某船主機(jī)齒輪箱高溫故障的分析與排除

趙利家 ， 馮鐵樓

(1.大連遼南船廠, 遼寧 大連 116041； 2.大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室, 遼寧 大連 116041)

某船主機(jī)齒輪箱高溫故障的分析與排除

趙利家1， 馮鐵樓2

(1.大連遼南船廠, 遼寧 大連 116041； 2.大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室, 遼寧 大連 116041)

闡述了某船主機(jī)齒輪箱出現(xiàn)滑油溫度高故障的原因及排除方法，尤其是查找出冷卻器原始設(shè)計(jì)冷卻面積不足的隱性故障，為此型齒輪箱修理人員及船舶建造設(shè)計(jì)人員在日常工作中提供參考。

齒輪箱 摩擦片離合器 高溫 冷卻器 冷卻面積

1 前言

某船安裝主柴油機(jī)兩臺(tái)，減速齒輪箱兩臺(tái)，呈左右舷布置。柴油機(jī)型號(hào)為12PA6V-280，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。齒輪箱型號(hào)為GWH6066，傳動(dòng)比為3.5833∶1。該船自建造出廠后，就出現(xiàn)齒輪箱滑油溫度高現(xiàn)象，并在較長一段時(shí)間內(nèi)，左機(jī)齒輪箱一直處于溫度偏高狀態(tài)，直接影響運(yùn)行及設(shè)備使用安全。此次，該船處于中修階段，我們對(duì)齒輪箱進(jìn)行徹底拆檢排查，經(jīng)分析研究查找出摩擦片安裝順序錯(cuò)誤、冷卻器冷卻面積不足、摩擦片軸向間隙小及滑動(dòng)軸承間隙小等設(shè)計(jì)缺陷并給予排除。憑借同類型齒輪箱的修理經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)齒輪箱進(jìn)行了局部改進(jìn)性維修，解決了齒輪箱溫度高的問題。經(jīng)過此次修理，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，在此進(jìn)行總結(jié)，從而為修理該類型齒輪箱技術(shù)人員提供參考。

2 故障現(xiàn)象

該型齒輪箱接排轉(zhuǎn)速為450 r/min，在低轉(zhuǎn)速情況下，齒輪箱潤滑油壓力、工作壓力、滑油溫度、推力軸承溫度、支點(diǎn)軸承溫度及摩擦片離合器箱體處溫度均處于正常狀態(tài)。比較左右兩臺(tái)齒輪箱相同轉(zhuǎn)速下的各個(gè)參數(shù)，在負(fù)荷450 r/min、680 r/min、820 r/min工況時(shí)，左右齒輪箱工作各參數(shù)基本一致，在轉(zhuǎn)速加至920 r/min時(shí)，左、右齒輪箱溫度出現(xiàn)差異。具體數(shù)值如表1所示。

表1 預(yù)試時(shí)實(shí)測齒輪箱數(shù)據(jù)(左/右)

由表1可以看出，在高轉(zhuǎn)速時(shí)左齒輪箱的總體溫度要比右齒輪箱高十幾度。此外，在正車工況960 r/min時(shí)，用點(diǎn)溫計(jì)對(duì)齒輪箱輸入端箱體溫度進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，左齒輪箱離合器處箱體溫度為80℃，而右齒輪箱離合器處箱體溫度為62℃。

3 原因分析

首先我們先了解一下GWH6066型正倒車離合減速齒輪箱的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。齒輪箱由正、倒車離合器機(jī)構(gòu)和斜齒圓柱齒輪減速齒輪機(jī)構(gòu)組成，輸入軸與正車離合器殼體聯(lián)接，正車離合器殼體與正車空心齒輪軸通過內(nèi)外摩擦片聯(lián)接，正車空心齒輪軸上的齒輪與輸出軸上的齒輪相嚙合；正車離合器殼體上的主動(dòng)齒輪與倒車離合器殼體上的從動(dòng)齒輪嚙合，倒車離合器殼體通過內(nèi)外摩擦片與倒車空心齒輪軸聯(lián)接，倒車空心齒輪軸上的齒輪與輸出軸上的齒輪相嚙合。齒輪箱輸入端兩個(gè)支點(diǎn)軸承采用滾動(dòng)軸承，而輸出端兩個(gè)支點(diǎn)軸承采用滑動(dòng)軸承。

