某近海供應(yīng)船齒輪箱PTO軸斷裂分析及改進(jìn)

周曉梅，黃將興，戴宏長，沈 先

（杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州311203）

0 引言

船舶傳動裝置是用于水上船舶動力傳動系統(tǒng)中的重要裝置，它與柴油機(jī)、螺旋槳相匹配，構(gòu)成船舶的主推進(jìn)系統(tǒng)。船用齒輪箱作為船舶傳動裝置在運(yùn)行過程中需要絕對的安全可靠，其失效概率應(yīng)在1%以下，僅次于飛機(jī)、航天器［1］。其在海洋石油領(lǐng)域的市場前景廣闊，但由于工況非常復(fù)雜，使用環(huán)境十分惡劣，為確保海洋平臺安全，實(shí)踐中對船舶設(shè)備的選用要求很高。

近海供應(yīng)船用齒輪箱有兩個(gè)輸出：一個(gè)為主輸出，與可調(diào)槳聯(lián)接，作為主推進(jìn)；另一個(gè)為輔助輸出（PTO），PTO 軸通過一個(gè)高彈性聯(lián)軸器與軸帶發(fā)電機(jī)聯(lián)接。該齒輪箱在運(yùn)行過程中突然發(fā)生PTO 軸斷軸事故，PTO作為高速軸斷裂之后連同高彈的主動部分朝外飛出，嚴(yán)重影響了船舶的安全和正常運(yùn)行。

本研究針對這一問題，從力學(xué)分析、材料金相組織分析及現(xiàn)場的軸系同軸度測量等幾個(gè)方面開展研究。并對該問題提出具體的改進(jìn)措施。從幾方面的考慮來消除斷軸事件的再次發(fā)生，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

1 船用齒輪箱PTO 軸斷裂原因分析

PTO軸斷裂局部示意圖如圖1所示。

圖1 PTO軸斷裂局部示意圖

1.1 高彈與電機(jī)的同軸度測量

PTO軸斷裂事故發(fā)生之后，本研究首先對PTO法蘭和電機(jī)法蘭的軸線對中進(jìn)行檢查，實(shí)測徑向跳動為2.64 mm，端面跳動為0.25 mm，高彈使用說明書規(guī)定：徑向跳動允差0.5 mm，軸向跳動允差±0.50 mm，徑向跳動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了高彈使用說明書中的要求。

1.2 PTO軸受力分析

PTO部件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本研究對PTO部件進(jìn)行受力分析。

圖2 PTO部件結(jié)構(gòu)圖

下面就分析一下當(dāng)高彈損壞之后的受力情況。此時(shí)軸還是在高速旋轉(zhuǎn)，這樣就有了一個(gè)懸臂負(fù)載，由材料力學(xué)可知，在懸臂負(fù)載作用下，軸的左端會發(fā)生彎曲變形，從而在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，離心力會迫使彎曲變形加大，或斷裂或達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，而在新的平衡點(diǎn)又可能會疲勞斷裂。

當(dāng)懸臂負(fù)載的離心力和軸的重力方向一致時(shí)，軸的變形最大。由材料力學(xué)公式可得軸端的變形協(xié)調(diào)方程［2］：

其中：

將以上數(shù)據(jù)代入式（1），可得：

r=2.097×10-4m

在A截面上，與扭矩T對應(yīng)的剪應(yīng)力在邊緣各點(diǎn)上達(dá)到極大值，其值為：

圖3 剪應(yīng)力正應(yīng)力分布圖

沿截面的直徑D1D2，剪應(yīng)力和正應(yīng)力的分布如圖3所示［3］。D1，D2兩點(diǎn)上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力與邊緣上其他各點(diǎn)相同，而彎曲正應(yīng)力為極值，故這兩點(diǎn)是危險(xiǎn)點(diǎn)。

研究者只要分析D1，D2兩點(diǎn)中一點(diǎn)的應(yīng)力就可以了，以D1為例，D2點(diǎn)是二向應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)材料力學(xué)可求得D1點(diǎn)的兩個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2：

