船用齒輪箱故障分析與管理對(duì)策

中國(guó)船級(jí)社浙江分社 賈建雄 陶力義

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船用齒輪箱故障分析與管理對(duì)策

中國(guó)船級(jí)社浙江分社 賈建雄 陶力義

摘要：介紹船用齒輪箱組成及其原理，針對(duì)故障分析原因。A船新機(jī)試車時(shí)就發(fā)生齒輪整體斷裂，分析有關(guān)材料中的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究判斷。從B船齒輪箱滑油溫度持續(xù)升高的現(xiàn)象中分析出故障原因?yàn)殡x合活塞內(nèi)凹圈與從動(dòng)輪的間隙不夠。最后提出相應(yīng)的安裝和維護(hù)對(duì)策，對(duì)船舶建造和運(yùn)營(yíng)管理有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：船用齒輪箱；故障；船舶

相比散貨船、油船而言，集裝箱船往往具有更加強(qiáng)勁的動(dòng)力，有更嚴(yán)格的班次要求和時(shí)間限制，這就大大提高了對(duì)設(shè)備的可靠性要求。減速齒輪箱是中小型集裝箱船上必備的設(shè)備，其故障應(yīng)引起高度重視。

一、事故情況

案例1：A船為一艘1 113 TEU的集裝箱船，主機(jī)功率3 906 kW，齒輪箱型號(hào)為GWC70.85，減速比為5.579 8：1。2013年，齒輪箱在船舶建造期間安裝完成后首次試驗(yàn)時(shí)，發(fā)出一聲巨響并伴隨持續(xù)的噪聲和劇烈振動(dòng)。齒輪箱立即由生產(chǎn)廠家檢拆，發(fā)現(xiàn)低速軸端直徑600mm大齒輪徑向劈裂。

案例2：B船為一艘558 TEU的集裝箱船，主機(jī)功率2 560 kW，齒輪箱型號(hào)為GWC60.66，減速比為4：1，該船于2015年初交船。在投入營(yíng)運(yùn)后不久，發(fā)現(xiàn)正車時(shí)齒輪箱滑油溫度有持續(xù)升高的現(xiàn)象，正常值應(yīng)為40 ℃左右，故障時(shí)甚至大于80℃；離合器打滑，后發(fā)展為倒車時(shí)滑油溫度過(guò)高。經(jīng)船上拆解，發(fā)現(xiàn)離合器活塞（即“壓緊盤”，以下統(tǒng)稱“活塞”）（見(jiàn)圖1）已經(jīng)嚴(yán)重磨損，活塞的壓緊端面和整個(gè)圓周面磨損超過(guò)0.5mm，活塞和摩擦片上鐵屑遍布。

二、齒輪箱介紹［1］

齒輪箱是機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，其主要由齒輪軸承、軸、箱體等組成。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎在各式機(jī)電系統(tǒng)中都可以看到。齒輪箱有加速和減速功能，統(tǒng)稱變速功能；有改變傳動(dòng)方向功能，即用兩個(gè)扇形齒輪可以將力垂直從一根軸傳遞到另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸；有改變轉(zhuǎn)動(dòng)力矩功能，同等功率條件下，速度轉(zhuǎn)得越快的齒輪，軸所受的力矩越小，反之就越大；有離合功能，即可以通過(guò)分開(kāi)兩個(gè)原本嚙合的齒輪，達(dá)到把發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載分開(kāi)的目的；有分配動(dòng)力功能，如近海供應(yīng)船主機(jī)輸出端通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)PTO、對(duì)外消防泵、推進(jìn)螺旋槳等。

圖1 離合器的活塞（壓緊盤）

船舶齒輪箱與主推進(jìn)柴油機(jī)、螺旋槳軸匹配，與螺旋槳一道，構(gòu)成船舶主推進(jìn)系統(tǒng)，是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要裝置。船用減速齒輪箱可以有效提高傳動(dòng)系統(tǒng)綜合性能：一是提高推進(jìn)效率，可以使螺旋槳更充分地吸收主機(jī)功率，增加螺旋槳的推力，達(dá)到節(jié)能和提高經(jīng)濟(jì)效益的效果；二是改善船舶操作性能，裝有可逆轉(zhuǎn)齒輪箱，可由齒輪箱換向，齒輪箱換向比主機(jī)換向更可靠、更靈活，能更好地保護(hù)主機(jī)，延長(zhǎng)主機(jī)壽命。

