冷卻塔減速機故障分析與預防性維護策略研究

摘 要：【目的】分析冷卻塔內(nèi)部減速機軸承損壞問題，以此降低故障率，提高減速機的運行可靠性。【方法】以系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為核心，深入剖析減速機的故障產(chǎn)生原因。同時，結(jié)合現(xiàn)場拆解與維修的實際情況，對減速機軸承損壞根源進行詳細、系統(tǒng)的分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，減速機軸承的損壞主要歸因于潤滑條件、運行環(huán)境惡劣及疲勞破壞?！窘Y(jié)論】基于分析結(jié)果提出的一系列預防性維護策略，可降低維修率，提高冷卻塔的安全可靠性與制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：減速機；故障分析；預防性維護

中圖分類號：TB657.5" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）03-0031-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.006

Fault Analysis and Preventive Maintenance Strategy Research of

Cooling Tower Reducer

JIANG Tao ZHANG Han

（Chongqing Airport Group Limited Company， Chongqing 401120， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the problem of bearing damage of internal reducer in cooling tower， the failure rate is reduced and the operation reliability of reducer is improved through in-depth analysis. [Methods] The system monitoring data were used as the core analysis method to deeply analyze the influencing factors of the reducer failure. At the same time， combined with the actual situation of on-site disassembly and maintenance， the root causes of reducer bearing damage are systematically analyzed in detail. [Findings] The results show that the damage of the reducer bearing is mainly attributed to lubrication conditions， poor operating environment and fatigue damage. [Conclusions] Based on the analysis results， a series of scientific and effective preventive maintenance strategies are proposed， which can reduce the maintenance rate and improve the safety and reliability of the cooling tower and the stability of the refrigeration system.

Keywords： reducer; fault analysis; preventive maintenance

0 引言

冷卻塔是暖通空調(diào)系統(tǒng)中至關(guān)重要的技術(shù)裝備，在吸收式及壓縮式制冷冷卻技術(shù)架構(gòu)中均發(fā)揮著重要作用［1］。冷卻塔依據(jù)熱力學與流體力學的原理運作，利用引入的干燥空氣與高溫蒸氣壓差，驅(qū)動水分子蒸發(fā)，該蒸發(fā)過程會吸收大量熱量，從而實現(xiàn)水溫的大幅降低。冷卻塔構(gòu)造復雜，包括集風機、電動機、傳動減速裝置、布水裝置、淋水填料層及外殼等多種功能組件［2］。具體來說，冷卻水在制冷機組的冷凝器中完成熱交換后升溫，隨后經(jīng)加壓泵輸送至冷卻塔內(nèi)的布水裝置，均勻噴灑在填料層上，形成薄水膜。與此同時，風機驅(qū)動空氣自下而上穿越塔體，與水膜進行熱質(zhì)交換，熱空氣從塔頂排出，而冷卻后的水則匯集于底盆，再被循環(huán)送回制冷機組的冷卻系統(tǒng)。這一過程在濕熱環(huán)境中持續(xù)進行，易受多種因素干擾，導致冷卻塔內(nèi)部減速機出現(xiàn)殼體銹蝕、軸承損壞等問題頻發(fā)［3］。減速機故障不僅會直接影響冷卻塔的正常運行，還會對制冷機組的冷卻效率產(chǎn)生影響，增加系統(tǒng)潛在的安全風險［4］。溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中廣泛應用的馬利SC系列冷卻塔，本研究以實際運行中發(fā)生的冷卻塔減速機故障為例，深入剖析減速機故障的成因與影響機理，并據(jù)此提出一系列預防性維護策略，從而減少維修頻次，提高冷卻塔整體運行的可靠性及安全性。