已知W t=πd3/16，W=πd3/32，由式（2，3）可得：

將式（5）代入式（4），可得：

在這樣的循環(huán)應(yīng)力作用之下，并且在應(yīng)力集中的影響之下，軸在A處沉割槽處，慢慢疲勞斷裂［4］。

1.3 PTO軸材料成分及機(jī)械性能分析

本研究對斷軸的化學(xué)成分和機(jī)械性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果如表1、表2所示。從表1、表2中可以看出，材料的化學(xué)成分滿足要求，機(jī)械性能良好［5-6］。

1.4 PTO軸斷裂原因分析

該P(yáng)TO軸正常工作時(shí)以傳遞扭矩為主，彎矩作用很小，正常斷裂時(shí)形成棘輪狀疲勞斷口。但從零件的實(shí)際斷口可以看到：零件初始斷裂區(qū)約為15 mm寬的半月形彎扭裂紋擴(kuò)展區(qū)，有貝紋花樣，初期的裂紋沿45°方向擴(kuò)展，很快轉(zhuǎn)向圓周方向擴(kuò)展，其擴(kuò)展面與軸承擋圈槽根部的一圈約5 mm 的斷裂帶相交，形成明顯的交界峰，以提示該件工作時(shí)扭矩較大同時(shí)有彎矩作用，這與軸系對中檢驗(yàn)的實(shí)測徑向跳動為2.64 mm有關(guān)系。因?yàn)檩S線偏移會產(chǎn)生彎矩，同時(shí)會增大扭矩。PTO 輸出軸承內(nèi)圈滾道局部壓損提示在工作過程中軸承未咬死［7］，直到中心2/3截面折斷的瞬間產(chǎn)生軸承內(nèi)圈滾道局部壓損，同時(shí)在半月形彎扭裂紋擴(kuò)展區(qū)產(chǎn)生少量擦傷痕跡，在軸承側(cè)25 mm寬的半月形裂紋擴(kuò)展區(qū)受壓向外擠出。高彈從動板連接螺栓脫落或螺栓孔撕裂，螺栓孔壁有螺紋壓痕，高強(qiáng)度螺栓上的螺紋壓潰，以提示在工作過程中高彈從動板連接逐步松動，引起部分螺栓過載失效，同時(shí)滑動的彈性體繞固定的彈性體轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致軸線進(jìn)一步偏移，附加彎扭矩增加，PTO軸的裂紋逐步擴(kuò)展。當(dāng)螺栓脫落引起彈性體撕裂時(shí)，軸線偏移10°以上，巨大的彎曲力導(dǎo)致中心約2/3 截面瞬間折斷，巨大的離心力導(dǎo)致PTO 聯(lián)軸節(jié)、短軸和高彈的連接體飛出［8］。

通過對斷軸進(jìn)行分析可知，軸失效可能由以下幾方面的原因引起：

（1）安裝不同心可能導(dǎo)致的斷軸問題。安裝時(shí)嚴(yán)格按高彈的要求來進(jìn)行對中，如果超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行時(shí)就會產(chǎn)生很大的軸向力，而聯(lián)軸器只能緩沖一部分的作用力，其余的力就會對軸的壽命進(jìn)行破壞。

（2）發(fā)電機(jī)安裝底座剛度不夠或者是船體變形導(dǎo)致的不同心。安裝發(fā)電機(jī)的底座要是沒有足夠的剛度，在運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)將會發(fā)生振動，船體變形將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)和齒輪箱之間的嚴(yán)重偏心，從而導(dǎo)致齒輪箱承受額外的交變應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸的失效。

（3）由于系統(tǒng)共振引起的軸斷裂。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，齒輪箱在該處的軸將受到一個(gè)較大的徑向力F，而同時(shí)PTO軸又在高速轉(zhuǎn)動，此時(shí)高速軸就受到一個(gè)交變應(yīng)力的作用，從而產(chǎn)生疲勞斷裂。

