挤压造粒机辅助齿轮箱振动原因分析与处理

陈洪桥

（南京扬子检维修有限责任公司，江苏南京210048）

挤压造粒机辅助齿轮箱振动原因分析与处理

陈洪桥

（南京扬子检维修有限责任公司，江苏南京210048）

挤压造粒机辅助齿轮箱振动，解体检查，齿轮箱内SL184930轴承损坏，滚珠变形，滚道出现凹坑，轴承内外表面干涩，轴颈表面金属层剥落。

挤压造粒机；齿轮箱；超越离合器；振动分析

0 概述

挤压造粒机组是公司级控制关键机组，是由德国WP公司引进的ZSK300型双螺杆挤压造粒机，用于PP粉末的熔融混炼和造粒，该机组由主电机、齿轮箱（减速机）、混炼机、水下切粒机、电、汽加热系统、润滑系统、仪表控制系统等组成，其主要组成及技术参数见表1。其中齿轮箱由主齿轮箱和辅助齿轮箱组成。主齿轮箱主要是在机组正常运行的状态下使用，辅助齿轮箱是在机组停车后或开车前用于机组的低速盘车。辅助齿轮箱（图1）是通过4组传动齿轮实现3级减速，其输出轴是空心轴，主齿轮箱600#轴穿过空心轴与辅助齿轮箱连接，通过超越离合器实现动力传递。挤压造粒机组主电机功率3150 kW，转速1480 r/min；混炼机螺杆直径Φ300 mm，长度5041 mm，螺杆转速153 r/min，额定转矩13 000 N·m，速比9.68；切粒机转速800～900 r/min，功率72 kW。辅助齿轮箱内部见图1。

1 故障现象

造粒机组辅助齿轮箱较大振动，振动幅度呈摆动状态，机组无法正常运行而停车检修。从振动现象上判断[1]，主齿轮箱600#轴出现弯曲的可能性比较大，否则不会出现如此之大的摆动幅度，但是600#轴最小轴径也有150 mm，常温下若产生弯曲，除非受到非常大的外界作用力。从结构上分析，600#轴所承受的外力仅为辅助齿轮箱的重量，不足以导致600#轴弯曲。再就是轴颈上出现了高温，轴颈在高温和外力的共同作用下发生了弯曲变形。

打开辅助齿轮箱及主齿轮箱600#轴进行检查，齿轮轴及轴承未发现问题，对主齿轮箱600#轴内部及外侧打跳动值，也在正常范围以内。解体辅助齿轮箱，拆卸检查超越离合器，均未发现问题。打开600#轴与辅助齿轮箱连接处的轴承压盖，发现支撑轴承（型号SL184930）颜色异常。进一步解体检查，将600#轴从辅助齿轮箱内抽出，发现SL184930轴承已经完全损坏，滚珠变形，滚道出现很深的凹坑，整个轴承内外表面干涩，显然是受到高温烘烤所致。拆卸轴承后检查轴颈，轴颈表面金属层剥落，轴承有跑内圈迹象（图2）。对安装在辅助齿轮箱内部的600#轴部分进行弯曲度的检查，在轴承烧损处出现很大的弯曲量，与拆前判断轴有弯曲的观点吻合。检查辅助齿轮箱内润滑油，油位高度处于溢流口位置，符合要求。

图1 辅助齿轮箱内部照片

2 原因分析

2.1 辅助齿轮箱的结构及工作原理

辅助齿轮箱内部有4根传动轴，分别由2个轴承支撑；600#轴连接主齿轮箱与辅助齿轮箱，轴上总共有4个轴承，其中2个轴承安装在主齿轮箱内部，伸出主齿轮箱的部分穿过辅助齿轮箱的空心轴与辅助齿轮箱连接，在辅助齿轮箱空心轴的内部也有2个轴承，非驱动侧即为SL184930轴承，驱动侧安装超越离合器和另一支撑轴承。辅助齿轮箱工作时，空心轴带动超越离合器连同600#轴一起旋转实现动力传递，此时SL184930轴承内外圈一起旋转，轴承仅起支撑作用；主齿轮箱正常工作时，600#轴旋转，超越离合器在这种转向下不传递动力，此时辅助齿轮箱不工作，SL184930轴承外圈不动内圈旋转，轴承正常工作。

2.2 根据轴承损坏的表象分析辅助齿轮箱振动故障产生过程[2]

