1、设备概述
某厂异构脱蜡装置循环氢压缩机由变频电机驱动，其中压缩机型式为BCL407，额定转速为11700r/min，入口压力为2.21MPa（G），出口压力为4.64MPa（G），转子一阶临界转速为5696 r/min，轴振动报警门限为63.5μm，轴振动联锁停机值为89μm。变速箱由高、低速齿轮组成，其中小齿轮齿数为39齿，大齿轮齿数为157齿，其轴振动报警值为50.8μm，联锁停机值为75.8μm。变速箱高速轴两端轴承处各有2个测振点，低速轴上未安装测振传感器。机组布置及结构参照图1，图2。
图1 机组总貌图
图2 齿轮箱内部结构照片
2、故障现象
机组于2018年5月份机组完成空负荷试车，随后一直处于停机状态。于2019年3月15日正式带负荷运转，在机组投负荷过程中，现场人员发现机组在运行过程中存在异响，仔细分辨，声音是从齿轮箱内发出来的。查看DCS系统上各设备的振值，压缩机各通道振值最大才12μm左右，齿轮箱振值最大在25μm左右，幅值都不高。因设备存在异常响声，用户决定安装SG8000在线监测系统，对机组问题进行定位和分析。
图3 齿轮箱振动趋势图
3、故障分析
2019年3月17日，SG8000系统安装完成，对机组振动数据进行实时采集，在此期间机组未停机。从振动趋势图上看，压缩机、变速箱各通道轴振动值确实较低，但查看各振动通道的波形频谱图，发现变速箱四个通道内的频率分布存在明显的分数谐波，即0.5X,1.5X,2.5X等频率成分，且各成分幅值占比均比较高，此为明显的异常振动频率。而压缩机各通道频率分布相对比较正常，虽有少许低频但幅值不高，可能是由变速箱传递而来。
图4 变速箱高速轴频谱图
图5 压缩机频谱图
频率成分分布异常，但设备总体的轴振值不高，建议现场人员利用离线仪或者手持测振仪测量设备的壳振情况。现场测量后，反馈结果如下：压缩机两端轴承座振动保持在1.5mm/s以下，变速箱低速轴水平方向振动在2.1-3.0mm/s左右，垂直方向振动在1.2mm/s-2.1mm/s，轴向振动在3.5mm/s-5.5mm/s，齿轮箱的壳振值相对较高，且振值达到了D区。由此基本可以断定，齿轮箱存在设备问题导致机组运行时出现了异常响声。
结合从在线监测系统上获得的频率分布，初步分析齿轮箱内部存在动静件全周摩擦现象。结合设备结构特点，推测摩擦可能在转子和轴封处，下图中圆圈处。
图6 齿轮箱结构图
但观察2天后，机组异常响声和频谱图中的分数谐波成分仍然存在，该变速箱轴端采密封用的是普通的铝制密封，若是转子与密封摩擦，当间隙适当后，一般摩擦现象会自行消失，所以由此基本可以排除内部摩擦的可能性。
在仔细查看变速箱各通道的波形图，波形上存在较为明显的周期性的冲击现象，并且重复性很强。通过几天的观察，发现当转速/负荷提高时，冲击的波峰明显有上涨的趋势，对应的振动幅值也有小幅增加。在结合所测得的壳振值，怀疑问题可能出在齿轮啮合方面。
图7 变速箱高速轴波形图
导致齿轮啮合不良的原因包括：齿轮齿面存在损伤缺陷、异物粘接或者齿轮存在轴向串动，导致啮合时产生冲击现象。经与现场人员交流，在之前空载试车完成后，曾对齿轮齿面进行过拆检，没有发现有损伤、断齿等现象，而机组运行时间较短，因此疲劳断裂的可能性比较小；在之前检查的时候，齿面上也没有发现异物粘接的现象，但重新运行以后，箱体里存在的铁屑或者其它杂质还是有可能附着在齿面上，导致啮合冲击，但以往遇到过类似现象都是以1倍频和啮合频率为主；在结合现场所测的壳振值，始终是轴向振动比较大，判断可能为转子轴向间隙较大，致使转子轴向存在串动，导致齿轮啮合不良，产生冲击现象。图纸要求，小齿轮两推力盘间隙为0.2-0.3mm，停机后需重点检查该尺寸值。
诊断建议：
转子轴向间隙偏大，致使转子轴向存在串动，导致齿轮啮合不良。鉴于设备当前所测得的壳振值较高，运行中存在异常噪音，而且随着负荷的增加，轴振值和壳振值均有上涨迹象，建议尽早停机对齿轮箱进行拆解检查。停机后，重点检查推力盘间隙，检查推力盘瓢摆情况，判断是否存在松动。再仔细检查、清理各齿面，并对齿面做无损探伤检测。
4、故障处理
鉴于设备存在明显异常，且有劣化的趋势，在多次建议用户停机检修后，机组于4月7日停机，将齿轮箱返厂拆解。经拆检后发现，齿轮齿面较为完好，无断齿或异物粘接的情况。但发现小齿轮盲端推力盘存在明显松动现象，复测其推力间隙值在0.5mm以上，且在大齿轮端面多处存在明显磕碰的痕迹。由此验证，变速箱内异响的来源是由于小齿轮上推力盘存在松动现象，致使轴向推力间隙变大，小齿轮轴向存在串动，特别是在转速或负荷提高后，齿轮啮合产生了冲击现象。
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图8 齿轮箱拆解检修情况
对小齿轮的推力盘进行重新加工、装配后，机组重新运行，变速箱运行平稳，未在出现异常响声，频谱图中频率成分分布正常。
图9 重新运转后齿轮箱振动趋势图
图10 重新运转后齿轮箱波形频谱图
