進(jìn)口空壓機(jī)大功率高速齒輪箱國產(chǎn)化實(shí)踐總結(jié)

楊瑜亮/南京鋼鐵聯(lián)合有限公司制氧廠

李楠/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

進(jìn)口空壓機(jī)大功率高速齒輪箱國產(chǎn)化實(shí)踐總結(jié)

楊瑜亮/南京鋼鐵聯(lián)合有限公司制氧廠

李楠/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

1 概述

高速齒輪箱作為大型空分設(shè)備原料空壓機(jī)的關(guān)鍵部機(jī)，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中，齒輪箱設(shè)計(jì)壽命大于壓縮機(jī)本身使用壽命，尤其是進(jìn)口大型壓縮機(jī)配套齒輪箱，其整體使用性能優(yōu)于國內(nèi)水平。但是受各種不確定因素（安裝、使用、維護(hù)等）影響，齒輪箱在實(shí)際使用過程中可能發(fā)生不可預(yù)見的失效現(xiàn)象。

南京鋼鐵聯(lián)合有限公司（以下簡稱：南鋼）2#制氧機(jī)于2005年12月28日正式投產(chǎn)使用，其配套原料空壓機(jī)為國外某公司制造的RIK80-4型單軸壓縮機(jī)，額定轉(zhuǎn)速7 489r/min，額定功率11 000kW，額定電流691A，額定氣量111 000m3/h，出口工作壓力5.20 bar。其增速齒輪箱為配套BHS（福伊特）公司高速平行軸齒輪箱，代號(hào)HC63-2。與主機(jī)一起從國外進(jìn)口。2010年12月根據(jù)生產(chǎn)要求機(jī)組安排大修，在對(duì)增速器拆蓋檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪各嚙合面上出現(xiàn)不均勻的凹坑，大小1～2mm之間，并且齒輪邊緣部分剝落，請(qǐng)?jiān)瓘S家判斷可能為電腐蝕，具體原因需送到德國工廠進(jìn)行確認(rèn)。由于生產(chǎn)不允許送出檢測(cè)，隨后邀請(qǐng)國內(nèi)著名齒輪生產(chǎn)廠家（南高齒）技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)判斷為點(diǎn)蝕現(xiàn)象[1]。但對(duì)于齒輪能夠運(yùn)行多長時(shí)間，國內(nèi)、外專家均沒有明確答復(fù)，建議更換大小齒輪。利用2#制氧停產(chǎn)檢修機(jī)會(huì)再次檢查發(fā)現(xiàn)大齒輪嚙合線上有兩塊已剝落（大小5mm左右、深度3mm左右），表面情況相當(dāng)嚴(yán)重。本文對(duì)齒輪箱替代的前因后果做了相應(yīng)介紹和粗淺經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，共同探討相關(guān)技術(shù)。

2 原因分析及使用安全性評(píng)估

南鋼2#制氧空壓機(jī)自投產(chǎn)起，由于在正常運(yùn)行過程中空壓機(jī)電機(jī)電源進(jìn)線與軋鋼軋機(jī)掛在一起，當(dāng)軋軌過鋼時(shí)電壓突降導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)下降，進(jìn)而使高速齒輪帶動(dòng)低速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，使大齒輪從“主動(dòng)”變“從動(dòng)”，瞬間交變應(yīng)力加大，齒輪長期疲勞，壽命下降，點(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生。該情況維持大約1年多時(shí)間。后經(jīng)改造將空壓機(jī)進(jìn)線與軋鋼機(jī)分開。

由于點(diǎn)蝕發(fā)生只引起噪聲、振動(dòng)增大，并不立即導(dǎo)致不能工作的后果。從精密點(diǎn)檢（檢測(cè)點(diǎn)如圖1）數(shù)據(jù)對(duì)比（表1和表2）及頻譜分析[2]情況可以看出，部分振動(dòng)點(diǎn)有上升趨勢(shì)[3]，也印證了點(diǎn)蝕情況。

