齿轮箱异响故障诊断与排除方法的研究

2020-07-07梁东炜陈云伟周顺新蒋传杰

机械管理开发 2020年5期

关键词：齿面异响齿轮箱

乔侽，梁东炜，陈云伟，张帝，周顺新，蒋传杰

（沈阳鼓风机集团股份有限公司透平工艺部，辽宁沈阳 110869）

引言

齿轮箱作为一种传递扭矩的变速机构，被广泛应用于机械设备的动力传动系统。齿轮箱工作异常会影响整个机械系统的顺利运行。本文以某案例为研究背景，主要介绍齿轮箱异响问题的诊断与处理方法。

1 齿轮箱异响案例

1.1 机组概况

某厂异构脱蜡装置循环氢压缩机由变频电机驱动，其中压缩机型号为BCL407，额定转速为117 00 r/min，入口压力为 2.21 MPa（G），出口压力为 4.64 MPa（G），转子一阶临界转速为 5 696 r/min，轴振动报警门限为63.5 μm，轴振动联锁停机值为89 μm。齿轮箱由高、低速齿轮组成，其中低速齿轮齿数为39齿，高速齿轮齿数为157齿，高速齿轮振动报警值为50.8 μm，联锁停机值为75.8 μm。齿轮箱高速轴两端轴承处各有2个测振点，机组总貌图如图1所示。

1.2 故障现象

机组完成空负荷试车后处于停机状态，半年后正式带负荷运转，在机组投负荷过程中，现场人员发现机组在运行过程中存在异响，并确定异响来自于齿轮箱内部。通过查看DCS系统上各设备的振福，压缩机各通道振幅最大仅约12 μm，齿轮箱振幅最大约21 μm，经确认，幅值均未超过设计标准要求。但因设备存在异常响声，由于在线监测系统具有故障诊断分析功能，因此安装SG8000在线监测系统，对机组问题进行定位和分析。

图1 机组总貌图

1.3 原因分析

SG8000在线监测系统对压缩机及齿轮箱轴振数据进行实时采集。从振动趋势图上看，压缩机、齿轮箱各通道轴振动数值较低，查看各振动通道的波形频谱图，发现齿轮箱四个通道内的频率分布存在明显的分数谐波，即0.5X，1.5X，2.5X等频率成分，且各成分幅值占比均比较高，此为明显的异常振动频率。而压缩机各通道频率分布相对比较正常，虽有少许低频但幅值不高，分析可能是由齿轮箱传递而来，如图2、图3所示。

图2 齿轮箱高速轴频谱图

图3 压缩机频谱图

经图2可判断齿轮箱频率成分分布异常，但设备总体的轴振值不高，现场人员利用手持测振仪测量设备的壳振情况。现场测量后压缩机两端轴承座振动保持在1.5 mm/s以下，变速箱低速轴水平方向振动在2.1～3.0 mm/s左右，垂直方向振动在1.2～2.1 mm/s，轴向振动在3.5～5.5 mm/s，由此可判断齿轮箱的壳振值超差且存在波动。因此可以断定，齿轮箱存在设备问题导致机组运行时出现了异常响声。

结合从在线监测系统上获得的频率分布，初步分析齿轮箱内部存在动静件全周摩擦现象。结合设备结构特点，推测摩擦可能在转子和轴封处，具体位置如图4所示。

图4 推测齿轮箱摩擦位置（单位：mm）

持续观察48 h后，机组异常响声和频谱图中的分数谐波成分仍然存在，该齿轮箱轴端密封采用的是普通的铝制密封，若是齿轮轴与密封摩擦，当间隙适当后，一般摩擦现象会自行消失，因此可以排除密封摩擦。

查看齿轮箱各通道的波形图，如图5所示，波形上存在较为明显的周期性的冲击现象，并且重复性很强。通过48 h的观察，发现当转速/负荷提高时，冲击的波峰明显有上涨的趋势，对应的振动幅值也有小幅增加。再结合所测得的壳振值后，怀疑问题源于齿轮啮合自激振动。

图5 检修前的齿轮箱高速轴波形图

经分析，导致齿轮啮合不良的原因包括：齿轮齿面存在损伤缺陷、异物粘接或者齿轮存在轴向串动，导致啮合时产生冲击现象。在之前空载试车完成后，曾对齿轮齿面进行过拆检，没有发现有损伤、断齿等现象，机组带负荷运行之初，在发现异响之后也从观察孔对齿面进行过检查，未发现断齿的情况，再次启机运行时间较短，因此疲劳断裂的可能性比较小；在之前检查的时候，齿面上也没有发现异物粘接的现象，但重新运行以后，箱体里存在的铁屑或者其他杂质还是有可能附着在齿面上，形成局部高点，导致啮合冲击，以往遇到过类似现象都是以1倍频和啮合频率为主；再结合现场所测的壳振值，始终是轴向振动比较大，判断可能为齿轮轴向间隙较大，致使齿轮轴向存在串动，导致齿轮啮合不良，产生冲击现象。高速齿轮两推力盘间隙为0.2～0.3 mm，如图6所示，停机后需重点检查该尺寸值。