辅助齿轮箱空心轴内的SL184930轴承在缺油状态下，由600#轴驱动高速旋转，产生高温，将滚珠表面仅存的少量润滑油蒸干，轴承表面显现出无润滑油的状态，润滑条件进一步恶化，轴承温度进一步升高，滚珠膨胀无法正常旋转，滚珠由滚动摩擦转变成滑动摩擦，轴承在滑动摩擦下温度急剧上升，内圈膨胀，轴承内外圈抱死无法正常运转，进而造成轴承内圈与轴产生相对滑动（轴承跑内圈）现象。轴承内圈与轴摩擦产生高温，轴变软，在外力的作用下发生弯曲，从而引起辅助齿轮箱的大幅度振动。若在造粒机组主齿轮箱启动之前，SL184930轴承已出现损坏且运转不畅，经过一段时间的运行，也会引起上面所述故障产生过程的一系列现象，但是在日常的状态监测中，并未发现辅助齿轮箱振动逐渐变大的情况，初次停车之前也未出现辅助齿轮箱的异常振动情况，因此推论轴承的损坏应该是在启动主齿轮箱正常开车之后发生的。根据开车前的故障监测可知，主齿轮箱启动之初，辅助齿轮箱并未出现异常振动的状况，证明振动故障出现前SL184930轴承是正常的。

2.3 造成滚动轴承损坏的主要原因

轴承工作环境变化（如润滑不良等），轴承安装不当（如轴承游隙调整不当、无轴向窜量等），轴承本身质量问题，轴承选型不当，轴承到达使用寿命周期。

2.4 滚动轴承损坏的原因分析

因为故障出现之前，虽然做过检修，但是并未动到SL184930轴承，且以往运转都正常，故不存在选型或安装不当的问题。轴承已经使用了很长时间，不存在轴承本身质量的问题。因此，造成轴承损坏的原因极有可能是轴承已经到了使用的寿命周期或轴承的工作环境改变。轴承到了使用寿命周期出现故障的概率极小（轴承更换仅有2年），并且通过日常的状态监测是可以测量出来的，因为在日常的状态监测中并未发现振动逐渐增大的情况，所以基本可以排除轴承到达正常使用寿命周期的情况。因此，只有轴承的工作环境发生了变化。一般轴承损坏，最有可能的原因就是轴承润滑不良。

2.5 辅助齿轮箱的润滑方式及过程

图3 辅助齿轮箱进油口及溢流口

辅助齿轮箱的进油口是超越离合器端盖盖板中心上的油孔（图3），润滑油经由1根油管从主齿轮箱上引入，依次流经外侧轴承及超越离合器，进入辅助齿轮箱内，直至油位达到一定高度后溢出，由下方的回油管流入主齿轮箱。首先得到润滑的就是超越离合器外侧的轴承，其次就是超越离合器。在油位达到溢流的高度后，辅助齿轮箱内大部分轴承都可以实现浸油润滑，但仍有部分轴承浸不到油中，包括辅助齿轮箱输入轴2个轴承和空心轴内部的SL184930轴承。辅助齿轮箱输入轴2个轴承因与油箱内部直接相通，且暴露面积较大，在辅助齿轮箱运转起来后即可获得充分的溅油润滑，并且辅助齿轮箱转速较低，输入轴负载较小，即使得不到充分润滑，短时间内也不容易出现故障。辅助齿轮箱空心轴内部的SL184930轴承，虽然有油孔直接通往油箱内部，但即使油箱油位达到溢流高度，仍然无法得到浸油润滑，只有依靠辅助齿轮箱长时间的运转由第三级齿轮甩起的油通过油孔进入轴承内部，润滑量较少。辅助齿轮箱工作时，600#轴通过超越离合器与辅助齿轮箱空心轴合为一个整体，同时旋转，此时SL184930轴承仅起到支撑作用，滚珠相对轴承呈静止状态，可不需要润滑。机组正常运转时，主齿轮箱600#轴带动SL184930轴承内圈高速旋转，而辅助齿轮箱空心输出轴是不工作的，此时SL184930轴承正常工作，需要提供正常的润滑，在此工作状态下，超越离合器旋转带起的润滑油，通过安装在轴上的泵油螺旋将油泵入SL184930轴承，以实现轴承的润滑。

