空压机齿轮箱异响故障诊断与分析

王利霞，韩利兵，张 瑞

(邯郸钢铁集团有限责任公司气体厂，河北邯郸 056015）

1 概况

邯钢气体厂EIZ100 型空压机是空分设备配套的关键设备。机组布置形式为：电机+齿轮箱+压缩机，设备轴系结构简图如图1所示。

图1 轴系结构示意图(A、B为测点)

空压机排气流量186 000 m3/h,电机功率为17 000 kW，转速为1 500 r/min，齿轮箱速比为3.718，低速轴齿数为145，高速轴齿数为39。压缩机为水平剖分结构，带内置冷却器，四级压缩。空压机安装、试车各参数正常。

空气压缩机机组运行半年后，现场点检发现空压机齿轮箱噪音明显增大，齿轮箱有异响，其他参数未见异常（参见表1、表2）。

表1 EIZ100空压机高速轴、低速轴振动参数 单位：μm

表2 EIZ100空压机高速轴、低速轴轴承温度参数 单位：℃

2 故障分析

2.1 造成齿轮箱异响的原因及分析

造成齿轮箱异响可能原因有：不良的联轴器对中、润滑油脏污、润滑不足、齿轮啮合情况不佳、齿轮设计、制造中的缺陷、齿轮承受过高负荷等等。[1]

针对上述可能造成齿轮箱异响的原因，首先对EIZ100 空压机齿轮箱的轴振动和轴承温度主要运行参数进行了分析，其高速轴、低速轴振幅波动不大，振动值在规范要求内，轴承温度也在设计允许范围内；其次对机组润滑油进行了理化分析和油系统检查，润滑油各项指标也在可控范围内；然后对空压机工作负荷进行了对比，运行状态稳定，没有超负荷现象。

由此基本排除不良的联轴器对中、润滑油脏污、润滑不足的影响、齿轮承受过高负荷等故障原因。分析齿轮箱异响可能原因重点集中在齿轮啮合情况不佳和齿轮设计、制造中存在的缺陷上。

2.2 齿轮常见的磨损或破坏的形式

2.2.1 刮痕破坏

主要是齿面发生金属间直接接触温度高造成局部熔接现象，造成齿面金属被撕扯的痕迹。原因往往是润滑不良或者承受过高的载荷。

2.2.2 表面疲劳破坏

齿轮表面承受的应力超过材料的疲劳强度造成的材料疲劳破坏，此种破坏的特征是有金属脱落及形成凹孔的情况产生。

2.2.3 初期性孔蚀

初期性孔蚀是属于表面疲劳现象的一种，一般发生在运转初期，并继续发生直到齿面局部高应力区域逐渐减少，而使得有足够的接触面积承受载荷，孔蚀损坏不会持续成长。这种孔蚀一般不需要担心，因为它可自行改善而且不会扩张恶化。

2.2.4 破坏性孔蚀

破坏性孔蚀通常在齿轮节圆下方形成，并持续性地增加凹孔的大小，其损伤的情况会继续扩散，损伤的情况会扩散到整个齿面，破坏整个齿形，最后齿面碎片剥落。

2.2.5 疲劳断裂

疲劳断裂是最常见的断裂破坏。主要是齿轮在承受持续性弯曲应力下超过材料的疲劳强度极限所造成的疲劳破坏。造成的原因可能是设计、制造、过负荷运转、轴对中不良等原因造成。

为了进一步验证异响的部位和故障分类，通过频谱分析对故障进一步进行分析和判断。

2.3 频谱分析

齿轮的故障信号是一种复杂的随机振动，往往是周期啮合振动、调幅、调频及附加脉冲的综合表现。[2]

现场采集该空压机的振动数据，并对它进行频谱分析。通过前后三组数据进行对比，对比结果见图2。

图2 G1H时域波形图对比

从图2 所测G1H 时域波形以看出，前后两次频谱齿轮有非常明显的冲击变化。冲击值有较大幅度的提高。冲击间隔为40.04 ms，对应频率24.97 5Hz；约等于齿轮箱低速轴转频，显示低速轴有缺陷。

从图3 G4V时域波形图对比可以看出前后两个图谱上冲击值有较大的升高。

图3 G4V时域波形图对比

从图4 G4V 频谱图对比可以看出，振幅值较也有较大的提高。初步判断分析齿轮严重的磨损或者损坏，尤其齿轮箱低速轴。

图4 G4V频谱图对比

频谱分析结果：频谱分析时域表现为幅值很大的冲击型振动，冲击频率等于有断齿轴的转频；而频域上在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔为断齿轴转频的边频带；边频带数量多、幅值大、分布宽。伴随着振动能量（包括有效值和峭度指标）有较大幅度的增加，冲击频率等于有断齿轴的转频。

根据上述分析和判断低速轴齿轮存在严重缺陷，有断齿可能，机组必须停车处理。

3 验证分析

空压机停机，对齿轮箱解体检查，发现齿轮箱低速轴（大齿轮）齿面大面积剥落。检查过程中出现齿面剥落，共有9 个齿磨损严重；第10 齿、11 齿啮合面处有裂纹。齿轮损坏情况见图5。

图5 EIZ100空压机低速轴（大齿轮）齿面损坏情况

判断齿轮箱异响是部分齿轮轮齿存在破坏性孔蚀缺陷，运行中齿面金属剥落损坏造成的。

对齿轮箱整体进行参数复查：轴承部分检查支撑轴承及止推轴承完好，轴承合金无裂纹、擦痕和合金剥落，轴瓦间隙及过盈量都符合技术要求；大小齿轮的中心距、水平度、交叉度等参数正常；对未损坏齿检查啮合情况正常；齿轮箱与压缩机、电机联轴器同心度复查正常；齿轮供油系统检查正常，油化验指标合格。

4 结束语

通过此次齿轮箱异响故障的诊断与分析，在齿轮轮齿表面损坏，存在缺陷情况下，转子的轴振、轴承的温度并没有明显变化；频谱分析时域的冲击频率、频域上在啮合频率及其高次谐波附近出现间隔的边频带，以及振动能量（包括有效值和峭度指标）对齿轮断齿故障的判断具有良好的指导意义。