齒輪箱異響故障診斷與排除方法的研究

喬 侽， 梁東煒， 陳云偉， 張 帝， 周順新， 蔣傳杰

（沈陽鼓風機集團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構，被廣泛應用于機械設備的動力傳動系統。齒輪箱工作異常會影響整個機械系統的順利運行。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 機組概況

某廠異構脫蠟裝置循環氫壓縮機由變頻電機驅動，其中壓縮機型號為BCL407，額定轉速為117 00 r/min，入口壓力為 2.21 MPa（G），出口壓力為 4.64 MPa（G），轉子一階臨界轉速為 5 696 r/min，軸振動報警門限為63.5 μm，軸振動聯鎖停機值為89 μm。齒輪箱由高、低速齒輪組成，其中低速齒輪齒數為39齒，高速齒輪齒數為157齒，高速齒輪振動報警值為50.8 μm，聯鎖停機值為75.8 μm。齒輪箱高速軸兩端軸承處各有2個測振點，機組總貌圖如圖1所示。

1.2 故障現象

機組完成空負荷試車后處于停機狀態，半年后正式帶負荷運轉，在機組投負荷過程中，現場人員發現機組在運行過程中存在異響，并確定異響來自于齒輪箱內部。通過查看DCS系統上各設備的振福，壓縮機各通道振幅最大僅約12 μm，齒輪箱振幅最大約21 μm，經確認，幅值均未超過設計標準要求。但因設備存在異常響聲，由于在線監測系統具有故障診斷分析功能，因此安裝SG8000在線監測系統，對機組問題進行定位和分析。

圖1 機組總貌圖

1.3 原因分析

SG8000在線監測系統對壓縮機及齒輪箱軸振數據進行實時采集。從振動趨勢圖上看，壓縮機、齒輪箱各通道軸振動數值較低，查看各振動通道的波形頻譜圖，發現齒輪箱四個通道內的頻率分布存在明顯的分數諧波，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 壓縮機頻譜圖

經圖2可判斷齒輪箱頻率成分分布異常，但設備總體的軸振值不高，現場人員利用手持測振儀測量設備的殼振情況。現場測量后壓縮機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，齒輪箱存在設備問題導致機組運行時出現了異常響聲。

結合從在線監測系統上獲得的頻率分布，初步分析齒輪箱內部存在動靜件全周摩擦現象。結合設備結構特點，推測摩擦可能在轉子和軸封處，具體位置如圖4所示。

圖4 推測齒輪箱摩擦位置（單位：mm）

持續觀察48 h后，機組異常響聲和頻譜圖中的分數諧波成分仍然存在，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，當間隙適當后，一般摩擦現象會自行消失，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象，并且重復性很強。通過48 h的觀察，發現當轉速/負荷提高時，沖擊的波峰明顯有上漲的趨勢，對應的振動幅值也有小幅增加。再結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

經分析，導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，導致嚙合時產生沖擊現象。在之前空載試車完成后，曾對齒輪齒面進行過拆檢，沒有發現有損傷、斷齒等現象，機組帶負荷運行之初，在發現異響之后也從觀察孔對齒面進行過檢查，未發現斷齒的情況，再次啟機運行時間較短，因此疲勞斷裂的可能性比較小；在之前檢查的時候，齒面上也沒有發現異物粘接的現象，但重新運行以后，箱體里存在的鐵屑或者其他雜質還是有可能附著在齒面上，形成局部高點，導致嚙合沖擊，以往遇到過類似現象都是以1倍頻和嚙合頻率為主；再結合現場所測的殼振值，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，導致齒輪嚙合不良，產生沖擊現象。高速齒輪兩推力盤間隙為0.2～0.3 mm，如圖6所示，停機后需重點檢查該尺寸值。

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。但發現高速齒輪盲端推力盤存在明顯松動現象，復測其推力間隙值在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 檢修后運行情況

重新回裝機組后，機組重新啟機運行，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 結論

通過此齒輪箱異響故障的案例分析，利用在線監測系統振動趨勢圖及波形圖分析振動原因，并結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驗依據。

圖9 檢修后的齒輪箱高速軸波形圖