主推進(jìn)齒輪箱軸瓦高溫?zé)龎姆治黾罢?/h1>
2018-03-28 15:04:22周春雨周二紅
設(shè)備管理與維修 2018年3期
周春雨，周二紅
（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）
0 引言
某船采用的齒輪箱由齒輪箱本體（內(nèi)置推力軸承和離合器）、滑油系統(tǒng)、控制箱（含操縱面板）、儀表板、電動備用泵（滑油）、控制箱（滑油電動備用泵）組成。
齒輪箱通過高彈與主機(jī)相連，將主機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)檎{(diào)距槳所需的轉(zhuǎn)速，同時承受螺旋槳產(chǎn)生的正、倒車推力及扭矩，同時將主機(jī)的轉(zhuǎn)速變?yōu)檩S發(fā)電機(jī)和對外水泵所需的轉(zhuǎn)速，通過PTO（Power Take Off，軸帶發(fā)電機(jī)）軸輸出至軸發(fā)電機(jī)和對外水泵。配油器法蘭連接口位于齒輪箱輸出軸的前端，主推進(jìn)輸出和消防泵PTO輸出帶離合器。
電動備用泵組（滑油）控制設(shè)有機(jī)旁手動、自動控制兩種工作模式：前者只能就地使用控制箱操作備用泵啟停；后者則可以根據(jù)潤滑系統(tǒng)油壓自動啟停備用泵。主機(jī)提供一組運行信號（無源開關(guān)量）給齒輪箱備用泵控制箱。提供遠(yuǎn)程控制接口。
控制離合器（集成在齒輪箱機(jī)旁操作箱上）設(shè)有機(jī)旁手動/遠(yuǎn)程控制，在機(jī)旁可對離合器進(jìn)行應(yīng)急接脫排控制，提供集控室和駕駛室遠(yuǎn)程控制接口。提供離合器的接、脫排狀態(tài)在集控室和駕駛室提供顯示信號接口。電磁記憶閥支配離合器的結(jié)合或分開，并帶有手動機(jī)旁應(yīng)急操縱功能。
1 失效過程描述
油田守護(hù)供應(yīng)船為雙機(jī)雙槳，且舵機(jī)平臺位于水線以下，舟山海域航行試驗，在標(biāo)定主機(jī)負(fù)荷100%時，發(fā)現(xiàn)右齒輪箱透氣管冒煙，立即停車檢查。從標(biāo)定100%負(fù)荷到發(fā)現(xiàn)透氣管冒煙前后間隔約20 min。經(jīng)過服務(wù)商和船廠檢查，初步判斷右齒輪箱輸入前軸承燒壞。船舶返回船廠后進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，右齒輪箱輸入軸中間位置處前軸瓦端面發(fā)藍(lán)。在船廠將故障輸入軸部件拆卸，返回設(shè)備廠家進(jìn)行拆檢、分析。
2 故障拆檢分析
（1）故障輸入部件前軸瓦的端面與推力板的顏色發(fā)藍(lán)，應(yīng)為高溫所致。根據(jù)零件表面的顏色，從高溫色變程度判斷，軸瓦端面為高溫源，導(dǎo)致端面的巴氏合金在高溫下局部融化。
（2）拆除徑向滑動軸承，發(fā)現(xiàn)該軸瓦靠近推力瓦處的徑向巴氏合金也有向軸向融化的跡象。該軸瓦內(nèi)孔表面巴氏合金層也已損壞，且與輸入軸粘連。
（3）拆檢輸入軸后滑動軸承，檢查軸承推力瓦與內(nèi)孔以及軸徑，零件完好，無明顯磨損跡象。
（4）重新復(fù)檢故障件及相關(guān)零件復(fù)檢齒面硬度，硬度檢測結(jié)果為60.1 HRC，符合圖紙和（58～62）HRC技術(shù)要求。
通過上述檢查分析，判定此次故障為輸入軸前滑動軸承推力瓦燒死。故障點位于推力瓦靠近內(nèi)徑處，軸承合金有局部融化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致軸瓦燒死。