圖1 南鋼2#2萬制氧空壓機(jī)布置及測(cè)量點(diǎn)位置圖

表1 速度測(cè)量有效值（2～5kHz）各測(cè)量點(diǎn)情況對(duì)比表mm/s

表2 加速度測(cè)量有效值（2～20kHz）各測(cè)量點(diǎn)情況對(duì)比表mm/s

從上述速度與加速度測(cè)量振動(dòng)對(duì)照表可以看出，3個(gè)月期間齒輪箱振動(dòng)點(diǎn)均有所上升。速度值代表齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而加速度值代表齒輪箱的能量傳遞狀況。因此從以上分析得知，振動(dòng)能量主要集中在齒輪嚙合頻率上，且存在低速軸轉(zhuǎn)頻的弱調(diào)幅現(xiàn)象，說明引起嚙合不良的部位發(fā)生在低速軸輪齒上，齒輪箱齒輪嚙合情況相對(duì)變差[4]。根據(jù)大齒輪齒面情況綜合分析，認(rèn)為齒輪存在疲勞造成的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

3 國產(chǎn)化的條件及方案

雖然該齒輪箱可以通過監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)確定其使用狀況，但是對(duì)于其長期安全穩(wěn)定運(yùn)行不能完全得到保障。為保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，必須確保齒輪箱無任何潛在隱患，要對(duì)齒輪箱進(jìn)行國產(chǎn)化替代。

3.1 國產(chǎn)化條件

由于進(jìn)口備件制造周期長（一年以上），且費(fèi)用昂貴。目前，國內(nèi)齒輪箱制造水平已經(jīng)較前十年有較大進(jìn)步，關(guān)鍵性技術(shù)已基本掌握[5]。目前國內(nèi)已有少量進(jìn)口大型高速齒輪箱國產(chǎn)化替代的成功案例，雖然與我公司的額定功率、轉(zhuǎn)速不完全一樣，但有相應(yīng)成功經(jīng)驗(yàn)，并且費(fèi)用僅為進(jìn)口價(jià)格的1/4～1/3。

3.2 齒輪箱國產(chǎn)化替代方案

經(jīng)考察后選用南高齒作為制造廠商。其大功率高速齒輪箱的制造有相應(yīng)的業(yè)績可以借鑒。方案大致如下：

1）依據(jù)原裝技術(shù)圖紙及要求為南高齒提供齒輪箱運(yùn)行參數(shù)，制定齒輪箱振動(dòng)和潤滑標(biāo)準(zhǔn)。確定齒輪材質(zhì)、精度等級(jí)等；

2）齒輪的材料力學(xué)性能及熱處理需符合GB/T3077-1999和GB/T8539-2000的相關(guān)規(guī)定；

3）鑒于國內(nèi)精密鑄造技術(shù)限制，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次改造齒輪箱采用焊接式結(jié)構(gòu)[6]；

4）由于為整體替代，齒輪箱高低速軸伸出端與現(xiàn)場(chǎng)原聯(lián)軸器的配合嚴(yán)格按照原裝設(shè)備技術(shù)要求進(jìn)行（尤以高速錐軸半聯(lián)軸器為重）；

5）南高齒按南鋼所供圖紙對(duì)現(xiàn)場(chǎng)齒輪箱尺寸進(jìn)行復(fù)核，確定最終外形尺寸，并按確定外形尺寸生產(chǎn)。在南高齒制造、裝配完后，南鋼將高低速半聯(lián)軸器送到加工現(xiàn)場(chǎng)，以備與齒輪箱配鉸孔并進(jìn)行著色檢查、動(dòng)平衡試驗(yàn)及工廠空載試車等。

3.3 國產(chǎn)化齒輪箱結(jié)構(gòu)

原裝齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 進(jìn)口齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

國產(chǎn)化齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 國產(chǎn)化齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

