王利霞，韓利兵，張 瑞

(邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司氣體廠，河北邯鄲 056015）

1 概況

邯鋼氣體廠EIZ100 型空壓機(jī)是空分設(shè)備配套的關(guān)鍵設(shè)備。機(jī)組布置形式為：電機(jī)+齒輪箱+壓縮機(jī)，設(shè)備軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)示意圖(A、B為測(cè)點(diǎn))

空壓機(jī)排氣流量186 000 m3/h,電機(jī)功率為17 000 kW，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，齒輪箱速比為3.718，低速軸齒數(shù)為145，高速軸齒數(shù)為39。壓縮機(jī)為水平剖分結(jié)構(gòu)，帶內(nèi)置冷卻器，四級(jí)壓縮。空壓機(jī)安裝、試車各參數(shù)正常。

空氣壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行半年后，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)齒輪箱噪音明顯增大，齒輪箱有異響，其他參數(shù)未見異常（參見表1、表2）。

表1 EIZ100空壓機(jī)高速軸、低速軸振動(dòng)參數(shù) 單位：μm

表2 EIZ100空壓機(jī)高速軸、低速軸軸承溫度參數(shù) 單位：℃

2 故障分析

2.1 造成齒輪箱異響的原因及分析

造成齒輪箱異響可能原因有：不良的聯(lián)軸器對(duì)中、潤(rùn)滑油臟污、潤(rùn)滑不足、齒輪嚙合情況不佳、齒輪設(shè)計(jì)、制造中的缺陷、齒輪承受過(guò)高負(fù)荷等等。[1]

針對(duì)上述可能造成齒輪箱異響的原因，首先對(duì)EIZ100 空壓機(jī)齒輪箱的軸振動(dòng)和軸承溫度主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析，其高速軸、低速軸振幅波動(dòng)不大，振動(dòng)值在規(guī)范要求內(nèi)，軸承溫度也在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；其次對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油進(jìn)行了理化分析和油系統(tǒng)檢查，潤(rùn)滑油各項(xiàng)指標(biāo)也在可控范圍內(nèi)；然后對(duì)空壓機(jī)工作負(fù)荷進(jìn)行了對(duì)比，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，沒有超負(fù)荷現(xiàn)象。

由此基本排除不良的聯(lián)軸器對(duì)中、潤(rùn)滑油臟污、潤(rùn)滑不足的影響、齒輪承受過(guò)高負(fù)荷等故障原因。分析齒輪箱異響可能原因重點(diǎn)集中在齒輪嚙合情況不佳和齒輪設(shè)計(jì)、制造中存在的缺陷上。

2.2 齒輪常見的磨損或破壞的形式

2.2.1 刮痕破壞

主要是齒面發(fā)生金屬間直接接觸溫度高造成局部熔接現(xiàn)象，造成齒面金屬被撕扯的痕跡。原因往往是潤(rùn)滑不良或者承受過(guò)高的載荷。

2.2.2 表面疲勞破壞

齒輪表面承受的應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度造成的材料疲勞破壞，此種破壞的特征是有金屬脫落及形成凹孔的情況產(chǎn)生。

2.2.3 初期性孔蝕

初期性孔蝕是屬于表面疲勞現(xiàn)象的一種，一般發(fā)生在運(yùn)轉(zhuǎn)初期，并繼續(xù)發(fā)生直到齒面局部高應(yīng)力區(qū)域逐漸減少，而使得有足夠的接觸面積承受載荷，孔蝕損壞不會(huì)持續(xù)成長(zhǎng)。這種孔蝕一般不需要擔(dān)心，因?yàn)樗勺孕懈纳贫也粫?huì)擴(kuò)張惡化。

2.2.4 破壞性孔蝕

破壞性孔蝕通常在齒輪節(jié)圓下方形成，并持續(xù)性地增加凹孔的大小，其損傷的情況會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散，損傷的情況會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)齒面，破壞整個(gè)齒形，最后齒面碎片剝落。