3 產(chǎn)品設(shè)計可靠性分析
右齒輪箱前軸承的徑向圓柱面比壓為3.4 MPa，間隙比1.6‰，油膜厚度最小0.026 mm，平均溫升22℃。軸承許用比壓4 MPa，油膜許用溫度100℃。與設(shè)計數(shù)據(jù)比較，均沒有超出允許范圍。
右齒輪箱前軸承的止推面比壓為1.8 MPa，油膜厚度最小0.034 mm，平均溫升6.9℃。軸承許用比壓4 MPa，油膜許用溫度100℃。與設(shè)計數(shù)據(jù)比較，沒有超出允許范圍。
輸入前軸承的進(jìn)油孔為M26×1.5 mm。油管規(guī)格Φ22 mm×2 mm，通徑Φ18 mm，0.25 MPa時理論供油量可達(dá)201 L/min。而輸入前軸承的圓柱面和止推面所需油量分別為3.4 L/min和14.1 L/min。理論上供油量充足。
4 故障原因分析
為了查找問題原因，相關(guān)專業(yè)人員做了充分討論辨析，并根據(jù)軸瓦失靈的可能原因，繪制問題分析樹，對故障原因進(jìn)行逐一分析、排查。
（1）軸瓦錯裝。該軸瓦為平面瓦，具有雙向可工作特性，故排除推力瓦錯裝的可能性。
（2）油品清潔度低。齒輪箱滑油系統(tǒng)設(shè)有精濾器，潤滑油經(jīng)精濾器后分配至齒輪箱各個滑動軸承供油，因此可以排除潤滑油清潔度的影響。
（3）潤滑不充分。查齒輪箱出廠試驗時的潤滑油壓力數(shù)值記錄，額定轉(zhuǎn)速時齒輪箱潤滑油壓力為0.281 MPa，滿足齒輪箱技術(shù)要求，與其他同型齒輪箱的潤滑油壓力相比，無明顯差異。該齒輪箱在船廠試航階段監(jiān)測的潤滑油壓力為0.245 MPa，也在正常合理范圍。
（4）安裝間隙不符合要求。齒輪箱推力瓦安裝后要求軸向間隙控制在0.2 mm左右。查齒輪箱裝配記錄表，齒輪箱裝配時軸向間隙滿足要求。由于推力瓦已經(jīng)燒損，實際的軸向間隙已經(jīng)無法驗證。
（5）軸瓦質(zhì)量問題。主要考慮合金成份是否滿足要求和推力瓦平面與軸線不垂直問題。關(guān)于合金成份問題，該軸瓦一次訂貨多套，合金成分具有一致性，目前僅1件推力瓦產(chǎn)生問題，基本可以排除合金成份的影響。另外，推力瓦與軸線的垂直度問題，因為零件已經(jīng)損壞，所以無法驗證。
（6）箱體變形。雖然該齒輪箱在工廠試驗時經(jīng)負(fù)荷試驗驗證，負(fù)荷試驗后拆檢觀察齒面，齒輪嚙合正常，目測推力瓦也并未發(fā)現(xiàn)發(fā)藍(lán)變色現(xiàn)象。實船試驗后經(jīng)過齒面嚙合面積拓印檢查，符合設(shè)計要求，表明箱體的微變形量對齒輪箱的結(jié)構(gòu)和性能不產(chǎn)生影響。
（7）異物進(jìn)入。雖然軸瓦的潤滑油是經(jīng)精濾器過濾后提供的，但是如果后端管路中有異物粘連，在潤滑油的沖刷下，存在異物脫落的風(fēng)險，異物卡滯也會造成軸瓦燒損。通過對故障軸瓦的外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的異物滯留現(xiàn)象。
（8）止推板表面粗糙度問題。由于發(fā)生故障的推力瓦與止推板已經(jīng)發(fā)生干摩擦，原始表面質(zhì)量已經(jīng)被破壞，無法判定止推板的表面質(zhì)量，但是通過檢測另一側(cè)完好推力板的表面質(zhì)量，其表面粗糙度是滿足設(shè)計圖面要求的。
（9）使用不當(dāng)。該齒輪箱安裝有備用泵，在主機(jī)開啟前要求開啟備用泵，對齒輪箱各個軸瓦進(jìn)行預(yù)潤滑，避免主機(jī)啟動瞬間軸瓦的干摩擦。按正常操作程序，齒輪箱不應(yīng)存在軸瓦干摩擦工況。但是根據(jù)軸瓦故障件分析，不排除使用過程中存在軸瓦瞬時干摩擦的工況。