2.6 造成SL184930轴承缺油的可能原因

（1）主齿轮箱启动前，辅助齿轮箱内无润滑油或油位过低，通过辅机的盘车工作，SL184930轴承无法获得足够的油润滑。

（2）主齿轮箱启动后，因辅助齿轮箱内无润滑油或油位过低，SL184930轴承无法通过超越离合器的旋转和安装在600#轴上的泵油螺旋获得足够的润滑（图4）。

（3）安装在600#轴上的泵油螺旋不起作用，无法实现正常的泵油润滑。

（4）以上3种原因可能会同时发生。

2.7 造成辅助齿轮箱内无润滑油或油位过低的可能原因

（1）辅助齿轮箱的进油管堵塞，无法实现正常的供油。

（2）溢流管过低，辅助齿轮箱内油位无法达到正常工作的油位。

（3）油运时间过短，辅助齿轮箱内还未储存足够的润滑油。

2.8 造成辅助齿轮箱内无润滑油或油位过低的原因分析

故障出现前，曾经停车更换辅助齿轮箱的超越离合器，检修过程需要排净辅助齿轮箱内部润滑油。出现故障后重新解体辅助齿轮箱，检查油位正常，说明进油管并未堵塞；检查溢流管，也处于正常的高度。但是考虑到初次检修时的环境温度，连续数天气温都在零度以下，出现油温过低、油黏稠度增加的可能性较大，这就给辅助齿轮箱的注油增加了难度，注油速度比正常温度时要慢的多，这也属于进油管堵塞的一种现象，若仍按照正常油运时间操作，就会出现油位较低的情况，而如果在这种油位较低的情况下启动主齿轮箱，必然会造成SL184930轴承的缺油损坏。但是这种油管堵塞的现象会随着开车时间的增长而缓解，因为正常开车过程中只要油泵不停，其油温就会不断的上升，最终注油正常，事后检查油管和油位时，也不会发现问题。因此，温度较低的情况下，油运时间过短或按照正常油运时间开车，极有可能出现油箱内油位过低的情况，导致问题出现。

2.9 600#轴上泵油螺旋的分析

从设备的润滑机理上来说，个人认为安装在600#轴上的泵油螺旋，其旋向是错误的。按照目前的螺旋旋向，其泵油位置是螺旋前面的超越离合器，而超越离合器本身就是浸油润滑，无需额外供油；从另一个方面来讲，主齿轮箱运行后，螺旋后方实际上是无油可提供。而相反，其后方的SL184930轴承却需要大量的润滑油提供润滑。日常开车未出现过类似故障的原因可能是正常开车后，会有大量的润滑油会以不同的形式进入SL184930轴承，即使螺旋将油泵出，但仍有少量的润滑油起作用，轴承不会因此损坏。

3 分析结果

出现设备故障的原因：初次检修中，辅助齿轮箱内的润滑油已经放尽，设备油运过程中，因为气温较低，润滑油黏度大，供往辅助齿轮箱内的润滑油油路不畅，速度较慢，油位没有在预定时间内到达正常高度，而生产上急于开车，没有适当延长油运时间，导致辅助齿轮箱内部油位过低，无法实现SL184930轴承的正常供油，因此造成轴承缺油损坏，继而造成600#轴的弯曲，引起辅助齿轮箱的大幅振动。

4 解决措施

（1）按照正常的开车程序进行。设备油运→辅机盘车→主机开车，遇到气温较低的季节，设备油运及辅机盘车的时间适当加长，以提高油温，确保各处油路通畅，保证各部轴承的正常润滑。

（2）建议增加回油管的高度，以实现对SL184930轴承的浸油润滑。

（3）建议改变泵油螺旋的旋向，以增大对SL184930轴承的供油量。

（4）定期进行设备的状态检测，发现问题及时处理。

（5）可考虑改进润滑方式（如目前先进的油雾润滑）来实现所有的轴承的浸油润滑。

5 结束语

通过对辅助齿轮箱的解体检查，找到了引起设备振动的原因，通过对辅助齿轮箱内部结构及润滑机理的分析，了解到辅助齿轮箱内部各个部件的工作状态以及设备内最易损坏的部件，还发现设备内部原有的设计缺陷以及外部环境温度对设备润滑的影响，并提出了解决问题的方法。

图4 安装在600#轴上的泵油螺旋

［1］屈梁生，何正嘉.机械故障诊断学[M].上海：上海科学技术出版社，1986.

［2］鲍明，赵淳生.齿轮箱故障诊断技术的研究[J].南京：南京航空学院学报，1992（5）：566-573.

〔编辑 凌瑞〕

TH6

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.14