齿轮箱异响故障诊断与排除方法的研究

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。

图6 齿轮箱高速轴推力盘位置（单位：mm）

1.4 检修

齿轮箱拆检后，齿面较为完好，无断齿或异物粘接的情况。但发现高速齿轮盲端推力盘存在明显松动现象，复测其推力间隙值在0.5 mm以上，且在低速齿轮端面多处存在明显磕碰的痕迹。如图7所示，重新更换高速齿轮盲端推力盘，保证推力间隙符合图纸要求。

图7 拆检后的齿面及低速齿轮端面

1.5 检修后运行情况

重新回装机组后，机组重新启机运行，齿轮箱异响消失，各通道频率分布正常。如图8、下页图9所示。

图8 齿轮箱振动趋势图

2 结论

通过此齿轮箱异响故障的案例分析，利用在线监测系统振动趋势图及波形图分析振动原因，并结合检测齿轮箱壳振振幅的方法，确定了轴向窜动异响的原因源于齿轮箱高速轴推力盘松动。为以后机组存在异响但振幅不超差的问题分析处理提供了新的诊断思路和经验依据。

图9 检修后的齿轮箱高速轴波形图