2.2.5 疲勞斷裂

疲勞斷裂是最常見的斷裂破壞。主要是齒輪在承受持續(xù)性彎曲應(yīng)力下超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度極限所造成的疲勞破壞。造成的原因可能是設(shè)計(jì)、制造、過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、軸對(duì)中不良等原因造成。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證異響的部位和故障分類，通過(guò)頻譜分析對(duì)故障進(jìn)一步進(jìn)行分析和判斷。

2.3 頻譜分析

齒輪的故障信號(hào)是一種復(fù)雜的隨機(jī)振動(dòng)，往往是周期嚙合振動(dòng)、調(diào)幅、調(diào)頻及附加脈沖的綜合表現(xiàn)。[2]

現(xiàn)場(chǎng)采集該空壓機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)它進(jìn)行頻譜分析。通過(guò)前后三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖2。

圖2 G1H時(shí)域波形圖對(duì)比

從圖2 所測(cè)G1H 時(shí)域波形以看出，前后兩次頻譜齒輪有非常明顯的沖擊變化。沖擊值有較大幅度的提高。沖擊間隔為40.04 ms，對(duì)應(yīng)頻率24.97 5Hz；約等于齒輪箱低速軸轉(zhuǎn)頻，顯示低速軸有缺陷。

從圖3 G4V時(shí)域波形圖對(duì)比可以看出前后兩個(gè)圖譜上沖擊值有較大的升高。

圖3 G4V時(shí)域波形圖對(duì)比

從圖4 G4V 頻譜圖對(duì)比可以看出，振幅值較也有較大的提高。初步判斷分析齒輪嚴(yán)重的磨損或者損壞，尤其齒輪箱低速軸。

圖4 G4V頻譜圖對(duì)比

頻譜分析結(jié)果：頻譜分析時(shí)域表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動(dòng)，沖擊頻率等于有斷齒軸的轉(zhuǎn)頻；而頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)間隔為斷齒軸轉(zhuǎn)頻的邊頻帶；邊頻帶數(shù)量多、幅值大、分布寬。伴隨著振動(dòng)能量（包括有效值和峭度指標(biāo)）有較大幅度的增加，沖擊頻率等于有斷齒軸的轉(zhuǎn)頻。

根據(jù)上述分析和判斷低速軸齒輪存在嚴(yán)重缺陷，有斷齒可能，機(jī)組必須停車處理。

3 驗(yàn)證分析

空壓機(jī)停機(jī)，對(duì)齒輪箱解體檢查，發(fā)現(xiàn)齒輪箱低速軸（大齒輪）齒面大面積剝落。檢查過(guò)程中出現(xiàn)齒面剝落，共有9 個(gè)齒磨損嚴(yán)重；第10 齒、11 齒嚙合面處有裂紋。齒輪損壞情況見圖5。

圖5 EIZ100空壓機(jī)低速軸（大齒輪）齒面損壞情況

判斷齒輪箱異響是部分齒輪輪齒存在破壞性孔蝕缺陷，運(yùn)行中齒面金屬剝落損壞造成的。

對(duì)齒輪箱整體進(jìn)行參數(shù)復(fù)查：軸承部分檢查支撐軸承及止推軸承完好，軸承合金無(wú)裂紋、擦痕和合金剝落，軸瓦間隙及過(guò)盈量都符合技術(shù)要求；大小齒輪的中心距、水平度、交叉度等參數(shù)正常；對(duì)未損壞齒檢查嚙合情況正常；齒輪箱與壓縮機(jī)、電機(jī)聯(lián)軸器同心度復(fù)查正常；齒輪供油系統(tǒng)檢查正常，油化驗(yàn)指標(biāo)合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此次齒輪箱異響故障的診斷與分析，在齒輪輪齒表面損壞，存在缺陷情況下，轉(zhuǎn)子的軸振、軸承的溫度并沒有明顯變化；頻譜分析時(shí)域的沖擊頻率、頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)間隔的邊頻帶，以及振動(dòng)能量（包括有效值和峭度指標(biāo)）對(duì)齒輪斷齒故障的判斷具有良好的指導(dǎo)意義。