三、GW系列船用齒輪箱及其原理

本文所述GW系列船用減速齒輪箱，與中高速柴油機(jī)推進(jìn)裝置匹配，實(shí)現(xiàn)正倒車、離合、減速等操作。它體積小但性能強(qiáng)大，當(dāng)其減速比從2到6，輸入轉(zhuǎn)速?gòu)?60 r/min到1 800 r/min，其傳扭能力從0.38到46.2馬力/r·min-1，具體數(shù)值由中心距和減速比確定。GW系列齒輪箱共六種不同的結(jié)構(gòu)形式，四種可逆轉(zhuǎn)減速齒輪箱和兩種離合減速齒輪箱，每種齒輪箱按其中心距的大小雙可分為11個(gè)型號(hào)；根據(jù)輸入輸出軸的相對(duì)位置的不同，其又有同心和偏心兩種形式。為了降低成本和減少備件，GW系列采用模件可組成不同結(jié)構(gòu)的形式的變型產(chǎn)品。本文所遇到的GWC齒輪箱采用濕式粉末冶金摩擦片作為摩擦元件，有正倒兩個(gè)離合器，帶排力矩大小相等、方向相反，可以相互抵銷。

船用齒輪箱及齒輪換向器的工作原理：主要使用功率較大的船用倒順齒輪，順車時(shí)，順車油腔進(jìn)油，活塞在油壓下壓緊順車摩擦片，動(dòng)力由順車齒輪傳到從動(dòng)軸而實(shí)現(xiàn)順車。倒車時(shí)，倒車油腔進(jìn)油，活塞在油壓作用下壓緊倒車摩擦片，動(dòng)力由倒車齒輪通過(guò)介輪傳到從動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)倒車?？哲嚂r(shí)，倒順車油腔均不進(jìn)油，油泵輸出的油通過(guò)限壓閥直接流回油池，此時(shí)依靠活塞上的6件彈簧片（見(jiàn)圖2）產(chǎn)生的彈力使其復(fù)位，而使兩組摩擦片（共21片，嚙合主動(dòng)齒的一組11片，嚙合從動(dòng)齒的一組10片）處于放松狀態(tài)，從動(dòng)軸不隨主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。

GW系列齒輪箱的主要特點(diǎn)為：

（1）具有離合、減速、承受螺旋槳推力的功能；

（2）產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，配置輔助功率輸出（PTO）、輔助動(dòng)力輸入（PTI）等功能；

圖2 壓緊盤上的彈簧片

（3）具有多種結(jié)構(gòu)形式，滿足機(jī)艙布置要求；

（4）具有成熟可靠的液壓控制系列，滿足齒輪箱的工況及多離合器的控制要求；

（5）采用機(jī)械及自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)齒輪箱機(jī)旁應(yīng)急操縱及遠(yuǎn)程操控；

（6）可根據(jù)需要在齒輪箱輸出前端安裝CPP配油器；

（7）離合器為粉末冶金摩擦片組成的多片式摩擦離合器，采用液壓操作，通過(guò)齒輪箱上二級(jí)壓力控制閥使離合器接排平穩(wěn)；

（8）供油系統(tǒng)的特點(diǎn)為，齒輪箱不需要單獨(dú)設(shè)立油箱，而將下箱體底部作為油池，并設(shè)油液防濺板，即使在齒輪箱相當(dāng)傾斜時(shí)也能保證油泵不吸空。