正、倒車離合機(jī)構(gòu)是由外摩擦鋼片和粉末冶金內(nèi)摩擦片組成的濕式摩擦離合器，采用液壓操縱，通過齒輪箱上二級(jí)壓力控制閥進(jìn)行離合操作。當(dāng)離合器需合上時(shí)，壓力油進(jìn)入油缸中，推動(dòng)活塞，將內(nèi)外摩擦片壓緊，從而帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)離合器需脫開時(shí)，停止供壓力油，作用在活塞上的油壓消失，活塞便靠彈簧的彈簧力和離心力恢復(fù)到原先位置。這時(shí)摩擦片之間不再壓緊，處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而會(huì)產(chǎn)生相對(duì)摩擦生熱，使油溫升高。該齒輪箱設(shè)置了冷卻器，依靠冷卻工作油對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行冷卻。

離合器上還裝有速泄閥，在脫開離合器后，該閥使離合器活塞能盡快返回原位。工作油切斷后，該閥活塞上的油壓消失，彈簧力和離心力迫使其返回到原來的位置，離合器油缸中的油液即可快速排出。

齒輪箱的工作狀態(tài)有三種，即正車、倒車和空車三種工作狀態(tài)。

正車：輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)正車離合器殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，而倒車離合器摩擦片脫開，倒車空心齒輪軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，只有離合器殼體轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)壓力油推動(dòng)活塞壓緊正車離合器摩擦片時(shí)，正車空心齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過輸出齒輪嚙合，就能帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。

倒車：輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正車離合器摩擦片脫開，正車空心齒輪軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，正車離合器殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪嚙合使倒車離合器殼體轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)壓力油推動(dòng)活塞壓緊倒車離合器摩擦片時(shí)，倒車空心齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過輸出齒輪嚙合，就能帶動(dòng)輸出軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)軸系反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

空車：正車和倒車離合器都脫排，不傳遞運(yùn)動(dòng)。而齒輪箱的故障帶排是指齒輪箱脫排以后輸出軸仍然轉(zhuǎn)動(dòng)，而且長時(shí)間不停。剛性故障帶排通常是由于裝配問題造成，如摩擦片總間隙偏小，活塞不靈活、返回彈簧損壞、摩擦片毛刺未清理干凈等，造成摩擦片半接半脫狀態(tài)。軟性故障帶排通常由于氣動(dòng)操縱閥泄漏，空車位置有少量工作油進(jìn)入離合器油缸內(nèi)，導(dǎo)致摩擦片呈半接半脫狀態(tài)[1]。

從該型齒輪箱的結(jié)構(gòu)及工作原理來分析，齒輪箱滑油溫度高是由下面幾個(gè)因素累積疊加所反映出來的。一是滑動(dòng)軸承本身由于異常磨損產(chǎn)生高溫；二是倒順車離合器中摩擦片組件異常摩擦產(chǎn)生高溫；三是齒輪箱滑油冷卻系統(tǒng)冷卻效果變差，導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走而使滑油溫度急劇升高；四是齒輪箱滑油系統(tǒng)管路及內(nèi)部油道不暢通導(dǎo)致潤滑油量不足造成部件熱量傳遞效果差。

根據(jù)上述分析，我們將齒輪箱吊運(yùn)回車間，全面分解，徹底排查。通過查閱GW型齒輪箱說明書、詢問船方以及現(xiàn)場對(duì)兩臺(tái)齒輪箱的比較，發(fā)現(xiàn)左齒輪箱存在如下六點(diǎn)缺陷：

