高速泵齿轮损坏故障分析及处理

崔钟续，何可禹，于 月，刘云秀，张 辉，刘大东，郑东启，刘廷玉

(1. 中化泉州石化有限公司，福建泉州 362103; 2. 广东茂化建有限公司泉州分公司,福建 泉州 362103)

某公司330万t/a渣油加氢装置进口高速注水泵型号为HMP-3512，卧式两级。主动轴上装配大齿轮(直齿)，径向对称布置两个同型号小齿轮，从动轴与小齿轮一体，一级叶轮带诱导轮泵。入口压力0.34 MPa，出口压力18 MPa。介质为除盐水，设计流量51.4 m3/h，转速14 648 r/min，汽蚀余量(NPSHr)9.61 m。该型泵的优点为结构简单、占地小、压力高。

1 故障原因

高速泵正常为一开一备，半年切换一次。2014年开工，运转第二年后发现B泵运转声音较A泵大, 随即组织专业人员对B泵的运行状态进行评估。频谱分析显示，该声音多为低于10 Hz的低频成分，且能量较小。对设备进行解体时发现，齿轮箱油有乳化现象，且齿面存在不同程度的锈蚀(见图1)，而机械密封并未发生泄漏，因此，分析齿轮锈蚀原因为海盐雾腐蚀。

图1 主动齿轮齿面锈蚀

2018年8月5日00：18，泵出口流量突然从51 m3/h降低至48 m3/h，遂将流量控制阀改为手动。5 min之后,泵突然停止。操作人员认为是流量波动造成电机过载保护，随即再次启动，运转5 min后再次停泵。从SIS联锁记录中确认，两次停泵原因均为轴位移一取一联锁。随后启动备用泵。

将B泵进行解体发现，一级高速轴轮齿折断6根(连续)，主动轴齿端有两处折断，且诱导轮折断(见图2)，壳体内部局部磨损，止推瓦也出现磨损。

2 故障分析

通过查询SIS数据，分析流量、振动、位移和电流等关键数据，初步推测故障如下。

SIS中泵故障前后的历史趋势如图3所示。由图3可以看出：泵在8月4日23：53时，一级轴振动增大5 μm和8 μm，二级轴振动增大1.3 μm和2 μm，位移、流量值稳定。这些数据表明：此时一级轴齿轮应该有断齿，导致一级振动大于二级振动。

图3 SIS中泵故障前后历史趋势

0：18，一级轴振动逐渐上升,一级轴位移小幅度变化，此时的电流从28.9 A上升至29.3 A，然后下降至28 A，泵流量下降。这些数据表明：一级齿轮啮合被破坏，崩齿现象进一步扩大。一级轴转速因此受到影响，导致泵性能下降，进而反映在流量和电流的下降上。

如果啮合齿断掉一半，轴将会受到一个轴向的分力，这会导致轴位移变大。0：23，一级轴位移值达到-0.5 mm，联锁停泵，此时并未发现是位移联锁。

一级轴有诱导轮，泵工作时轴向受力方向指向入口，而再次启动后一级轴位移值-0.13 mm，工作位置远离入口，并不是正常工作位置。这些数据说明，此时诱导轮已断裂。在断齿和诱导轮断裂的共同作用下，一段时间后泵位移再次达到联锁值。

3 排除轴承故障频率

下面先从SIS记录的趋势图进行分析，通过轴承频谱分析判断振动是否是由轴承故障导致的。

该泵低速轴轴承型号为6311和6310。根据SKF软件计算的轴承故障特征频率见表1。

表1 SKF软件计算轴承故障特征频率 单位：Hz

高速泵的主动齿轮齿数Z1=193，转速n1=2 960 r/min；从动齿轮齿数Z2=39，转速n2=14 648 r/min。由文献【1】可知：

fc=f1Z1=f2Z2=n1Z1/60=n2Z2/60

(1)

式中：fc——啮合频率,Hz;

f1——主动轮转频,Hz;

从表6可以看出，上海大型赛事的选择与对标城市伦敦、纽约、东京、巴黎和墨尔本有着较高的一致性，其中网球、F1、田径、高尔夫、马拉松是上述城市都比较青睐的赛事项目。此外，对标城市都有举办具有本国特色的赛事项目，如伦敦举办的皮划艇、橄榄球，纽约的印地赛车、篮球，东京的棒球、柔道，巴黎的自行车，墨尔本的板球等都是具有民族特色的赛事品牌。上海的斯诺克赛事虽然属于级别较高的国际性赛事，但尚处于小众的赛事项目，项目特性也与上海城市文化不太紧密。

f2——从动轮转频,Hz。

故

fc=2 960×193/60=14 648×39/60

=9 521.3

该泵虽有在线振动检测，但并没有在线分析系统。图4是发生故障前一天的一级高速轴水平加速度频谱。从频谱上来看，并没有轴承故障的特征频率，齿轮啮合频率也很小。这有两种可能，一是齿轮啮合较好，二是传感器的频响精度差。曾有人把某国产传感器与国外品牌进行对比试验，结果显示，国内传感器频响明显低于国外品牌。本设备使用的为国产传感器，所以需要考虑传感器频响差对特征频率的影响。