5 輸出前軸承損壞而軸承溫度傳感器無報警的原因分析
查看臺架的記錄，油溫55℃時，潤滑油壓0.28 MPa。試航時，油溫55℃，潤滑油壓 0.25 MPa?！褒X輪箱出廠試驗規(guī)范”要求，齒輪箱潤滑油壓為（0.1～0.4）MPa，滿足出廠要求。對于齒輪箱整機(jī)，潤滑油量是充分。輸入前軸承進(jìn)油孔為M26×1.5 mm，油管規(guī)格為Φ22 mm×2 mm，通徑Φ18 mm，0.25 MPa時理論供油量可達(dá)到 201 L/min。輸入前軸承的圓柱面和止推面所需油量分別為3.4 L/min，供油量是充分的。目前軸承損壞的部位非易高溫部位，在此部位高溫時，因潤滑油供油量比較充分，部分熱量被滑油帶走，使溫度傳到軸承溫度傳感器位置時，未達(dá)到報警溫度。
6 結(jié)論
根據(jù)上述分析，造成軸瓦燒損的最大可能原因為實際工作時間隙偏小或缺油所致，修復(fù)后軸瓦需要重新測量軸瓦工作間隙，間隙盡量控制在上限，檢查供油量是否充分，進(jìn)一步判定是否存在缺油可能性。
在齒輪箱修復(fù)過程中檢查各檢驗要點，并通過試航驗證，對產(chǎn)生故障的原因作進(jìn)一步分析判定。
（1）對相關(guān)零件的實物質(zhì)量重新進(jìn)行確認(rèn)，零件尺寸符合設(shè)計要求。
（2）對軸瓦的裝配間隙進(jìn)行復(fù)檢，實測推力瓦軸向間隙為0.27 mm，與齒輪箱原始裝配間隙基本一致。
（3）對濾器清進(jìn)行了拆檢，無異物堵塞現(xiàn)象。
（4）齒輪箱按圖紙要求進(jìn)行復(fù)裝，不涉及技術(shù)狀態(tài)變更。
通過以上分析與航行試驗證明，對造成軸瓦故障的各影響因素可總結(jié)為4點。
（1）齒輪箱修復(fù)后的技術(shù)狀態(tài)與出廠時的原始技術(shù)狀態(tài)一致，不涉及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變更，經(jīng)航試驗證，齒輪箱工作正常，排除產(chǎn)品設(shè)計缺陷。
（2）通過查閱齒輪箱出廠裝配記錄以及齒輪箱修復(fù)后的推力瓦間隙再次測量數(shù)據(jù)，軸瓦修復(fù)前間隙調(diào)整均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，軸瓦修復(fù)后間隙調(diào)整偏向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的大值，經(jīng)再次航試驗證，齒輪箱軸瓦在間隙調(diào)整后無高溫發(fā)生。
（3）對齒輪箱濾器重新進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，修復(fù)前后潤滑油供油壓力也保持一致，因此排除系統(tǒng)供油不足造成軸瓦故障的因素。
（4）在機(jī)組備車時啟動備用泵對機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行潤滑，并在齒輪箱接排時，先把主機(jī)轉(zhuǎn)速降到約500 r/min，以保護(hù)機(jī)組的合排安全。該操作流程符合船用齒輪箱說明中的主機(jī)啟動要求。排出操作不當(dāng)?shù)囊蛩兀?/p>
綜合以上試驗分析與試驗驗證，齒輪箱軸向間隙偏小是造成此次齒輪箱軸瓦燒壞故障的主要原因。
[1]周曉梅，黃將興，戴宏長，沈先.某近海供應(yīng)船齒輪箱PTO軸斷裂分析及改進(jìn)[J].機(jī)電工程，2013，30（2）：175-178.
