BPRT 同軸機(jī)組齒輪箱振動故障分析及處理

馮 飛，范慧敏，劉 杰

（西安陜鼓動力股份有限公司，陜西西安 710075）

0 引言

冶金行業(yè)中，高爐的煤氣透平與鼓風(fēng)壓縮機(jī)組同軸驅(qū)動的能量回收機(jī)組BPRT（Blast Furnace Power Recovery Turbine，高爐能量回收裝置），具有高爐鼓風(fēng)和能量回收兩個(gè)功能。當(dāng)BPRT 機(jī)組啟動時(shí)，由電機(jī)直接拖動軸流壓縮機(jī)向高爐送風(fēng)，由于高爐此時(shí)尚未投入正常生產(chǎn)，煤氣透平處于停機(jī)狀態(tài)，變速離合器輸出端齒輪未嚙合，將煤氣透平與軸流壓縮機(jī)隔離。

高爐開始生產(chǎn)并隨之產(chǎn)生高爐煤氣后，煤氣透平具備啟機(jī)條件，轉(zhuǎn)速超過變速離合器嚙合速度后，傳動端齒輪嚙合，煤氣透平通過變速離合器向軸流壓縮機(jī)輸出功率。此時(shí)軸流壓縮機(jī)在電機(jī)和煤氣透平的同時(shí)拖動下運(yùn)行，電機(jī)電流下降，輸出功率降低。BPRT 機(jī)組能量利用效率更高，起到了降低能耗的作用。

本文對某鋼鐵廠1800 m3高爐配套的BPRT 機(jī)組齒輪箱振動故障，進(jìn)行分析及處理。

1 故障描述

該機(jī)組于2018 年前后停機(jī)，停機(jī)前運(yùn)行狀況未知，停機(jī)期間也未作良好的保養(yǎng)。2 年后對整個(gè)機(jī)組進(jìn)行重新檢修并投入使用，齒輪箱的傳遞功率為18 000 kW，輸入、輸出轉(zhuǎn)速分別為1489 r/min 和5200 r/min，傳動比為3.441；軸承為橢圓瓦型，振動的報(bào)警值和停機(jī)值分別為60 μm 和80 μm。

在煤氣透平未投入時(shí)，BPRT 機(jī)組的齒輪箱高、低速軸存在振動高的問題，主要表現(xiàn)在齒輪箱在軸流壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)低速軸振動偏大。例如，靜葉開度33°、排氣壓力90 kPa 時(shí)，低速軸振動值在100 μm 以上，隨著壓縮機(jī)負(fù)荷增大，排氣壓力大于300 kPa 后降低至在40 μm 左右。高速軸較低速軸狀況稍好，但在低負(fù)荷時(shí)軸振動也會超過報(bào)警值及停機(jī)值。

當(dāng)煤氣透平投入后，在軸流壓縮機(jī)相同工況的條件下，振動明顯上漲、最大波動超過20 μm，尤其以低速軸較為嚴(yán)重。

對比分析機(jī)組開車過程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著靜葉角度增大即軸流壓縮機(jī)增加負(fù)荷，齒輪箱傳遞功率相應(yīng)增加時(shí)，齒輪箱振動值明顯下降（圖1、圖2）。

圖1 振動與軸流壓縮機(jī)靜葉角度關(guān)系

圖2 振動與軸流壓縮機(jī)排氣壓力關(guān)系

在軸流壓縮機(jī)排氣壓力穩(wěn)定在350 kPa 以后，投入煤氣透平過程中，齒輪箱振動值隨著煤氣透平靜葉開度不斷增大，即煤氣透平輸出功率不斷增大，振動值明顯上升（圖3）。

圖3 振動與軸流壓縮機(jī)排氣壓力的關(guān)系

經(jīng)過綜合對比分析振動值、靜葉角度、壓縮機(jī)排氣壓力、煤氣透平靜葉開度（輸出功率）、電機(jī)電流值等多個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)齒輪箱軸振動值與電機(jī)電流呈明顯的負(fù)相關(guān)，電機(jī)電流越大振動越小，反之電機(jī)電流越小振動越大。也就是說，齒輪箱振動值與本身傳遞功率的大小有明顯關(guān)系（圖4）。

圖4 振動與電機(jī)電流的關(guān)系

2 原因分析

通常情況下，引起齒輪軸振動故障的原因主要有以下4 個(gè)。

（1）不平衡。不平衡是由于齒輪軸部件質(zhì)量偏心、制造誤差、裝配誤差以及材料不均勻或轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損造成的故障。

（2）齒輪磨損。齒輪均勻磨損時(shí)由于無沖擊振動信號產(chǎn)生，所以不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)磨損發(fā)展到一定程度時(shí)，嚙合頻率及其各階諧波幅值明顯增大，而且階數(shù)越高諧波增大的幅度越大。同時(shí)，振動能量有較大幅度的增加。

（3）對中。各轉(zhuǎn)子之間由聯(lián)軸器連接而構(gòu)成軸系，由于安裝誤差、機(jī)組承載后的變形以及基礎(chǔ)的沉降不均等原因，可能造成工作時(shí)各轉(zhuǎn)子的軸線之間產(chǎn)生軸線平行位移、軸線角度位移或綜合位移等對中變化誤差。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中將產(chǎn)生一系列有害于機(jī)組的動態(tài)效應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生異常振動。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中的表現(xiàn)形式有3 種，分別為平行不對中、角不對中和綜合不對中。

（4）軸承?；瑒虞S承具有結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)可靠、無噪聲、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，軸承性能的好壞對于轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定及能否正常運(yùn)行具有重要意義，軸承結(jié)構(gòu)不合理、軸承磨損、接觸不充分、緊力不足等均會明顯影響轉(zhuǎn)子的振動情況。