1）對(duì)比兩種設(shè)計(jì)布局結(jié)構(gòu)圖可以看出：①與原裝進(jìn)口圖紙相比，南高齒齒輪箱軸承結(jié)構(gòu)形式為高速軸采用兩個(gè)徑向瓦，低速軸為徑向推力瓦組合；②進(jìn)口齒輪箱在設(shè)計(jì)中低速軸采用兩個(gè)徑向瓦與單獨(dú)一個(gè)可傾瓦推力軸承系統(tǒng)。承載能力要高于南高齒設(shè)計(jì)方案；③另外南高齒其箱體結(jié)構(gòu)采用焊接箱體，而進(jìn)口齒輪箱箱體采用鑄造箱體，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2）考慮到啟動(dòng)和停車過程中軸向力方向會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)中采用小齒輪軸設(shè)置雙面錐面推力盤結(jié)構(gòu)形式[7]。錐面推力盤可以代替止推軸承，達(dá)到降低軸承溫度，提高了齒輪箱傳動(dòng)效率，同時(shí)制造方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、功率損失小。理論依據(jù)為錐面推力盤與大齒輪間產(chǎn)生有滑動(dòng)的相對(duì)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，容易產(chǎn)生動(dòng)壓油膜，是線接觸。而止推軸承是利用軸端與軸瓦兩端面之間的楔形間隙形成液體動(dòng)壓油膜，是面接觸。

其實(shí)進(jìn)口齒輪箱也設(shè)有錐面推力盤結(jié)構(gòu)，只是尺寸比南高齒齒輪箱小。兩者結(jié)合運(yùn)行中穩(wěn)定性更好。

3）經(jīng)過對(duì)原齒輪箱齒寬數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，如果按原圖紙齒輪尺寸，南高齒齒輪箱的設(shè)計(jì)負(fù)荷將小于額定負(fù)荷。經(jīng)重新測(cè)算，南高齒設(shè)計(jì)人員將大齒輪有效齒寬加大至300mm，小齒輪有效齒寬加大至310mm，較原齒輪齒寬分別增加30mm。確保滿足負(fù)荷要求。同時(shí)依據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，齒寬增加后齒輪箱噪聲相對(duì)降低[8]。

4 替代過程

4.1 南高齒原設(shè)計(jì)方案實(shí)施過程

將新齒輪箱托運(yùn)回制氧廠現(xiàn)場(chǎng)。嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行安裝后，在單體試車時(shí)，一開機(jī)齒輪箱低速軸自由端軸承溫度就直接上升至100℃，緊急停車。經(jīng)處理軸承間隙數(shù)據(jù)[9]，再次試車軸承溫度正常。聯(lián)動(dòng)試車，開機(jī)后齒輪箱箱體振動(dòng)巨大，而壓縮機(jī)及電機(jī)振動(dòng)正常。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)（最大振動(dòng)47mm/s），主要能量源為軸向振動(dòng)。

停車后對(duì)齒輪箱開箱檢查，發(fā)現(xiàn)高速軸聯(lián)軸器端面跳動(dòng)最大0.3mm，進(jìn)行磨削修訂。同時(shí)大小齒輪均用齒輪精度測(cè)量儀進(jìn)行測(cè)量，重新進(jìn)行裝配、檢測(cè)和試驗(yàn)。試車各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本正常。

安裝及檢查過程嚴(yán)格按照大型齒輪箱技術(shù)要求[10]進(jìn)行。單體試車各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常。聯(lián)動(dòng)試車時(shí)開機(jī)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)振動(dòng)比修復(fù)前有所減小，但是箱體振動(dòng)依然很大，經(jīng)檢測(cè)振動(dòng)值最大為28mm/s，依然嚴(yán)重超標(biāo)，同樣也是壓縮機(jī)及電機(jī)振動(dòng)均正常；齒輪箱測(cè)振數(shù)據(jù)顯示增大趨勢(shì)明顯，隨后低速軸振動(dòng)值達(dá)50μm，再次測(cè)量箱體振動(dòng)已增加至修復(fù)前數(shù)值，確定齒輪箱無法使用，必須重新修改方案。

4.2 修改后設(shè)計(jì)方案及實(shí)施過程

4.2.1 經(jīng)過三次試車不成功，南鋼與南高齒技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)深入交流，理論聯(lián)系實(shí)際，最終確認(rèn)振動(dòng)大原因如下：

1）齒輪箱體強(qiáng)度不夠（振動(dòng)值從箱體底至上依次增大）；

2）箱體為焊接箱體，減振效果不理想（與1相互影響，與筋板布置位置等因素共同作用）；

3）高速軸動(dòng)平衡不平衡量大（精密點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)振動(dòng)能量主要為高速軸轉(zhuǎn)頻）；

