喬 侽， 梁東煒， 陳云偉， 張 帝， 周順新， 蔣傳杰

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司透平工藝部， 遼寧 沈陽 110869）

引言

齒輪箱作為一種傳遞扭矩的變速機(jī)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的動力傳動系統(tǒng)。齒輪箱工作異常會影響整個機(jī)械系統(tǒng)的順利運(yùn)行。本文以某案例為研究背景，主要介紹齒輪箱異響問題的診斷與處理方法。

1 齒輪箱異響案例

1.1 機(jī)組概況

某廠異構(gòu)脫蠟裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)由變頻電機(jī)驅(qū)動，其中壓縮機(jī)型號為BCL407，額定轉(zhuǎn)速為117 00 r/min，入口壓力為 2.21 MPa（G），出口壓力為 4.64 MPa（G），轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為 5 696 r/min，軸振動報警門限為63.5 μm，軸振動聯(lián)鎖停機(jī)值為89 μm。齒輪箱由高、低速齒輪組成，其中低速齒輪齒數(shù)為39齒，高速齒輪齒數(shù)為157齒，高速齒輪振動報警值為50.8 μm，聯(lián)鎖停機(jī)值為75.8 μm。齒輪箱高速軸兩端軸承處各有2個測振點(diǎn)，機(jī)組總貌圖如圖1所示。

1.2 故障現(xiàn)象

機(jī)組完成空負(fù)荷試車后處于停機(jī)狀態(tài)，半年后正式帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，在機(jī)組投負(fù)荷過程中，現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行過程中存在異響，并確定異響來自于齒輪箱內(nèi)部。通過查看DCS系統(tǒng)上各設(shè)備的振福，壓縮機(jī)各通道振幅最大僅約12 μm，齒輪箱振幅最大約21 μm，經(jīng)確認(rèn)，幅值均未超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。但因設(shè)備存在異常響聲，由于在線監(jiān)測系統(tǒng)具有故障診斷分析功能，因此安裝SG8000在線監(jiān)測系統(tǒng)，對機(jī)組問題進(jìn)行定位和分析。

圖1 機(jī)組總貌圖

1.3 原因分析

SG8000在線監(jiān)測系統(tǒng)對壓縮機(jī)及齒輪箱軸振數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集。從振動趨勢圖上看，壓縮機(jī)、齒輪箱各通道軸振動數(shù)值較低，查看各振動通道的波形頻譜圖，發(fā)現(xiàn)齒輪箱四個通道內(nèi)的頻率分布存在明顯的分?jǐn)?shù)諧波，即0.5X，1.5X，2.5X等頻率成分，且各成分幅值占比均比較高，此為明顯的異常振動頻率。而壓縮機(jī)各通道頻率分布相對比較正常，雖有少許低頻但幅值不高，分析可能是由齒輪箱傳遞而來，如圖2、圖3所示。

圖2 齒輪箱高速軸頻譜圖

圖3 壓縮機(jī)頻譜圖

經(jīng)圖2可判斷齒輪箱頻率成分分布異常，但設(shè)備總體的軸振值不高，現(xiàn)場人員利用手持測振儀測量設(shè)備的殼振情況。現(xiàn)場測量后壓縮機(jī)兩端軸承座振動保持在1.5 mm/s以下，變速箱低速軸水平方向振動在2.1～3.0 mm/s左右，垂直方向振動在1.2～2.1 mm/s，軸向振動在3.5～5.5 mm/s，由此可判斷齒輪箱的殼振值超差且存在波動。因此可以斷定，齒輪箱存在設(shè)備問題導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時出現(xiàn)了異常響聲。

結(jié)合從在線監(jiān)測系統(tǒng)上獲得的頻率分布，初步分析齒輪箱內(nèi)部存在動靜件全周摩擦現(xiàn)象。結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推測摩擦可能在轉(zhuǎn)子和軸封處，具體位置如圖4所示。

圖4 推測齒輪箱摩擦位置（單位：mm）

持續(xù)觀察48 h后，機(jī)組異常響聲和頻譜圖中的分?jǐn)?shù)諧波成分仍然存在，該齒輪箱軸端密封采用的是普通的鋁制密封，若是齒輪軸與密封摩擦，當(dāng)間隙適當(dāng)后，一般摩擦現(xiàn)象會自行消失，因此可以排除密封摩擦。

查看齒輪箱各通道的波形圖，如圖5所示，波形上存在較為明顯的周期性的沖擊現(xiàn)象，并且重復(fù)性很強(qiáng)。通過48 h的觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速/負(fù)荷提高時，沖擊的波峰明顯有上漲的趨勢，對應(yīng)的振動幅值也有小幅增加。再結(jié)合所測得的殼振值后，懷疑問題源于齒輪嚙合自激振動。

圖5 檢修前的齒輪箱高速軸波形圖

經(jīng)分析，導(dǎo)致齒輪嚙合不良的原因包括：齒輪齒面存在損傷缺陷、異物粘接或者齒輪存在軸向串動，導(dǎo)致嚙合時產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。在之前空載試車完成后，曾對齒輪齒面進(jìn)行過拆檢，沒有發(fā)現(xiàn)有損傷、斷齒等現(xiàn)象，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行之初，在發(fā)現(xiàn)異響之后也從觀察孔對齒面進(jìn)行過檢查，未發(fā)現(xiàn)斷齒的情況，再次啟機(jī)運(yùn)行時間較短，因此疲勞斷裂的可能性比較?。辉谥皺z查的時候，齒面上也沒有發(fā)現(xiàn)異物粘接的現(xiàn)象，但重新運(yùn)行以后，箱體里存在的鐵屑或者其他雜質(zhì)還是有可能附著在齒面上，形成局部高點(diǎn)，導(dǎo)致嚙合沖擊，以往遇到過類似現(xiàn)象都是以1倍頻和嚙合頻率為主；再結(jié)合現(xiàn)場所測的殼振值，始終是軸向振動比較大，判斷可能為齒輪軸向間隙較大，致使齒輪軸向存在串動，導(dǎo)致齒輪嚙合不良，產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。高速齒輪兩推力盤間隙為0.2～0.3 mm，如圖6所示，停機(jī)后需重點(diǎn)檢查該尺寸值。

圖6 齒輪箱高速軸推力盤位置（單位：mm）

1.4 檢修

齒輪箱拆檢后，齒面較為完好，無斷齒或異物粘接的情況。但發(fā)現(xiàn)高速齒輪盲端推力盤存在明顯松動現(xiàn)象，復(fù)測其推力間隙值在0.5 mm以上，且在低速齒輪端面多處存在明顯磕碰的痕跡。如圖7所示，重新更換高速齒輪盲端推力盤，保證推力間隙符合圖紙要求。

圖7 拆檢后的齒面及低速齒輪端面

1.5 檢修后運(yùn)行情況

重新回裝機(jī)組后，機(jī)組重新啟機(jī)運(yùn)行，齒輪箱異響消失，各通道頻率分布正常。如圖8、下頁圖9所示。

圖8 齒輪箱振動趨勢圖

2 結(jié)論

通過此齒輪箱異響故障的案例分析，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)振動趨勢圖及波形圖分析振動原因，并結(jié)合檢測齒輪箱殼振振幅的方法，確定了軸向竄動異響的原因源于齒輪箱高速軸推力盤松動。為以后機(jī)組存在異響但振幅不超差的問題分析處理提供了新的診斷思路和經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

圖9 檢修后的齒輪箱高速軸波形圖