1 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析排查

在溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中，若冷卻水入口溫度偏低，會導致稀溶液溫度下降，濃溶液濃度上升，進而導致結(jié)晶風險增大。同時，稀溶液濃度偏低和冷凝壓力減小還會導致發(fā)生器內(nèi)溶液劇烈沸騰，造成溶液液滴很容易穿越擋液板進入冷凝器，引發(fā)冷卻水污染［5］。因此，在機組運行過程中，應避免冷卻水入口溫度過低。此外，若冷卻水入口溫度過高，會顯著削弱吸收效果，導致制冷量減少，嚴重時甚至可能引發(fā)結(jié)晶。由此可知，冷卻水水溫不僅關(guān)乎機組的穩(wěn)定運行，還調(diào)控著冷卻塔的運行模式。

1.1 異常數(shù)據(jù)

在制冷工況下，冷卻塔根據(jù)機組冷卻水入口溫度進行啟動、停止及變頻調(diào)節(jié)。具體而言，當冷卻水入口溫度達至26 ℃時，冷卻塔開始運作。隨著冷卻水入口溫度的持續(xù)上升，控制系統(tǒng)在接收到溫度傳感器信號后，會對冷卻塔電機變頻器頻率進行相應調(diào)整。一旦冷卻水入口溫度超過29 ℃，冷卻塔便會轉(zhuǎn)入工頻運行狀態(tài)。根據(jù)控制系統(tǒng)所記錄的歷史運行數(shù)據(jù)，冷卻塔在工頻運行時的電流為82 A，然而系統(tǒng)實際顯示的冷卻塔工頻運行電流僅為55 A。進一步監(jiān)測機組冷卻水入口溫度，發(fā)現(xiàn)其相較于歷史運行數(shù)據(jù)要高出2 ℃，這一差異表明冷卻塔存在故障。

1.2 初步分析

對異常數(shù)據(jù)進行綜合剖析，初步判斷是冷卻塔某部分發(fā)生故障，進而導致運行電流下降。冷卻塔未能達到滿負荷運行的主要原因涵蓋電源系統(tǒng)或控制系統(tǒng)故障、電動機故障及傳動減速系統(tǒng)故障。具體而言，電源系統(tǒng)或控制系統(tǒng)故障包括缺相運行、變頻器異常等；電動機故障主要表現(xiàn)為電機過熱、軸承損壞等；傳動減速系統(tǒng)故障則通常涉及皮帶疲勞斷裂、減速機出現(xiàn)故障等。

1.3 故障排查

基于冷卻塔故障的初步診斷結(jié)果，鑒于冷卻塔安裝于屋頂，而電源及控制系統(tǒng)位于機房內(nèi)部。因此，采取由低至高的順序進行故障排查。

1.3.1 電源與控制系統(tǒng)檢查。首先，開啟冷卻塔控制柜，測量變頻器主電路與控制電路的電壓，并檢查接觸器、熱繼電器、中繼器及保險絲等部件狀態(tài)。其次，啟動變頻器，核查其設定參數(shù)與警報歷史記錄。經(jīng)過對電源與控制系統(tǒng)中可能故障點的詳盡檢查，確認該部分無異常。

1.3.2 電機與傳動減速機構(gòu)檢查。首先，打開冷卻塔的檢修通道，觀察傳動皮帶的狀況。由于電機與傳動減速機構(gòu)均安置于冷卻塔上部，需要借助檢修平臺進行作業(yè)。在確認電機電源正常后，通過按壓皮帶來檢查其張力，并觀察磨損程度。其次，拆除皮帶進行盤車檢查。電機運行平穩(wěn)且無異常聲響，但在旋轉(zhuǎn)減速機下端的皮帶輪時出現(xiàn)卡頓，并伴有異響。經(jīng)過深入檢查，確認減速機上端的深溝球軸承已損壞，并導致傳動軸磨損及軸承端蓋破損。具體狀況如圖1所示。