[2]丁康，朱小勇，陳亞華.齒輪箱典型故障診斷特性與診斷策略[J].機(jī)電工程 2001，20（3）：7-12.
[3]蘭彥軍.淺談齒輪箱的失效和原因[J].科技論壇，2015（1）：4.
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0 引言
某船采用的齒輪箱由齒輪箱本體（內(nèi)置推力軸承和離合器）、滑油系統(tǒng)、控制箱（含操縱面板）、儀表板、電動備用泵（滑油）、控制箱（滑油電動備用泵）組成。
齒輪箱通過高彈與主機(jī)相連，將主機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)檎{(diào)距槳所需的轉(zhuǎn)速，同時承受螺旋槳產(chǎn)生的正、倒車推力及扭矩，同時將主機(jī)的轉(zhuǎn)速變?yōu)檩S發(fā)電機(jī)和對外水泵所需的轉(zhuǎn)速，通過PTO（Power Take Off，軸帶發(fā)電機(jī)）軸輸出至軸發(fā)電機(jī)和對外水泵。配油器法蘭連接口位于齒輪箱輸出軸的前端，主推進(jìn)輸出和消防泵PTO輸出帶離合器。
電動備用泵組（滑油）控制設(shè)有機(jī)旁手動、自動控制兩種工作模式：前者只能就地使用控制箱操作備用泵啟停；后者則可以根據(jù)潤滑系統(tǒng)油壓自動啟停備用泵。主機(jī)提供一組運行信號（無源開關(guān)量）給齒輪箱備用泵控制箱。提供遠(yuǎn)程控制接口。
控制離合器（集成在齒輪箱機(jī)旁操作箱上）設(shè)有機(jī)旁手動/遠(yuǎn)程控制，在機(jī)旁可對離合器進(jìn)行應(yīng)急接脫排控制，提供集控室和駕駛室遠(yuǎn)程控制接口。提供離合器的接、脫排狀態(tài)在集控室和駕駛室提供顯示信號接口。電磁記憶閥支配離合器的結(jié)合或分開，并帶有手動機(jī)旁應(yīng)急操縱功能。
1 失效過程描述
油田守護(hù)供應(yīng)船為雙機(jī)雙槳，且舵機(jī)平臺位于水線以下，舟山海域航行試驗，在標(biāo)定主機(jī)負(fù)荷100%時，發(fā)現(xiàn)右齒輪箱透氣管冒煙，立即停車檢查。從標(biāo)定100%負(fù)荷到發(fā)現(xiàn)透氣管冒煙前后間隔約20 min。經(jīng)過服務(wù)商和船廠檢查，初步判斷右齒輪箱輸入前軸承燒壞。船舶返回船廠后進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，右齒輪箱輸入軸中間位置處前軸瓦端面發(fā)藍(lán)。在船廠將故障輸入軸部件拆卸，返回設(shè)備廠家進(jìn)行拆檢、分析。
2 故障拆檢分析
（1）故障輸入部件前軸瓦的端面與推力板的顏色發(fā)藍(lán)，應(yīng)為高溫所致。根據(jù)零件表面的顏色，從高溫色變程度判斷，軸瓦端面為高溫源，導(dǎo)致端面的巴氏合金在高溫下局部融化。
（2）拆除徑向滑動軸承，發(fā)現(xiàn)該軸瓦靠近推力瓦處的徑向巴氏合金也有向軸向融化的跡象。該軸瓦內(nèi)孔表面巴氏合金層也已損壞，且與輸入軸粘連。