四、故障原因分析和解決

針對(duì)A船的GWC70.85齒輪箱大齒輪徑向劈裂的情況，廠方進(jìn)行了全方位的分析。造成齒輪劈裂的直接原因是主動(dòng)輪的作用力和從動(dòng)輪的反作用力都通過(guò)接觸點(diǎn)分別作用在對(duì)方的齒輪上，此時(shí)若齒輪突然過(guò)載就可能會(huì)超負(fù)荷造成突然斷裂；若非突然斷裂，齒輪重復(fù)受過(guò)載力，造成應(yīng)力集中，也會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂。齒輪斷裂在斜齒輪和寬直齒齒輪上發(fā)生較多。［2］但是齒輪設(shè)計(jì)時(shí)就已對(duì)其工作的復(fù)雜性進(jìn)行了充分考慮，所以還需揭示其劈裂的本質(zhì)：

1.材料成分和機(jī)械性能

大型齒輪的材料，尤其是化學(xué)元素的成分，直接決定材料的力學(xué)性能。當(dāng)然，齒輪鍛件的熱處理對(duì)其力學(xué)性能影響也至關(guān)重要。經(jīng)對(duì)齒輪的化學(xué)成分進(jìn)行化驗(yàn)和力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 齒輪化學(xué)成分分析%

表2 齒輪機(jī)械性能

從表2可見(jiàn)，抗拉強(qiáng)度和屈服極限都偏低。為何如此？從齒輪的加工工藝入手分析。齒輪的加工工藝一般為：選料→金加工→熱處理→磨孔。在這里，熱處理環(huán)節(jié)是影響齒輪性能的重要環(huán)節(jié)，如熱處理的殘余應(yīng)力控制不當(dāng)，會(huì)引起鋼件在一定時(shí)間后或在隨后的切削加工中產(chǎn)生變形或裂紋（當(dāng)殘余應(yīng)力大于RP02時(shí)會(huì)引起工件的變形，當(dāng)殘余應(yīng)力大于Rm時(shí)會(huì)引起工件的開(kāi)裂）；殘余應(yīng)力作用在淬火件中心，會(huì)引起鋼件的橫斷和劈裂；淬火后鋼件會(huì)變硬但同時(shí)變脆；回火不及時(shí)會(huì)使鋼件發(fā)生變形甚至開(kāi)裂。這些因素都埋下了齒輪開(kāi)裂的隱患。經(jīng)過(guò)對(duì)損害齒輪的拉伸試驗(yàn)，確實(shí)發(fā)現(xiàn)Rm和RP02偏低。

2.制造及裝配

齒輪在制造過(guò)程中，由于刀具、車床的誤差及其安裝不當(dāng)?shù)仍?，可能造成齒輪產(chǎn)生偏心、周節(jié)誤差、基節(jié)誤差、齒形誤差等。此外，在裝配過(guò)程中，由于裝配技術(shù)和裝配方法等原因，齒輪會(huì)產(chǎn)生一端受力、裝配偏差、不平衡等情形。這些情況可能會(huì)造成齒輪負(fù)荷不均、磨損甚至劈裂。

3.機(jī)械振動(dòng)

齒輪振動(dòng)產(chǎn)生的根源是激勵(lì)的存在，研究表明內(nèi)部激勵(lì)是研究齒輪振動(dòng)的重點(diǎn)，［3］內(nèi)部激勵(lì)即齒輪嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，［4］包括剛度激勵(lì)、嚙合沖擊激勵(lì)、誤差激勵(lì)、輪齒損傷激勵(lì)等。由于激勵(lì)的存在，導(dǎo)致齒輪嚙合過(guò)程中的不平穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊和振動(dòng)的產(chǎn)生。齒輪振動(dòng)有多重形式，最主要為嚙合振動(dòng)，它是由于嚙合副在力的作用下，使齒的彎曲量發(fā)生變化，導(dǎo)致齒在嚙入和嚙出的過(guò)程中，齒輪之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。如果當(dāng)外部力或者缺陷等引起的振動(dòng)達(dá)到一定程度，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)激起齒輪箱體發(fā)生共振。當(dāng)共振發(fā)生時(shí)，齒輪將受到一個(gè)較大的徑向力，從而會(huì)產(chǎn)生劈裂。