4）外部軸向力對(duì)齒輪箱高速軸影響較大（設(shè)計(jì)中對(duì)外部軸向力考慮不充分）；

5）在設(shè)計(jì)過程中對(duì)齒輪箱的外部受力沒有充分考慮（壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)大的軸向力[11]），由于壓縮機(jī)本身轉(zhuǎn)子無推力軸承，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向力全部由齒輪箱低速端可傾瓦推力軸承承擔(dān)。但是在南高齒設(shè)計(jì)中，并沒有單獨(dú)設(shè)置推力軸承。而是在低速軸上設(shè)置徑向推力組合軸承，來承擔(dān)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向力。

綜合以上因素，決定對(duì)改造方案重新整改，內(nèi)容如下：

1）依據(jù)之前試車結(jié)果及提供的參考外部軸向力（外部軸向力由壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，按30 000N計(jì)算，方向由齒輪箱指向壓縮機(jī)）；

2）箱體整改：考慮到加工工藝及成本等各方面因素，箱體依舊采用焊接結(jié)構(gòu)；重新設(shè)計(jì)下箱體，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，在不影響安裝的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[12]。

a.所有箱板厚度增加；

b.下箱體筋板結(jié)構(gòu)重新優(yōu)化，增加齒輪箱下箱體抗振性；

c.高、低速軸瓦厚度、寬度增加，提升支撐性能；

d.推力盤厚度根據(jù)外部軸向力計(jì)算，提升推力盤承載力。

4.2.2 整改過程中的質(zhì)量控制

為了確保整改齒輪箱的制造及裝配質(zhì)量，提升一次性成功率，制氧廠在這次整改過程中嚴(yán)格監(jiān)督南高齒每一質(zhì)量控制要求，在齒輪箱整體零部件全部加工完成具備裝配條件前，前往南高齒進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查齒輪嚙合情況、齒輪推力面與推力盤接觸情況，大小齒輪動(dòng)平衡不平衡量結(jié)果等，確保各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 整改后齒輪箱裝配試車驗(yàn)收情況

經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查及確認(rèn)，整改后齒輪箱安裝后試車各項(xiàng)參數(shù)基本正常。試車運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)高速軸自由端兩只鉑電阻溫度一只顯示為87℃，另一只顯示為101℃，而輸出端溫度顯示均為81℃，同時(shí)壓縮機(jī)前軸承振動(dòng)值相比之前由15μm增大到20.1μm/19μm。而停機(jī)后高速軸自由端兩只溫度計(jì)顯示相同。判斷可能為①兩只鉑電阻本身有一只不準(zhǔn)②實(shí)際測(cè)量值不一致，需要開箱檢查確認(rèn)。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)高速軸在冷態(tài)下與自由端軸瓦下半瓦不接觸，測(cè)量間隙為0.12mm，結(jié)合空壓機(jī)原裝機(jī)組聯(lián)軸器對(duì)中技術(shù)要求（見圖4），齒輪箱比壓縮機(jī)中心高出0.46mm。當(dāng)剛性聯(lián)軸器連接后，高速軸自由端被迫發(fā)生“翹頭”現(xiàn)象，引起下半瓦不接觸，而同時(shí)輸出端下瓦被壓死造成下瓦巴氏合金輕微拉傷，最終決定將齒輪箱中心高度下調(diào)到比壓縮機(jī)高0.36mm。處理輸出端下瓦拉傷面后。安裝開機(jī)試車。運(yùn)行參數(shù)明顯恢復(fù)正常，（最高溫度顯示為90.6℃，壓縮機(jī)前軸承處振動(dòng)值恢復(fù)到12.2μm。達(dá)到設(shè)計(jì)要求和使用條件。設(shè)備投入正常運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 原裝機(jī)組聯(lián)軸器對(duì)中技術(shù)要求示意圖

利用一個(gè)多月后的停機(jī)機(jī)會(huì)開箱檢查各接觸面及嚙合情況良好。至此，歷時(shí)一年半的進(jìn)口大功率高速齒輪箱國產(chǎn)化替代取得成功。

5 改造前后齒輪箱性能對(duì)比

經(jīng)過南鋼技術(shù)人員在安裝、試車過程中多次調(diào)整，國產(chǎn)化齒輪箱試運(yùn)行數(shù)月，情況良好。軸承振動(dòng)、溫度、噪聲等各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，另外從統(tǒng)計(jì)能耗指標(biāo)看，國產(chǎn)化齒輪箱在正常負(fù)荷下運(yùn)行與原進(jìn)口齒輪箱能耗基本相當(dāng)。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見表3所示。