（3）拆檢輸入軸后滑動軸承，檢查軸承推力瓦與內(nèi)孔以及軸徑，零件完好，無明顯磨損跡象。
（4）重新復(fù)檢故障件及相關(guān)零件復(fù)檢齒面硬度，硬度檢測結(jié)果為60.1 HRC，符合圖紙和（58～62）HRC技術(shù)要求。
通過上述檢查分析，判定此次故障為輸入軸前滑動軸承推力瓦燒死。故障點位于推力瓦靠近內(nèi)徑處，軸承合金有局部融化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致軸瓦燒死。
3 產(chǎn)品設(shè)計可靠性分析
右齒輪箱前軸承的徑向圓柱面比壓為3.4 MPa，間隙比1.6‰，油膜厚度最小0.026 mm，平均溫升22℃。軸承許用比壓4 MPa，油膜許用溫度100℃。與設(shè)計數(shù)據(jù)比較，均沒有超出允許范圍。
右齒輪箱前軸承的止推面比壓為1.8 MPa，油膜厚度最小0.034 mm，平均溫升6.9℃。軸承許用比壓4 MPa，油膜許用溫度100℃。與設(shè)計數(shù)據(jù)比較，沒有超出允許范圍。
輸入前軸承的進(jìn)油孔為M26×1.5 mm。油管規(guī)格Φ22 mm×2 mm，通徑Φ18 mm，0.25 MPa時理論供油量可達(dá)201 L/min。而輸入前軸承的圓柱面和止推面所需油量分別為3.4 L/min和14.1 L/min。理論上供油量充足。
4 故障原因分析
為了查找問題原因，相關(guān)專業(yè)人員做了充分討論辨析，并根據(jù)軸瓦失靈的可能原因，繪制問題分析樹，對故障原因進(jìn)行逐一分析、排查。
（1）軸瓦錯裝。該軸瓦為平面瓦，具有雙向可工作特性，故排除推力瓦錯裝的可能性。
（2）油品清潔度低。齒輪箱滑油系統(tǒng)設(shè)有精濾器，潤滑油經(jīng)精濾器后分配至齒輪箱各個滑動軸承供油，因此可以排除潤滑油清潔度的影響。
（3）潤滑不充分。查齒輪箱出廠試驗時的潤滑油壓力數(shù)值記錄，額定轉(zhuǎn)速時齒輪箱潤滑油壓力為0.281 MPa，滿足齒輪箱技術(shù)要求，與其他同型齒輪箱的潤滑油壓力相比，無明顯差異。該齒輪箱在船廠試航階段監(jiān)測的潤滑油壓力為0.245 MPa，也在正常合理范圍。
（4）安裝間隙不符合要求。齒輪箱推力瓦安裝后要求軸向間隙控制在0.2 mm左右。查齒輪箱裝配記錄表，齒輪箱裝配時軸向間隙滿足要求。由于推力瓦已經(jīng)燒損，實際的軸向間隙已經(jīng)無法驗證。
（5）軸瓦質(zhì)量問題。主要考慮合金成份是否滿足要求和推力瓦平面與軸線不垂直問題。關(guān)于合金成份問題，該軸瓦一次訂貨多套，合金成分具有一致性，目前僅1件推力瓦產(chǎn)生問題，基本可以排除合金成份的影響。另外，推力瓦與軸線的垂直度問題，因為零件已經(jīng)損壞，所以無法驗證。
（6）箱體變形。雖然該齒輪箱在工廠試驗時經(jīng)負(fù)荷試驗驗證，負(fù)荷試驗后拆檢觀察齒面，齒輪嚙合正常，目測推力瓦也并未發(fā)現(xiàn)發(fā)藍(lán)變色現(xiàn)象。實船試驗后經(jīng)過齒面嚙合面積拓印檢查，符合設(shè)計要求，表明箱體的微變形量對齒輪箱的結(jié)構(gòu)和性能不產(chǎn)生影響。