綜合分析以上的三大原因，本案例中大齒輪徑向裂開(kāi)的首要原因是金屬材料熱處理不當(dāng)。

針對(duì)B船GWC60.66齒輪箱油溫持續(xù)升高，離合器打滑的現(xiàn)象，廠方將其拆解后，發(fā)現(xiàn)離合器活塞已經(jīng)磨壞，磨損超過(guò)0.5mm，活塞和摩擦片上鐵屑遍布。從現(xiàn)象上看，摩擦片之間存在明顯的打滑跡象，且活塞內(nèi)凹圈與從動(dòng)齒輪存在明顯的受力接觸。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活塞處于原始位置時(shí)，內(nèi)凹槽與從動(dòng)輪之間的間隙小于6mm，而活塞的行程設(shè)計(jì)值是6mm。

所以結(jié)論大致確定是活塞內(nèi)凹圈與從動(dòng)齒輪的端向間隙不夠（見(jiàn)圖3），當(dāng)活塞走完6mm的行程去壓緊21個(gè)摩擦片時(shí)，內(nèi)凹圈已頂住了從動(dòng)齒輪，外凸圈（見(jiàn)圖4）卻無(wú)法壓緊摩擦片（本該壓緊）。因此，兩組（共21個(gè)）摩擦片之間打滑（似轉(zhuǎn)非轉(zhuǎn)），內(nèi)凹圈跟著從動(dòng)齒輪也似轉(zhuǎn)非轉(zhuǎn)（本不該轉(zhuǎn)），結(jié)果磨壞了活塞的端面和外周面，潤(rùn)滑油的溫度持續(xù)升高。正車工況工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所以油溫高被更早發(fā)現(xiàn)了。按照這樣的思路去解決的話，仍需要狀態(tài)監(jiān)控以驗(yàn)證修復(fù)結(jié)果。

圖3 活塞的內(nèi)凹圈和外凸圈

針對(duì)故障原因更換了活塞，調(diào)整了內(nèi)凹圈與從動(dòng)齒輪的端向間隙。調(diào)整的過(guò)程是：銑薄從動(dòng)齒輪上的調(diào)整墊圈（見(jiàn)圖5），總的減少量為7mm，以此改變從動(dòng)齒輪的位置，使從動(dòng)齒輪離開(kāi)內(nèi)凹圈更遠(yuǎn)（由原來(lái)的4mm變成11mm）。經(jīng)核實(shí)，是裝配時(shí)錯(cuò)誤安裝調(diào)整墊片導(dǎo)致的。

圖4 從動(dòng)齒輪和摩擦片

圖5 調(diào)整墊圈

這樣，當(dāng)執(zhí)行命令時(shí)，活塞走完6mm的行程后，內(nèi)凹圈與從動(dòng)齒輪的間隙保持在11mm（原來(lái)只有4mm），此時(shí)外凸圈已經(jīng)有效地壓緊了21個(gè)摩擦片，使離合器與活塞緊密貼合（高效傳遞動(dòng)力）。相反在分離時(shí)，依靠活塞上6件彈簧片（見(jiàn)圖3）產(chǎn)生的彈力使壓緊盤復(fù)位，離合器也徹底分離（不傳遞動(dòng)力），此時(shí)兩組摩擦片處于分離狀態(tài)，從動(dòng)軸不隨主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》［5］第3篇11.3.4.1要求：采用摩擦元件的離合器，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不應(yīng)有打滑現(xiàn)象；在空車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其帶排扭矩不應(yīng)使與其連接的推進(jìn)軸系有帶轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

故障初步修復(fù)后，對(duì)齒輪箱進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)由國(guó)際知名第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)頻譜測(cè)量分析（見(jiàn)圖6～13），測(cè)量均在H向上進(jìn)行。因?yàn)檎駝?dòng)頻譜測(cè)量和分析是公認(rèn)的狀態(tài)監(jiān)控的有力工具。［6］

頻譜分析報(bào)告的結(jié)論是：“振動(dòng)光譜表明，主要頻率，在每一點(diǎn)，運(yùn)行速度頻率及其諧波加速度包絡(luò)光譜，沒(méi)有明顯的軸承故障頻率和其他異常頻率。主機(jī)齒輪箱振動(dòng)正常?！?/p>

