空壓機齒輪箱異響故障診斷與分析

王利霞，韓利兵，張 瑞

(邯鄲鋼鐵集團有限責任公司氣體廠，河北邯鄲 056015）

1 概況

邯鋼氣體廠EIZ100 型空壓機是空分設備配套的關鍵設備。機組布置形式為：電機+齒輪箱+壓縮機，設備軸系結構簡圖如圖1所示。

圖1 軸系結構示意圖(A、B為測點)

空壓機排氣流量186 000 m3/h,電機功率為17 000 kW，轉速為1 500 r/min，齒輪箱速比為3.718，低速軸齒數為145，高速軸齒數為39。壓縮機為水平剖分結構，帶內置冷卻器，四級壓縮。空壓機安裝、試車各參數正常。

空氣壓縮機機組運行半年后，現場點檢發現空壓機齒輪箱噪音明顯增大，齒輪箱有異響，其他參數未見異常（參見表1、表2）。

表1 EIZ100空壓機高速軸、低速軸振動參數 單位：μm

表2 EIZ100空壓機高速軸、低速軸軸承溫度參數 單位：℃

2 故障分析

2.1 造成齒輪箱異響的原因及分析

造成齒輪箱異響可能原因有：不良的聯軸器對中、潤滑油臟污、潤滑不足、齒輪嚙合情況不佳、齒輪設計、制造中的缺陷、齒輪承受過高負荷等等。[1]

針對上述可能造成齒輪箱異響的原因，首先對EIZ100 空壓機齒輪箱的軸振動和軸承溫度主要運行參數進行了分析，其高速軸、低速軸振幅波動不大，振動值在規范要求內，軸承溫度也在設計允許范圍內；其次對機組潤滑油進行了理化分析和油系統檢查，潤滑油各項指標也在可控范圍內；然后對空壓機工作負荷進行了對比，運行狀態穩定，沒有超負荷現象。

由此基本排除不良的聯軸器對中、潤滑油臟污、潤滑不足的影響、齒輪承受過高負荷等故障原因。分析齒輪箱異響可能原因重點集中在齒輪嚙合情況不佳和齒輪設計、制造中存在的缺陷上。

2.2 齒輪常見的磨損或破壞的形式

2.2.1 刮痕破壞

主要是齒面發生金屬間直接接觸溫度高造成局部熔接現象，造成齒面金屬被撕扯的痕跡。原因往往是潤滑不良或者承受過高的載荷。

2.2.2 表面疲勞破壞

齒輪表面承受的應力超過材料的疲勞強度造成的材料疲勞破壞，此種破壞的特征是有金屬脫落及形成凹孔的情況產生。

2.2.3 初期性孔蝕

初期性孔蝕是屬于表面疲勞現象的一種，一般發生在運轉初期，并繼續發生直到齒面局部高應力區域逐漸減少，而使得有足夠的接觸面積承受載荷，孔蝕損壞不會持續成長。這種孔蝕一般不需要擔心，因為它可自行改善而且不會擴張惡化。

2.2.4 破壞性孔蝕

破壞性孔蝕通常在齒輪節圓下方形成，并持續性地增加凹孔的大小，其損傷的情況會繼續擴散，損傷的情況會擴散到整個齒面，破壞整個齒形，最后齒面碎片剝落。

2.2.5 疲勞斷裂

疲勞斷裂是最常見的斷裂破壞。主要是齒輪在承受持續性彎曲應力下超過材料的疲勞強度極限所造成的疲勞破壞。造成的原因可能是設計、制造、過負荷運轉、軸對中不良等原因造成。

為了進一步驗證異響的部位和故障分類，通過頻譜分析對故障進一步進行分析和判斷。

2.3 頻譜分析

齒輪的故障信號是一種復雜的隨機振動，往往是周期嚙合振動、調幅、調頻及附加脈沖的綜合表現。[2]

現場采集該空壓機的振動數據，并對它進行頻譜分析。通過前后三組數據進行對比，對比結果見圖2。

圖2 G1H時域波形圖對比

從圖2 所測G1H 時域波形以看出，前后兩次頻譜齒輪有非常明顯的沖擊變化。沖擊值有較大幅度的提高。沖擊間隔為40.04 ms，對應頻率24.97 5Hz；約等于齒輪箱低速軸轉頻，顯示低速軸有缺陷。

從圖3 G4V時域波形圖對比可以看出前后兩個圖譜上沖擊值有較大的升高。

圖3 G4V時域波形圖對比

從圖4 G4V 頻譜圖對比可以看出，振幅值較也有較大的提高。初步判斷分析齒輪嚴重的磨損或者損壞，尤其齒輪箱低速軸。

圖4 G4V頻譜圖對比

頻譜分析結果：頻譜分析時域表現為幅值很大的沖擊型振動，沖擊頻率等于有斷齒軸的轉頻；而頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現間隔為斷齒軸轉頻的邊頻帶；邊頻帶數量多、幅值大、分布寬。伴隨著振動能量（包括有效值和峭度指標）有較大幅度的增加，沖擊頻率等于有斷齒軸的轉頻。

根據上述分析和判斷低速軸齒輪存在嚴重缺陷，有斷齒可能，機組必須停車處理。

3 驗證分析

空壓機停機，對齒輪箱解體檢查，發現齒輪箱低速軸（大齒輪）齒面大面積剝落。檢查過程中出現齒面剝落，共有9 個齒磨損嚴重；第10 齒、11 齒嚙合面處有裂紋。齒輪損壞情況見圖5。

圖5 EIZ100空壓機低速軸（大齒輪）齒面損壞情況

判斷齒輪箱異響是部分齒輪輪齒存在破壞性孔蝕缺陷，運行中齒面金屬剝落損壞造成的。

對齒輪箱整體進行參數復查：軸承部分檢查支撐軸承及止推軸承完好，軸承合金無裂紋、擦痕和合金剝落，軸瓦間隙及過盈量都符合技術要求；大小齒輪的中心距、水平度、交叉度等參數正常；對未損壞齒檢查嚙合情況正常；齒輪箱與壓縮機、電機聯軸器同心度復查正常；齒輪供油系統檢查正常，油化驗指標合格。

4 結束語

通過此次齒輪箱異響故障的診斷與分析，在齒輪輪齒表面損壞，存在缺陷情況下，轉子的軸振、軸承的溫度并沒有明顯變化；頻譜分析時域的沖擊頻率、頻域上在嚙合頻率及其高次諧波附近出現間隔的邊頻帶，以及振動能量（包括有效值和峭度指標）對齒輪斷齒故障的判斷具有良好的指導意義。