(1) 齒輪箱離合器外摩擦片缺口位置放置錯(cuò)誤；

(2) 齒輪箱離合器摩擦片總間隙小于規(guī)定要求；

(3) 齒輪箱內(nèi)、外摩擦片疊放順序不符合工作原理；

(4) 齒輪箱輸出軸滑動(dòng)軸承環(huán)狀油孔有堵塞現(xiàn)象；

(5) 齒輪箱輸出軸承與軸間隙小；

(6) 齒輪箱冷卻器實(shí)際冷卻面積小于設(shè)計(jì)冷卻面積。

4 故障排查

4.1 離合器外摩擦片缺口位置放置錯(cuò)誤

齒輪箱離合器外摩擦片的外緣為鋸齒形，在外圓周上，均勻分布有六個(gè)缺口(每個(gè)缺口約2個(gè)齒距)，在離合器殼體內(nèi)齒上，亦均勻分布有六個(gè)缺口(每個(gè)缺口約2個(gè)齒距)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)判定，該缺口作用為當(dāng)正車離合器“接排”工作時(shí)，倒車離合器“脫排”，倒車離合器內(nèi)、外摩擦片處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。來自離合器內(nèi)齒輪軸的潤滑油潤滑完摩擦片后沿著這六個(gè)缺口的油孔將潤滑和冷卻摩擦片的潤滑油排出離合器，帶走摩擦片產(chǎn)生的熱量。因此在安裝時(shí)，外摩擦片缺口與離合器殼體內(nèi)齒缺口應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。而在拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)，離合器外摩擦片缺口與離合器殼體內(nèi)齒缺口沒有一一對(duì)應(yīng)，僅有兩個(gè)缺口重合，這樣就會(huì)導(dǎo)致倒車離合器“脫排”時(shí)，摩擦片間的潤滑和冷卻油不能及時(shí)排出，造成摩擦片溫度升高，間接導(dǎo)致齒輪箱滑油溫度升高。

4.2 齒輪箱離合器摩擦片總軸向間隙小

在拆卸階段，通過對(duì)左齒輪箱離合器摩擦片總軸向間隙進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，左齒輪箱離合器摩擦片總間隙為4.7 mm，而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定摩擦片總軸向間隙，正車離合器為5.5 mm～6.0 mm,倒車離合器為5.5 mm～6.0 mm。左齒輪箱摩擦片實(shí)際總間隙比規(guī)定間隙小1.3 mm。當(dāng)需要脫開離合器時(shí)，將工作油停掉，活塞不再承受壓力，復(fù)位彈簧將活塞推回原位，但由于摩擦片軸向間隙小，摩擦片之間存在似接觸而非接觸狀態(tài)，內(nèi)外摩擦片會(huì)產(chǎn)生相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，摩擦生熱使摩擦片溫度升高，熱量積聚來不及導(dǎo)出，導(dǎo)致滑油溫度升高，齒輪箱溫度也升高。

4.3 齒輪箱內(nèi)、外摩擦片疊放順序問題

GW系列齒輪箱離合器內(nèi)外摩擦片以交替順序安裝，由于內(nèi)外摩擦片數(shù)量多，在正車離合器工作時(shí)，增大摩擦力，傳遞更大的扭矩來滿足艦船高負(fù)荷運(yùn)行的需求。而在倒車離合器工作時(shí)，由于艦船所需負(fù)荷低，不需要傳遞較大的扭矩，這時(shí)需要的摩擦力也小，故內(nèi)外摩擦片組件數(shù)量也可減少一些。由于該齒輪箱倒車離合器現(xiàn)在的安裝方式，增加了內(nèi)外摩擦片組件數(shù)量。齒輪箱經(jīng)常處于正車狀態(tài)，倒車離合器中的內(nèi)、外摩擦片長期相對(duì)摩擦生熱，潤滑油不能及時(shí)把此熱量帶走，最終導(dǎo)致了滑油溫度升高。

