汽輪滑油泵運行異響故障分析

黃莉榕，蔡佐君

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

某型汽輪滑油泵交付使用過程中，在機組轉速運行至一定范圍時，機組振動噪聲明顯高于其他同型設備，陸續運行一段時間后，振動噪聲已超過使用要求。現場對機組進行了振動測試，測試結果表明：振動頻譜中與傳動齒輪嚙合相關的特征頻率振動明顯放大。

某型汽輪滑油泵主要由以下部套件組成：汽輪機、減速箱、蒸汽調節閥、調節組件和螺桿泵。汽輪機采用單列速度級葉柵，通過安裝在回流器汽缸中的回流器實現雙列熱力做功，提高機組的功率。汽輪機轉子通過主動小齒輪一級減速帶動減速器大齒輪軸，大齒輪通過套裝軸上的彈性柱銷聯軸器帶動五螺桿泵工作，蒸汽調節閥控制汽輪機進汽量。大齒輪軸上套裝信號鋼齒輪通過交錯傳動動力給調節組件，調節組件起安保、為機組供潤滑油和調節用油的工作。

1 故障初現后的現場拆檢與檢查

機組轉速運行至一定范圍時，機組振動有所增大，仍在合格范圍內，故障初現。現場對汽輪機轉子和減速器轉子的軸承間隙進行了拆檢檢測，觀察傳動齒輪和交錯齒輪齒面，未發現明顯的磨損痕跡，對齒輪側隙進行了測量，具體測量值如表1所示。拆檢未發現明顯異常，決定繼續使用，并密切關注機組運行狀態。

表1 間隙測量表

機組運行期間振動噪聲逐步放大，陸續運行8個月后，將減速器轉子重新進行了動平衡處理，完成動平衡處理后進行復裝，復裝時間隙測量值如表2所示。

表2 間隙測量表

復裝后，機組運行在特定轉速及以上時，振動噪聲進一步放大，尖叫聲明顯。

2 異響故障分析研究

2.1 故障原因初步判斷

機組出現振動噪聲異常，尖叫聲明顯的故障現象后，為了更準確的判定故障原因，現場對機組進行了振動頻譜測試。圖1～圖3為3個轉速下的振動頻譜圖，圖4為幾個轉速的頻譜對比圖。由頻譜對比圖初步判斷，在傳動齒輪的嚙合頻率及嚙合頻率的2倍頻區域，振動峰值突兀，是構成了機組總體振級的主要部分，是產生振動和尖叫聲的主要原因。

圖1 振動頻譜圖（8 478 r/min）

圖2 振動頻譜圖（8 798 r/min）

圖3 振動頻譜圖（9 207 r/min）

圖4 不同轉速振動頻譜對比圖（8 478 r/min；8 798 r/min；9 021 r/min；9 207 r/min）

同時，對異響機組與同型號正常運行的機組進行相同轉速下的振動噪聲對比測試，對比測試振動頻譜圖見圖5。由頻譜對比圖進一步判斷，齒輪嚙合頻率及其倍頻區域附近，出現異響故障的機組振動明顯較大。為解決機組異響故障，將旋轉機械部分，含汽輪機轉子、減速器轉子、信號轉子及軸承，進行返廠檢測。

圖5 相同轉速下同型號機組振動頻譜對比圖

2.2 返廠檢測結果分析研究

旋轉部件返廠后，對齒輪齒面進行檢測，檢測發現汽輪機轉子齒面的齒形、螺旋線及齒距累積公差較之出廠前均下降較多，齒面精度下降。圖6、圖7分別為汽輪機轉子出廠狀態下及出現故障返廠后的齒面檢測報告。

圖6 汽輪機轉子出廠前齒形檢測報告

圖7 出現故障返廠后汽輪機轉子齒形檢測報告

同時，拆檢過程中發現汽輪機推力軸承的球面內座存在轉動現象，不能有效防轉。圖8為推力軸承的結構示意圖，推力瓦塊支承在球面內座上，球面內座落在外座上。正常狀態下，防轉螺釘應深入球面座防轉槽內1.3 mm，實現防轉功能，檢測中發現防轉螺釘的實際測量值比圖紙規定值低了1.5 mm，因此防轉螺釘無法有效防轉球面內座，使得球面內座可能會隨著汽輪機轉子的運動而發生跟轉。

圖8 推力軸承示意圖

經分析，球面內座隨著汽輪機轉子跟轉時，將減小轉子平面與瓦塊之間的相對速度，從而降低推力油膜的承載力，造成承載不均勻；同時，球面內座跟轉會造成轉子運行狀態的不穩定，可能會影響傳動齒輪的嚙合，使齒面有局部重載情況，長期運行下，會引起齒面精度的逐漸下降，從而產生異常振動和噪聲[1-2]。

2.3 故障復現分析研究

為確認故障原因，返廠后進行了故障復現試驗研究。將返廠的旋轉部件在同型號科研樣機上進行復裝試驗。樣機運行在特定轉速1時，總振級約為144.5 dB，傳動齒輪嚙合頻率及其2倍頻的振動明顯偏大，故障現象與現場相似，存在尖銳的叫聲；樣機運行在特定轉速2時單點總振級達到150 dB，嚙合頻率2倍頻振動進一步增大。圖9和圖10為2種轉速下的機組振動頻譜圖。

圖9 振動頻譜圖（8 543 r/min）

圖10 振動頻譜圖（9 028 r/min）

故障復現后，對旋轉部件中汽輪機轉子進行換新，同時，更換推力軸承防轉螺釘。復裝后，樣機嚙合頻率及其2倍頻的振動明顯降低，機組總振級約137 dB，進一步提高機組轉速，嚙合頻率及其2倍頻同樣不大，總振級約138 dB，機組在運行時也無明顯的異常尖叫聲，運行噪聲明顯改善。圖11和圖12為汽輪機轉子換新后2種轉速下機組振動頻譜圖，圖13和圖14為汽輪機轉子換新前、后2種轉速下機組振動頻譜對比圖。

圖11 振動頻譜圖（8 600 r/min）

圖12 振動頻譜圖（9 000 r/min）

圖13 振動頻譜圖（約8 600 r/min）

圖14 振動頻譜圖（約9 000 r/min）

汽輪機轉子換新后，對不同轉速下的振動噪聲進行了測試，測試結果見表3。由測試結果可見，機組振動噪聲水平明顯改善。

表3 換新后不同轉速下振動噪聲測試結果

后續，為了避免再次發生因為安裝問題導致的齒輪齒面局部重載使得精度下降，需要加強對影響齒輪運行的重要零部件的詳細檢驗，同時可以考慮對齒面采取硬化手段及提高齒輪表面質量來提高齒面的強度和使用壽命[3-4]。

3 結論

本文對汽輪滑油泵發生故障的原因進行了分析研究以及試驗驗證，得出以下結論：

1）汽輪滑油泵發生異響故障是由傳動齒輪齒面精度下降導致的。

2）傳動齒輪齒面精度下降，是因為汽輪機推力軸承球面內座的防轉螺釘偏短，無法有效防止球面內座的跟轉，使得傳動齒輪的嚙合不平穩，容易造成齒面局部重載；長時間運行下，齒面精度逐漸降低，機組振動及噪聲也逐漸增大。