6 總結(jié)

1）壓縮機(jī)配套齒輪箱的設(shè)計(jì)及制造工藝復(fù)雜，其零部件選材及設(shè)計(jì)需充分考慮各方因素：外部受力情況影響、箱體設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、油路供油噴嘴對(duì)供油壓力影響、儀控測(cè)量設(shè)備的安裝準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及便利性。

2）替代過程中的關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)量控制要求對(duì)最終設(shè)備使用性能影響至關(guān)重要。大小齒輪動(dòng)平衡檢測(cè)，齒輪嚙合著色檢查情況、推力盤與齒輪推力面的著色接觸情況、軸瓦與軸的配合情況。試車過程中的振動(dòng)、溫度與供油壓力、流量等。

3）齒輪箱與壓縮機(jī)的同心度要求，依據(jù)技術(shù)要求理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行，切實(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

表3 改造前后空壓機(jī)齒輪箱各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比表

4）精密檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備試車及運(yùn)行中發(fā)揮著舉足輕重的作用，通過頻譜分析，可以方便地查找振動(dòng)源及能量傳遞路徑，查找設(shè)備缺陷，為工程技術(shù)人員分析故障原因提供科學(xué)依據(jù)。

5）該項(xiàng)國產(chǎn)化替代是南鋼歷史上經(jīng)歷曲折、技術(shù)含量最高、投入人力、物力最多，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大的一次大膽嘗試，為國內(nèi)進(jìn)口關(guān)鍵設(shè)備、零部件整體國產(chǎn)化提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐成果。同時(shí)大大降低設(shè)備采購費(fèi)用和供貨周期。（該項(xiàng)國產(chǎn)化成功替代直接降低采購費(fèi)用200萬元，同時(shí)正常供貨周期為進(jìn)口設(shè)備的一半）。

總之，進(jìn)口大功率高速齒輪箱能夠通過多方技術(shù)人員共同努力，替代進(jìn)口齒輪箱并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，已經(jīng)說明國內(nèi)具備制造高精度齒輪產(chǎn)品的水平加工制造，只是還需要在細(xì)節(jié)方面不斷提高：比如提高鑄造工藝水平，齒輪箱體振動(dòng)還將進(jìn)一步降低。進(jìn)口大功率齒輪箱及其配套產(chǎn)品國產(chǎn)化前景將十分廣闊。

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介紹了南鋼制氧廠2#制氧機(jī)配套進(jìn)口大型壓縮機(jī)齒輪箱點(diǎn)蝕情況，詳細(xì)描述了進(jìn)口大功率高速齒輪箱國產(chǎn)化替代的過程，分析替代過程中發(fā)生的各種異常現(xiàn)象，總結(jié)了替代成功的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制要點(diǎn)，提出國內(nèi)大功率高速齒輪箱生產(chǎn)、制造過程中應(yīng)注意的幾個(gè)問題和國產(chǎn)化發(fā)展前景。

大型離心壓縮機(jī)；高速齒輪箱；國產(chǎn)化；關(guān)鍵技術(shù)；質(zhì)量控制

The Practice Summary of Large Power High-speed Gearbox Domestic Alternative for Imported Centrifugal Air Compressor

Yang Yuliang/Oxygen Factory，Nanjing Iron＆amp;Steel United Co.，Ltd.
Li Nan/Shenyang Blower Works Group Corporation

large centrifugal compressor; high speed gearbox;localization;key technology;quality control

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）01-0083-06

10.16492/j.fjjs.2015.01.075

2014-06-28江蘇南京210035

Abstract：The pitting corrosion on high speed gearbox of Nisco’s 2#air separation unit is analyzed in this paper.The details of the nationalization alternative process on imported large power and high speed gear box is specified.Analysis of the causes of various abnormal phenomena in the process of substitution is carried out.The valuable experience,the key technology and key points of quality control on large power high speed gearbox of the domestic alternative process is summarized.Some problems concerning such a production and manufacturing process on domestic manufacturers and the development foreground of the domestic market in the future are prospected.