2 影響因素理論剖析

冷卻塔減速機軸承損壞是一個由多重因素交織而成的復雜問題，其根源可歸納為以下幾類。

2.1 潤滑條件因素

潤滑狀況是維系軸承正常運轉(zhuǎn)的核心要素，對軸承性能具有深遠影響。具體而言，潤滑油的供給匱乏、品質(zhì)退化或選型不當均會顯著削弱其潤滑效能，導致軸承接觸面之間的摩擦系數(shù)攀升，摩擦熱隨之劇增，進而導致軸承工作溫度上升［6］。

2.2 過載與沖擊載荷效應

在減速機運行過程中，若承受的負荷超出設計承載能力上限，或突然遭遇沖擊載荷，軸承將處于極端高應力狀態(tài)。這種過度的應力狀態(tài)對軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有顯著的破壞作用，不僅加速軸承接觸面的磨損，造成材料快速損耗，還可能引發(fā)軸承局部區(qū)域的塑性變形，即材料在超過彈性極限后發(fā)生永久形變［7］。

2.3 安裝與裝配精度因素

軸承安裝與裝配是其全生命周期中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響軸承后續(xù)運行的穩(wěn)定性和可靠性。在安裝與維修過程中，同軸度偏差、預緊力調(diào)整不當或裝配精度不達標等問題將會成為潛在的故障源，對軸承的運行狀態(tài)產(chǎn)生負面影響［8］。同軸度偏差可能導致軸承承受不必要的徑向或軸向載荷，產(chǎn)生額外的應力集中；預緊力不當可能會破壞軸承的正常工作狀態(tài)，導致過早磨損或松動；裝配精度不足可能引發(fā)軸承與相鄰部件間的間隙變化或位置偏移，導致動態(tài)不平衡、振動和噪聲增加。

2.4 工作環(huán)境惡劣

冷卻塔減速機的工作環(huán)境通常具有多塵、高溫、潮濕等惡劣特征，顯著威脅軸承性能與使用壽命。多塵環(huán)境可能導致微小顆粒沉積在軸承表面，成為磨粒磨損的源頭，侵蝕軸承材料，降低旋轉(zhuǎn)精度和壽命；高溫環(huán)境加速軸承材料的熱老化，導致性能下降，如硬度降低、韌性減弱；潮濕環(huán)境可能引發(fā)軸承內(nèi)部的腐蝕反應，損害軸承結(jié)構(gòu)的完整性。

2.5 疲勞損傷累積

在長期持續(xù)的交變應力作用下，軸承內(nèi)部材料經(jīng)歷漸進性疲勞損傷。這一過程始于材料內(nèi)部的微觀缺陷或應力集中點，隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，缺陷逐漸擴展，并連接成宏觀裂紋，引發(fā)軸承失效。

2.6 使用壽命與維護因素

在軸承長期運行過程中，隨著運行周期的累積，各部件不可避免地經(jīng)歷漸進性磨損與老化。這種磨損與老化不僅涉及接觸面的材料損耗，還可能導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)微小變形與性能退化。此外，若缺乏必要的維護措施，如定期潤滑、清潔、緊固及調(diào)整等，將進一步加速軸承性能下降，甚至導致潛在的故障提前顯現(xiàn)。

3 減速機故障實際分析

減速機軸承損壞主要歸因于潤滑條件、運行環(huán)境惡劣、疲勞破壞等因素。

3.1 潤滑條件

在拆解、檢查軸承過程中，觀察到其內(nèi)部潤滑油狀態(tài)出現(xiàn)三種異?，F(xiàn)象，即油量嚴重不足、油品呈現(xiàn)黑色油泥狀、局部區(qū)域出現(xiàn)干涸。

首先，潤滑油量顯著減少表明潤滑系統(tǒng)可能存在缺陷，其中泄漏與供給不足是常見原因。進一步分析后發(fā)現(xiàn)密封件受損且邊緣間隙擴大，為潤滑油流失提供路徑。潤滑油量不足嚴重削弱其在軸承接觸面的潤滑效能，加劇軸承的摩擦與磨損。

