嚙合精度，產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，齒輪轉動時就會出現磨損。另外，對于新機器來說，跑合期結束后，應更換潤滑油，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，如果存在轉鼓不平衡，齒輪偏心或精度不高，碟式分離機工作時將產生較大的振動，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，產生較大的振動和噪聲。

（4）點蝕

構成螺旋齒輪副的齒面是點接觸，雖然傳遞的動力并不太大，但齒面間的接觸應力仍然是很大的，齒輪旋轉過程中，齒面受脈動循環交變應力作用，接觸應力超過材料的疲勞極限時，就會出現點蝕。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點蝕。

在監測齒輪振動時，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，必須根據齒輪或軸承的固有特性，再采用解調等手段加以處理。

6 結語

本文系統地闡述了碟式分離機的主要故障，給以后的狀態監測和診斷工作打下了一個良好的基礎。每一種故障都有其表現形式，為了能夠準確地監測和識別碟式分離機的工作狀態，首先要從現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，就可以采用有關的理論加以識別。