4 排除齿轮故障频率

齿轮箱的振动诊断分析方法一般有4种，即时域平均法、频谱分析法、倒频谱分析法以及其他分析法(时序模型、频率调节等)【2】。较为常用的是频谱分析法。

图4 一级高速轴水平加速度频谱

频谱分析法可以通过对啮合频率及其边频的分析，明确判断出齿轮的故障原因，对于后期针对性检查和维修具有重要的指导意义。齿轮几种典型故障的特征如下：

1) 齿轮点蚀：啮合频率边频带阶数少，而且集中在啮合频率及其谐频的两侧，左右基本对称；

2) 齿轮裂纹：啮合频率两侧边频对应幅值明显不对称，且两侧幅值变化较大；

3) 齿轮齿端折断：一阶啮合频率两侧有少量的边频带且两侧不对称，一侧边频幅值是另一侧的2～3倍；

4) 齿轮轮齿折断：伴有啮合频率的高次谐波成分，且两侧有边频现象，啮合频率左侧高次边频幅值升高，右侧2次边频幅值升高，一般会超过啮合频率的幅值【3】。

图4中①、②、④为近似高速轴转频倍频，边频为246 Hz，是大齿轮的转频，该频谱中并未显示出齿轮故障特征频率。

在排除轴承故障频率和齿轮的故障频率后，结合运行参数， 推测本次故障的顺序为： 一级轴齿轮由于疲劳或者某种原因先出现断齿， 断齿逐渐发展， 导致泵的性能下降， 同时轴受力方向发生变化， 最终联锁停泵； 诱导轮在停泵或者第二次启泵瞬间断裂， 导致泵流量和一级轴振动、 位移再未回到正常运行状态， 轴位移在双重故障作用下再次联锁停泵。造成齿轮疲劳的原因可能是齿轮加工残余应力、 材料渗碳工艺、 齿面加工精度等。

5 设备维修

因采购进口备件至少需要3个月，而生产上长时间无备用泵也存在风险，所以考虑请国内有资质厂家进行维修或直接采购。

国内某高速泵厂家建议购买该厂整台泵，在对方给出结构图和配件清单后，发现所有配件与目前使用的泵均不通用，这增大了后期维护成本。该方案被否定。

转而联系包括某发动机公司、某机械设备研究所、某巡航高科技有限公司、某航天动力研究所在内的国内齿轮加工厂。通过对比工期，最终选择了维修工期20 d的某机械设备研究所，要求其按照原齿轮1∶1进行测绘，在加工厂加工完成并经运转试验合格后再到现场安装。

在制造前与厂家签订设计制造技术协议，对轴和齿轮的选材、加工、热处理硬度标准、齿轮精度、轴的表面粗糙度以及动平衡等级等都提出了详细要求。其中，齿轮齿面磨削精度要求达到GB/T 10095.1—2008【4】中的5级，优于原厂采用的AGMA11级；齿面进行渗碳淬火处理，表面硬度58～62HRC；热处理质量应符合GB/T 3480.5 —2008的规定；转子动平衡校正，精度应符合GB/T 9239—2006中G1.0级的规定；装配后，在国家齿轮产品质量监督与试验中心进行空载运转试验，测量参考项目包括轴振动小于10 μm、箱体振动小于2.5 mm/s以及润滑油温升不大于30 ℃等。

对上述加工精度标准解读如下：GB/T 10095.1【4】的精度等级是从0级到12级,共13个精度等级, 其中0级精度最高(公差最小)；AGMA的精度等级是从3级到15级,同样是13个精度等级, 15级精度最高(公差最小)。两者等级并不能一一对应。根据经验法可对两标准进行比较，即用17减去GB中规定的精度等级便得出相应的AGMA等级【5】。国内外多位学者为计算齿根应力建立了比较精确的有限元分析模型，从计算结果也可以看出，ISO/GB标准比AMGA标准的计算结果更为保守【6】，所以对于使用者而言，使用ISO/GB标准有更高的裕度。

重新制造的齿轮在加工厂运转试验合格后运回现场组装。组装完成后，泵试运行显示，各项参数正常，轴振动、齿轮箱振动都达到了较好水平，现场噪音较以前明显减小，润滑油温度较以前降低5 ℃。这与齿轮制造标准、加工精度提高有关，证明齿轮加工质量较好。

6 高速泵运行的其他问题

在高速泵运行过程中也遇到了一些其他问题，比如诱导轮汽蚀问题，2台泵流量相差较大导致切换泵时出、入口管道振动大的问题，位移、振动、密封多项报警以及联锁值设置不合理等问题，经过逐步探讨，问题都得到解决。前面提到的齿轮锈蚀问题，也通过在齿轮箱通入少量氮气的方法使问题得到了彻底解决。通入氮气后，经过长期观察，未发现润滑油出现乳化现象。

7 结论

此次故障的顺利消除，证明了国内齿轮制造厂家的能力与水平。管理方面，随着对设备结构的理解逐渐深入以及对各项技术标准熟悉程度的不断提高，通过现象抓本质，提高了现场故障判断的准确性。同时，随着国内机械加工技术的发展，以前完全依赖进口的设备，近几年也逐渐实现国产化，部分国产技术已经走向成熟。