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            齒輪類案例:某廠齒輪箱存在異常響聲的故障分析

            1、設備概述

            某廠異構脫蠟裝置循環氫壓縮機由變頻電機驅動,其中壓縮機型式為BCL407,額定轉速為11700r/min,入口壓力為2.21MPa(G),出口壓力為4.64MPa(G),轉子一階臨界轉速為5696 r/min,軸振動報警門限為63.5μm,軸振動聯鎖停機值為89μm。變速箱由高、低速齒輪組成,其中小齒輪齒數為39齒,大齒輪齒數為157齒,其軸振動報警值為50.8μm,聯鎖停機值為75.8μm。變速箱高速軸兩端軸承處各有2個測振點,低速軸上未安裝測振傳感器。機組布置及結構參照圖1,圖2。

            圖1 機組總貌圖

            圖2 齒輪箱內部結構照片

            2、故障現象

            機組于2018年5月份機組完成空負荷試車,隨后一直處于停機狀態。于2019年3月15日正式帶負荷運轉,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,仔細分辨,聲音是從齒輪箱內發出來的。查看DCS系統上各設備的振值,壓縮機各通道振值最大才12μm左右,齒輪箱振值最大在25μm左右,幅值都不高。因設備存在異常響聲,用戶決定安裝SG8000在線監測系統,對機組問題進行定位和分析。

            圖3 齒輪箱振動趨勢圖

            3、故障分析

            2019年3月17日,SG8000系統安裝完成,對機組振動數據進行實時采集,在此期間機組未停機。從振動趨勢圖上看,壓縮機、變速箱各通道軸振動值確實較低,但查看各振動通道的波形頻譜圖,發現變速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,可能是由變速箱傳遞而來。

            圖4 變速箱高速軸頻譜圖

            圖5 壓縮機頻譜圖

            頻率成分分布異常,但設備總體的軸振值不高,建議現場人員利用離線儀或者手持測振儀測量設備的殼振情況?,F場測量后,反饋結果如下:壓縮機兩端軸承座振動保持在1.5mm/s以下,變速箱低速軸水平方向振動在2.1-3.0mm/s左右,垂直方向振動在1.2mm/s-2.1mm/s,軸向振動在3.5mm/s-5.5mm/s,齒輪箱的殼振值相對較高,且振值達到了D區。由此基本可以斷定,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,下圖中圓圈處。

            圖6 齒輪箱結構圖

            但觀察2天后,機組異常響聲和頻譜圖中的分數諧波成分仍然存在,該變速箱軸端采密封用的是普通的鋁制密封,若是轉子與密封摩擦,當間隙適當后,一般摩擦現象會自行消失,所以由此基本可以排除內部摩擦的可能性。

            在仔細查看變速箱各通道的波形圖,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。通過幾天的觀察,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。在結合所測得的殼振值,懷疑問題可能出在齒輪嚙合方面。

            圖7 變速箱高速軸波形圖

            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。經與現場人員交流,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,而機組運行時間較短,因此疲勞斷裂的可能性比較??;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它雜質還是有可能附著在齒面上,導致嚙合沖擊,但以往遇到過類似現象都是以1倍頻和嚙合頻率為主;在結合現場所測的殼振值,始終是軸向振動比較大,判斷可能為轉子軸向間隙較大,致使轉子軸向存在串動,導致齒輪嚙合不良,產生沖擊現象。圖紙要求,小齒輪兩推力盤間隙為0.2-0.3mm,停機后需重點檢查該尺寸值。

            診斷建議:

            轉子軸向間隙偏大,致使轉子軸向存在串動,導致齒輪嚙合不良。鑒于設備當前所測得的殼振值較高,運行中存在異常噪音,而且隨著負荷的增加,軸振值和殼振值均有上漲跡象,建議盡早停機對齒輪箱進行拆解檢查。停機后,重點檢查推力盤間隙,檢查推力盤瓢擺情況,判斷是否存在松動。再仔細檢查、清理各齒面,并對齒面做無損探傷檢測。

            4、故障處理

            鑒于設備存在明顯異常,且有劣化的趨勢,在多次建議用戶停機檢修后,機組于4月7日停機,將齒輪箱返廠拆解。經拆檢后發現,齒輪齒面較為完好,無斷齒或異物粘接的情況。但發現小齒輪盲端推力盤存在明顯松動現象,復測其推力間隙值在0.5mm以上,且在大齒輪端面多處存在明顯磕碰的痕跡。由此驗證,變速箱內異響的來源是由于小齒輪上推力盤存在松動現象,致使軸向推力間隙變大,小齒輪軸向存在串動,特別是在轉速或負荷提高后,齒輪嚙合產生了沖擊現象。

            圖8 齒輪箱拆解檢修情況

            對小齒輪的推力盤進行重新加工、裝配后,機組重新運行,變速箱運行平穩,未在出現異常響聲,頻譜圖中頻率成分分布正常。

            圖9 重新運轉后齒輪箱振動趨勢圖

            圖10 重新運轉后齒輪箱波形頻譜圖

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