圖6 1S處輸入軸振動(dòng)測(cè)量

圖7 2S處正向輸入軸振動(dòng)測(cè)量

圖8 2S處正向輸出軸振動(dòng)測(cè)量

圖9 2S處反向輸入軸振動(dòng)測(cè)量

圖10 2S處反向輸出軸振動(dòng)測(cè)量

圖11 3S處輸出軸振動(dòng)測(cè)量

圖12 齒輪箱及傳動(dòng)原理示意圖

圖13 齒輪箱（測(cè)量）示意圖

五、建造和管理對(duì)策

良好的齒輪箱應(yīng)該是：（1）達(dá)到熱平衡時(shí)，齒輪箱的溫度應(yīng)低于設(shè)計(jì)要求；（2）滑油壓力應(yīng)符合要求，濾器進(jìn)出口壓差低于0.15 MPa；（3）空車時(shí)無(wú)帶排現(xiàn)象；（4）離合器接排平穩(wěn)、柔和、無(wú)沖擊；（5）運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)異響和嚴(yán)重噪音；（6）不漏油漏水。

在船上，齒輪箱工作是否良好，首先要根據(jù)現(xiàn)象去判斷。出現(xiàn)故障時(shí)要從兩方面入手發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，即機(jī)械和油路系統(tǒng)。

在建造和管理中，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)制造中應(yīng)精確控制公差、控制安裝精度、優(yōu)化工藝，從源頭上減少潛在故障源；主要零部件的材料熱處理要特別重視。

（2）船舶建造期間，齒輪箱安裝要按規(guī)范及廠方規(guī)定進(jìn)行；應(yīng)按照規(guī)定進(jìn)行空轉(zhuǎn)試驗(yàn)（一般不小于4h），核查運(yùn)轉(zhuǎn)、溫度、功耗等情況；軸承溫度控制在80 ℃以內(nèi)，溫升小于40 ℃。

（3）嚴(yán)格進(jìn)行軸系校中，確保齒輪箱兩端與軸系的對(duì)中。齒輪箱大齒輪前后軸承負(fù)荷差、軸系各軸的附加彎曲應(yīng)力等是軸系合理校中的限制條件。重視軸系校中，是齒輪箱長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的重要保證。制造廠規(guī)定了校中時(shí)施加到柴油機(jī)曲軸上的熱態(tài)和冷態(tài)的彎矩及剪力值，船舶設(shè)計(jì)單位應(yīng)確保：①主推進(jìn)軸系的校中，使軸系在熱態(tài)情況下具有合理的軸承反力和軸彎曲力矩；②要使軸承的數(shù)量及其布置正確合理，以減少船體變形或軸承磨損對(duì)齒輪箱內(nèi)齒輪產(chǎn)生的影響。

（4）狀態(tài)監(jiān)控（振動(dòng)頻譜測(cè)量）也是很必要的驗(yàn)證環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，如果齒輪箱軸承或齒輪出現(xiàn)故障特征頻率時(shí)，及時(shí)分析處理。

（5）應(yīng)該經(jīng)常檢查潤(rùn)滑部位是否達(dá)到潤(rùn)滑效果，以及潤(rùn)滑劑有無(wú)雜質(zhì)，是否失效，并重點(diǎn)監(jiān)控滑油溫度。

（6）檢查滑油過(guò)濾器的雜質(zhì)，通過(guò)觀察初步判斷內(nèi)部的磨損情況。定期進(jìn)行滑油的色譜分析，進(jìn)一步根據(jù)滑油的雜質(zhì)來(lái)掌握磨損。

（7）對(duì)本體重要部位的溫度進(jìn)行監(jiān)視，通過(guò)超溫度及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

六、結(jié)束語(yǔ)

由于海況的復(fù)雜性和設(shè)備的長(zhǎng)久運(yùn)行，故障的產(chǎn)生是難免的。這就需要在設(shè)備制造、安裝環(huán)節(jié)中嚴(yán)格控制、精益求精，在運(yùn)行管理中做到胸有成竹，一旦出現(xiàn)故障，能正確分析定位，及時(shí)排除故障。

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DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.01.009