其次，潤滑油轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏湍酄顒t是油品性能嚴重退化的直觀表現(xiàn)。這一現(xiàn)象由多重因素共同作用所產(chǎn)生，即氧化作用導致烴類成分分解，生成酸性物質(zhì)與炭黑等雜質(zhì)；運行環(huán)境中的塵埃、水分等污染物侵入，與潤滑油中的添加劑、金屬微?；旌?，加速油品變質(zhì)。這些不溶物與分解產(chǎn)物相互結(jié)合，最終形成黑色油泥。油泥的存在不僅降低潤滑油的潤滑性能，還可能對軸承材料產(chǎn)生腐蝕與進一步磨損。

最后，潤滑油部分干涸現(xiàn)象揭示其在極端運行條件下的不穩(wěn)定性。這可能是因為潤滑油在高溫、高負荷等嚴苛條件下迅速蒸發(fā)或燃燒，導致油量急劇減少；也可能是因為在長期運行后，潤滑油未能得到及時補充，逐漸被耗盡。干涸的潤滑油無法形成有效的潤滑膜，導致軸承表面直接接觸，從而產(chǎn)生劇烈的摩擦與磨損，嚴重影響軸承的正常運行與壽命。

3.2 運行環(huán)境惡劣

在檢查過程中，發(fā)現(xiàn)減速機殼體、軸承端蓋、軸承表面均出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，從多個角度探討其成因。

首先，從材料科學角度進行分析，高溫環(huán)境會加速材料表面氧化過程。在高溫條件下，金屬原子會與空氣中的氧氣發(fā)生反應，形成氧化層。盡管減速機采用鑄鐵材料，具有一定耐腐蝕性，但長期暴露在高溫環(huán)境中，氧化層生成速率會顯著加快，導致材料表面性能下降。

其次，機械力學因素也是導致點蝕的重要原因。在減速機運行過程中，軸承承受著復雜的動態(tài)載荷，包括交變應力、沖擊載荷等。這些載荷會導致材料表面產(chǎn)生微觀裂紋或缺陷，為腐蝕介質(zhì)的侵入提供通道。

最后，從潤滑與摩擦學角度來看，高溫高濕環(huán)境對潤滑油性能產(chǎn)生不利影響。高溫加速了潤滑油的氧化分解，產(chǎn)生酸性物質(zhì)和沉淀物，這些物質(zhì)附著在材料表面，形成腐蝕層。同時，高濕環(huán)境可能導致潤滑油中的水分含量增加，降低其潤滑性能，加劇部件間的磨損。

3.3 疲勞破壞

軸承疲勞破壞是機械系統(tǒng)中一個常見且關(guān)鍵的問題，直接關(guān)系到設備的可靠性和安全性。在檢查過程中，發(fā)現(xiàn)軸承外圈存在明顯裂紋，這是疲勞破壞初期跡象，而裂紋形成源于材料內(nèi)部的微觀缺陷或應力集中點。隨著載荷的持續(xù)作用，裂紋尖端發(fā)生塑性變形，形成疲勞條紋或海灘紋，這是疲勞裂紋擴展的典型標志。

4 預防性維護

冷卻塔減速機預防性維護策略作為一種前瞻性的管理舉措，其核心目標是保障設備維持連續(xù)且穩(wěn)定的運行狀態(tài)，使故障引起的停機時間最小化，實現(xiàn)生產(chǎn)效率的顯著提升。

4.1 預防性維護的重要性

預防性維護（Preventive Maintenance，PM）是一種基于設備當前狀態(tài)及歷史運行數(shù)據(jù)進行深入分析，通過系統(tǒng)性規(guī)劃，并執(zhí)行檢查、維護作業(yè)及適時更換關(guān)鍵組件的策略，可以預防設備故障的發(fā)生［9］。針對冷卻塔減速機，實施預防性維護策略能顯著延長其使用壽命、有效遏制突發(fā)故障、削減維修成本以及全面提升設備的可靠性及安全性。