3 數(shù)據(jù)對比

針對可能的原因進(jìn)行分析，整理檢修過程中及后期運(yùn)行過程中的檢測數(shù)據(jù)，主要情況匯總?cè)缦拢?/p>

（1）高、低速軸曾在檢修時(shí)做過低速動平衡，殘余不平衡量分別為7560 gmm/kg 和280 gmm/kg，平衡精度高于G1.0，完全滿足各種相關(guān)國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可以排除不平衡的影響。根據(jù)API 613—2021《石油、化工和天然氣工業(yè)用特種用途齒輪裝置》的要求，低速軸測振帶電氣跳動不應(yīng)超過6 μm（檢修時(shí)實(shí)測約30 μm），但在齒輪箱空載試車時(shí)振動也不大，基本上低于30 μm。齒輪箱低速軸測振動帶電氣跳動存在超差，可能會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行過程中存在瞬時(shí)振動不穩(wěn)定，必要時(shí)應(yīng)予以修理。

（2）目測檢查齒面無明顯磨損，且檢查高速軸、低速軸齒面嚙合情況，接觸長度可以達(dá)到整個(gè)齒總長的80%，接觸高度可以達(dá)到齒高的50%以上，其余齒側(cè)間隙、平行度、中心度等同樣滿足設(shè)計(jì)要求，可以排除齒面磨損或接觸不良的可能。

（3）經(jīng)復(fù)查，齒輪箱與電機(jī)、軸流壓縮機(jī)的對中情況也調(diào)整至機(jī)組使用說明書要求范圍內(nèi)。

（4）對比檢修時(shí)齒輪箱軸承間隙實(shí)測值與原制造廠設(shè)計(jì)值，其中高速、低速軸軸承均為橢圓瓦，前者設(shè)計(jì)間隙0.396～0.445 mm、實(shí)測0.46～0.48 mm，后者設(shè)計(jì)間隙0.45～0.507 mm、實(shí)測0.52～0.55 mm。

通過對比可以看出，實(shí)測的軸承間隙偏大，接近或超過設(shè)計(jì)值上限，而過大的軸承頂間隙抑振能力較弱，可能導(dǎo)致振動大并加劇振動波動。但是，由于當(dāng)時(shí)檢修時(shí)間短且無備件可以更換，因此并未進(jìn)行進(jìn)一步處理，為后期出現(xiàn)振動故障埋下隱患。

隨后在機(jī)組運(yùn)行過程中進(jìn)一步使用對振動頻譜進(jìn)行分析，在監(jiān)測時(shí)間內(nèi)齒輪箱低速軸X、Y 兩測點(diǎn)振動總體存在較明顯的波動情況，低速軸X 測點(diǎn)通頻振動順勢幅值在40～60 μm，低速軸Y 測點(diǎn)振動波動在55～90 μm（圖5）。同步觀察驅(qū)動電機(jī)電流變化情況，電流為320～500 A。

圖5 齒輪箱低速軸振動頻譜圖

由圖5 可知，低速軸振動頻譜中以工頻（25 Hz）成分為主要激振能量，2 倍能量及其他高倍頻能量相對較小且幅度穩(wěn)定。當(dāng)振動通頻幅值變化時(shí)，工頻成分能量變化明顯，但其他頻率分量相對穩(wěn)定。

4 處理方案及效果

通過對檢測數(shù)據(jù)、實(shí)際中運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，齒輪軸振動頻率主要集中在工頻，引起一倍頻最可能的則為不平衡和軸承間隙超標(biāo)。結(jié)合齒輪對動平衡較好的情況，判斷軸承瓦間隙超標(biāo)是導(dǎo)致齒輪箱振動問題的最可能原因。在與專業(yè)齒輪箱廠家溝通、交流多次后，決定在對軸承重新進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以期滿足運(yùn)行要求。

最終重新設(shè)計(jì)、改造的軸承形式和軸承設(shè)計(jì)間隙，低速軸支撐軸承為圓瓦軸承，設(shè)計(jì)間隙值0.33～0.43 mm；高速軸支撐軸承為圓瓦軸承，設(shè)計(jì)間隙值0.24～0.34 mm。

制作、加工重新設(shè)計(jì)的軸承，借生產(chǎn)允許停機(jī)的機(jī)會更換軸承，同時(shí)復(fù)查齒面嚙合、軸承瓦背接觸、機(jī)組對中等，各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到原始設(shè)計(jì)及改造設(shè)計(jì)要求。

機(jī)組開車后，齒輪箱振動明顯降低、不超過30 μm，且無論在何種負(fù)荷下齒輪箱均沒有出現(xiàn)過明顯波動（圖6）。

圖6 改造后齒輪箱的振動情況

5 結(jié)論

通過重新設(shè)計(jì)、更換軸承，解決齒輪箱的振動故障問題，從而驗(yàn)證了振動故障原因分析和處理措施的正確性和有效性。通過處理，使機(jī)組恢復(fù)了正常運(yùn)行狀態(tài)，保證生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。

通過分析過程和實(shí)際處理結(jié)果也可以看出，對于壓縮機(jī)組等通過強(qiáng)制潤滑的設(shè)備，理論上橢圓瓦較圓瓦軸承有較好的高速穩(wěn)定性和抗振性能，但是這是建立在合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，對于低速重載的齒輪箱，合理設(shè)計(jì)的圓瓦軸承完全可以滿足使用要求。此外，借助頻譜分析技術(shù)可以判斷故障可能的位置和類型，通過相關(guān)分析可以及時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)變化，對于設(shè)備故障的預(yù)判、處理有積極意義。