4.4 齒輪箱輸出軸滑動(dòng)軸承環(huán)狀油孔堵塞

在拆卸修理階段，通過對(duì)左右齒輪箱結(jié)構(gòu)的比較，發(fā)現(xiàn)右齒輪箱輸出軸滑動(dòng)軸承上、下軸瓦上有細(xì)小油孔，上、下軸瓦各五個(gè)油孔，在軸承上成環(huán)狀均勻分布。經(jīng)分析，這些油孔的作用是將齒輪箱箱體內(nèi)部的潤滑油通過這十個(gè)油孔噴濺到齒輪箱推力軸承的推力面上，對(duì)推力塊進(jìn)行潤滑冷卻。右齒輪箱這十個(gè)油孔全部通暢，而左齒輪箱這十個(gè)油孔被盲堵封堵，起不到對(duì)推力塊進(jìn)行潤滑冷卻的作用。因此，也會(huì)導(dǎo)致齒輪箱滑油溫度升高。

4.5 齒輪箱輸出軸承與軸配合間隙小

通過查閱《船舶柴油機(jī)潤滑》可知，滑動(dòng)軸承屬于液體動(dòng)壓支承軸承，如果間隙適當(dāng)，軸頸和軸承之間有一定的偏心度，有利于建立承受負(fù)荷的油楔或油膜。如果間隙太大，軸承兩端的漏油就會(huì)過大，從而會(huì)降低油膜承受負(fù)荷的壓力。如果間隙太小，油楔也會(huì)較小，即使其他因素有利于建立油膜，但過小的間隙卻會(huì)妨礙軸頸在油膜上“浮動(dòng)”，摩擦面積增大，摩擦功率加大，摩擦產(chǎn)生的熱量增多，軸承溫度升高。油楔過小，滑油流動(dòng)性差，散熱效果差。通過分解齒輪箱，測量齒輪箱輸出軸直徑為φ 300 mm，測量滑動(dòng)軸承與軸配合間隙為0.20 mm，而標(biāo)準(zhǔn)要求軸徑在280 mm～320 mm范圍內(nèi)，滑動(dòng)軸承與軸配合間隙應(yīng)為0.36 mm～0.44 mm。實(shí)際間隙小于標(biāo)準(zhǔn)要求的間隙，因此滑動(dòng)軸承因摩擦產(chǎn)生的熱量增多，潤滑油來不及帶走熱量，迅速積聚使軸承溫度升高[2]。

4.6 齒輪箱冷卻器實(shí)際冷卻面積小于設(shè)計(jì)要求

該齒輪箱配備的冷卻器型號(hào)為CYLR10，冷卻器芯子規(guī)格為φ 220 mm×670 mm，銘牌參數(shù)規(guī)定冷卻面積為10 m2，工作壓力為0.6 MPa。

通過對(duì)齒輪箱冷卻器實(shí)際冷卻面積進(jìn)行測算可知，該冷卻器實(shí)際冷卻面積只有6 m2～7 m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的冷卻面積，其冷卻性能也遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，齒輪箱工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量無法被冷卻水及時(shí)帶走，而這是在冷卻器制造時(shí)產(chǎn)生的技術(shù)缺陷，別看銘牌上標(biāo)注的冷卻面積為10 m2，實(shí)際遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這樣在齒輪箱初期良好狀態(tài)時(shí)，冷卻器還可以勉強(qiáng)滿足換熱需求，當(dāng)齒輪箱經(jīng)過一段時(shí)間后，工作狀態(tài)不佳時(shí)，各部位額外產(chǎn)生的摩擦熱增加，冷卻器就不能及時(shí)將熱量帶走，熱量積聚，而使齒輪箱滑油溫度升高。更何況左齒輪箱內(nèi)還存在上述的技術(shù)缺陷，就不可避免地使齒輪箱的滑油溫度升高，而現(xiàn)有的冷卻器沒有設(shè)計(jì)余量，無法及時(shí)帶走滑油中的熱量，就使齒輪箱一直存在滑油溫度高甚至超過極限值的故障現(xiàn)象。

5 故障排除

5.1 調(diào)整離合器外摩擦片放置方式

調(diào)整齒輪箱離合器外摩擦片放置方式，將外摩擦片缺口與離合器殼體內(nèi)壁缺口一一對(duì)應(yīng)，使離合器在“脫排”工作時(shí)，潤滑油能夠快速從離合器中排出，從而能迅速帶走內(nèi)、外摩擦片相對(duì)摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量。