4.2 冷卻塔減速機的預防性維護措施

4.2.1 定期檢查與評估。定期監(jiān)測。借助振動分析、溫度監(jiān)控、油液分析等先進的診斷技術(shù)，對減速機運行狀態(tài)實施周期性的監(jiān)測，及時捕捉并識別潛在的故障預警信號。性能評估。根據(jù)減速機的歷史運行數(shù)據(jù)，進行綜合比對與分析，評估其性能變化趨勢，進而識別出性能衰退的早期跡象，為提前采取必要的維護措施提供科學依據(jù)。

4.2.2 清潔與潤滑。清潔保養(yǎng)。定期清潔減速機的外殼和內(nèi)部部件，去除積塵和油污，保持設備的清潔度。潤滑管理。定期檢查潤滑油的質(zhì)量和油位，及時更換老化和污染的潤滑油，確保潤滑系統(tǒng)的正常運行。

4.2.3 部件檢查與更換。軸承檢查。定期檢查軸承的磨損情況、潤滑狀態(tài)和密封性能，發(fā)現(xiàn)異常及時更換。傳動部件。檢查皮帶輪、傳動皮帶磨損情況，確保傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。密封件。檢查減速機的密封件是否完好，防止漏油和滲水現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2.4 記錄與分析。維護記錄。建立完善的維護記錄系統(tǒng)，記錄每次檢查、保養(yǎng)和維修的詳細情況，包括時間、內(nèi)容、結(jié)果和采取的措施等。數(shù)據(jù)分析。定期對維護記錄進行統(tǒng)計分析，識別出故障發(fā)生的規(guī)律和趨勢，為后續(xù)的預防性維護提供數(shù)據(jù)支持。

4.3 實施預防性維護后的效果評估

通過對比分析預防性維護措施實施前后的設備故障率、維修成本及運行效率等關(guān)鍵指標的變化，設備故障率減少約45%、維修成本減少約30%，可以客觀評估維護策略的有效性。此外，根據(jù)評估反饋，適時調(diào)整并優(yōu)化維護策略，靈活應對冷卻塔運行狀況及環(huán)境因素變動。

5 結(jié)語

鑒于冷卻塔減速機獨特的工作環(huán)境及眾多潛在的影響因素，其故障頻發(fā)是一個突出問題。為此，加強預防性維護工作可以在萌芽階段解決故障，不僅能有效減少后續(xù)維修成本，還能顯著提升系統(tǒng)的整體運行效能。此外，對布水系統(tǒng)、淋水填料、冷卻水處理等周期性的維護任務，也要給予足夠的關(guān)注與重視，確保各項維護措施得以妥善執(zhí)行。

參考文獻：

［1］莊培堯.建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究［J］.黑龍江科學，2023，14（20）：72-74，80.

［2］于靜，劉飛.新型節(jié)水消霧冷卻塔技術(shù)應用與研究［J］.能源科技，2024，22（5）：94-96.

［3］杜海萍.冷卻塔風機故障分析及預防措施［J］.機械工程與自動化，2018（4）：207-209.

［4］湯志剛.武漢某大型醫(yī)院的能耗分析及節(jié)能管理措施研究［J］.中國設備工程，2021（12）：5-6.

［5］高陽洋，孟凡兵.電廠余熱利用和節(jié)能技術(shù)在蘭州奧體中心應用分析［J］.建筑熱能通風空調(diào)，2021，40（7）：78-81.

［6］衛(wèi)國慶.風機軸承發(fā)熱的原因及處理方法［J］.設備管理與維修，2021（19）：69-70.

［7］趙書顯，張曉鳳，鄺浩銀.軸流式風機軸承失效分析［J］.河南科技，2024，51（15）：26-30.

［8］余志剛.輥子內(nèi)置軸承失效分析及應對措施研究［J］.中國機械，2023（14）：27-30.

［9］劉宏飛.設備管理中的預防性維護策略研究［J］.模具制造，2024，24（8）：228-230.