（4）軸化學(xué)成分或熱處理沒達(dá)到要求而引起軸的失效。由檢驗(yàn)結(jié)果可知，這一原因不存在。

根據(jù)以上的原因分析可知，PTO軸系對中嚴(yán)重超差，是引起斷軸的一個(gè)主要原因。在PTO軸系對中嚴(yán)重超差的工況下，將引起高彈從動板連接松動，導(dǎo)致軸線更大的偏移，加速斷軸。

表1 斷軸化學(xué)成分檢驗(yàn)

表2 斷軸機(jī)械性能檢驗(yàn)

2 PTO 軸改進(jìn)的措施

為了把設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)降低至最低程度，本研究對一切可能存在的隱患進(jìn)行了逐一消除，并采取了以下5個(gè)措施：

（1）按高彈安裝對中要求，重新調(diào)整軸系。由于安裝和船體變形帶來的高彈與齒輪箱軸的偏心為實(shí)測徑向跳動2.64 mm，端面跳動0.25 mm。實(shí)測徑向跳動和端面跳動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了高彈性安裝聯(lián)軸器使用說明書中規(guī)定的要求。齒輪箱修復(fù)時(shí)本研究嚴(yán)格按高彈性安裝聯(lián)軸器使用說明書中規(guī)定的要求來進(jìn)行對中，取消了因?qū)χ胁缓枚o系統(tǒng)帶來的附加載荷，消除了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）改進(jìn)高彈從動板連接螺栓。選用GB/T5782-2000 光桿螺栓替代GB/T5783-2000 全螺紋螺栓，采用螺栓緊固膠防松。

（3）在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)允許的情況下，增加PTO 軸的直徑，進(jìn)一步提高PTO 軸的抗彎能力；同時(shí)在該處取消了沉割槽，以提高軸的強(qiáng)度［9］。

（4）提高高彈從動板連接螺栓的強(qiáng)度，進(jìn)一步采取防松措施。建議用戶對螺栓涂防松膠。

（5）把高彈和齒輪箱之間的短軸加到高彈和發(fā)電機(jī)之間，以防萬一高彈損壞之后，保證大部分慣量連在被動端并能很快地停止轉(zhuǎn)動。另外，由雙排改成單排，整體重量減輕了。

3 結(jié)束語

重要的大型設(shè)備若在使用中引起損壞，將給企業(yè)帶來嚴(yán)重的損失，因此，工作人員在平時(shí)使用過程中要加強(qiáng)設(shè)備的定期檢查，包括噪音、振動量、溫度等。設(shè)備出現(xiàn)故障有一個(gè)過程，有預(yù)兆性，其中最先表現(xiàn)的就是噪音，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備噪音大時(shí)，說明有振動，應(yīng)該及時(shí)查找原因，通常是地腳螺栓松動產(chǎn)生振動［10］，另外就是溫升，聯(lián)軸器的溫升將引起失效。這些情況如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取一些措施，就能避免重大故障的發(fā)生。

本研究針對船用齒輪箱PTO斷軸情況，進(jìn)行了力學(xué)等幾個(gè)方面的分析，并提出了改進(jìn)措施，消除了斷軸隱患。經(jīng)上述方法改進(jìn)之后的齒輪箱已經(jīng)實(shí)際使用了一年多，使用情況良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

（References）：

［1］陳鐘奇.船用齒輪箱設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)手冊［K］.杭州齒輪箱廠，1990.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［3］徐芝綸.彈性力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］趙少汴.多軸疲勞的應(yīng)變-壽命曲線［J］.機(jī)械強(qiáng)度，1996，21（4）：305-306.

［5］龍振宇.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化工工業(yè)出版社，2002.

［7］王 濰.42CrMo 鋼疲勞短裂紋演化行為及疲勞壽命預(yù)測的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2008.

［8］王 弘.40Cr、50車軸鋼超高周疲勞性能研究及疲勞斷裂機(jī)理探討［D］.西安：西安交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，2004.

［9］鐘 良，忻宏耿.大功率齒輪箱的幾個(gè)設(shè)計(jì)問題［J］.拖拉機(jī)，1989（4）：6-12.

［10］路建偉，李俊平，連頂峰，等.減速機(jī)軸斷裂的分析與預(yù)防［J］.金屬世界，2007（6）：14-16.