5.2 調(diào)整齒輪箱離合器摩擦片總間隙

測量內(nèi)外摩擦片厚度，通過調(diào)換內(nèi)摩擦片或磨削外摩擦片，將齒輪箱離合器摩擦片總軸向間隙控制在5.5 mm～6.0 mm之間，使內(nèi)外摩擦片相互脫開，減少摩擦所產(chǎn)生的熱量。

5.3 調(diào)整齒輪箱內(nèi)、外摩擦片疊放順序

原先齒輪箱倒車離合器外摩擦片疊裝方式是在各內(nèi)摩擦片中夾有兩片或一片外摩擦片，經(jīng)過分析研究及與齒輪箱生產(chǎn)廠家溝通，此方式不利于內(nèi)外摩擦片有效脫開而導(dǎo)致相互摩擦，通過改變倒車離合器外摩擦片的疊裝方式，將每組兩個(gè)外摩擦片的其中一個(gè)拿出均放置在離合器活塞的另一端，使內(nèi)外摩擦片有效分離，又不改變齒輪箱結(jié)構(gòu)尺寸，從而達(dá)到減小摩擦力的目的，降低摩擦片相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量。

5.4 疏通齒輪箱輸出軸滑動(dòng)軸承環(huán)狀油孔

打通齒輪箱輸出軸滑動(dòng)軸承環(huán)狀油孔，使得齒輪箱內(nèi)部的潤滑油能夠通過環(huán)狀油孔對(duì)推力瓦塊進(jìn)行潤滑冷卻，從而減少熱量的產(chǎn)生。

5.5 對(duì)齒輪箱輸出軸承進(jìn)行刮研

對(duì)齒輪箱輸出軸瓦進(jìn)行刮研修整，采用假軸(假軸直徑大于真軸直徑0.40 mm)看色、真軸驗(yàn)證的方式，軸瓦的接觸角為55°～60°，接觸面內(nèi)著色均勻，且25 mm×25 mm不少于3個(gè)油點(diǎn)，軸向接觸長度應(yīng)大于總長度的75%，瓦口處尺寸按規(guī)定要求刮研，保證形成合適的油楔。保證輸出軸承與軸的間隙為0.36 mm～0.44 mm之間，保證輸出軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.6 增大齒輪箱冷卻器冷卻面積

換新齒輪箱冷卻器，將冷卻面積加大到10 m2，使得齒輪箱冷卻效果更好，以利于能更好地帶走潤滑油的熱量，降低齒輪箱溫度。

6 結(jié)束語

此次修理，排除了齒輪箱諸多技術(shù)缺陷，徹底解決了該齒輪箱長期存在的滑油溫度高疑難問題，尤其是冷卻器冷卻面積不足的隱性缺陷，是以往修理中易忽略的細(xì)節(jié)。往往會(huì)認(rèn)為設(shè)計(jì)制造沒有問題，這易把分析思路引向誤區(qū)，這在今后的裝備修理過程中值得借鑒。

[1] 重慶齒輪箱有限責(zé)任公司.GW系列船用齒輪箱使用保養(yǎng)說明書[S].

[2] 朱建元.船舶柴油機(jī)[M].北京：人民交通出版社，1976.

Analysis and Elimination for High Temperature Failure of Gearbox Main Engine of Some Vessel

ZHAO Li-jia1， FENG Tie-lou2

(1.Dalian Liaonan Shipyard, Dalian Liaoning 116041, China； 2.Supervision Office of Equipment Repair, Dalian Liaoning 116041, China)

This paper expounds failure causes and elimination methods for high temperature of lubrication oil which presented in gearbox main engine of some vessel, especially the author find out the hidden failures of insufficient cooling area on the cooler′s original designing. That is very valuable for the persons participating in the repairing gearboxes of this type as well as the designers of shipbuilding.

Gearbox Friction clutch High temperature Cooler Cooling area

趙利家(1971-)，男，工程師。

U664

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