（7）異物進(jìn)入。雖然軸瓦的潤滑油是經(jīng)精濾器過濾后提供的，但是如果后端管路中有異物粘連，在潤滑油的沖刷下，存在異物脫落的風(fēng)險，異物卡滯也會造成軸瓦燒損。通過對故障軸瓦的外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的異物滯留現(xiàn)象。
（8）止推板表面粗糙度問題。由于發(fā)生故障的推力瓦與止推板已經(jīng)發(fā)生干摩擦，原始表面質(zhì)量已經(jīng)被破壞，無法判定止推板的表面質(zhì)量，但是通過檢測另一側(cè)完好推力板的表面質(zhì)量，其表面粗糙度是滿足設(shè)計圖面要求的。
（9）使用不當(dāng)。該齒輪箱安裝有備用泵，在主機(jī)開啟前要求開啟備用泵，對齒輪箱各個軸瓦進(jìn)行預(yù)潤滑，避免主機(jī)啟動瞬間軸瓦的干摩擦。按正常操作程序，齒輪箱不應(yīng)存在軸瓦干摩擦工況。但是根據(jù)軸瓦故障件分析，不排除使用過程中存在軸瓦瞬時干摩擦的工況。
5 輸出前軸承損壞而軸承溫度傳感器無報警的原因分析
查看臺架的記錄，油溫55℃時，潤滑油壓0.28 MPa。試航時，油溫55℃，潤滑油壓 0.25 MPa?！褒X輪箱出廠試驗規(guī)范”要求，齒輪箱潤滑油壓為（0.1～0.4）MPa，滿足出廠要求。對于齒輪箱整機(jī)，潤滑油量是充分。輸入前軸承進(jìn)油孔為M26×1.5 mm，油管規(guī)格為Φ22 mm×2 mm，通徑Φ18 mm，0.25 MPa時理論供油量可達(dá)到 201 L/min。輸入前軸承的圓柱面和止推面所需油量分別為3.4 L/min，供油量是充分的。目前軸承損壞的部位非易高溫部位，在此部位高溫時，因潤滑油供油量比較充分，部分熱量被滑油帶走，使溫度傳到軸承溫度傳感器位置時，未達(dá)到報警溫度。
6 結(jié)論
根據(jù)上述分析，造成軸瓦燒損的最大可能原因為實際工作時間隙偏小或缺油所致，修復(fù)后軸瓦需要重新測量軸瓦工作間隙，間隙盡量控制在上限，檢查供油量是否充分，進(jìn)一步判定是否存在缺油可能性。
在齒輪箱修復(fù)過程中檢查各檢驗要點，并通過試航驗證，對產(chǎn)生故障的原因作進(jìn)一步分析判定。
（1）對相關(guān)零件的實物質(zhì)量重新進(jìn)行確認(rèn)，零件尺寸符合設(shè)計要求。
（2）對軸瓦的裝配間隙進(jìn)行復(fù)檢，實測推力瓦軸向間隙為0.27 mm，與齒輪箱原始裝配間隙基本一致。
（3）對濾器清進(jìn)行了拆檢，無異物堵塞現(xiàn)象。
（4）齒輪箱按圖紙要求進(jìn)行復(fù)裝，不涉及技術(shù)狀態(tài)變更。
通過以上分析與航行試驗證明，對造成軸瓦故障的各影響因素可總結(jié)為4點。
（1）齒輪箱修復(fù)后的技術(shù)狀態(tài)與出廠時的原始技術(shù)狀態(tài)一致，不涉及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變更，經(jīng)航試驗證，齒輪箱工作正常，排除產(chǎn)品設(shè)計缺陷。
（2）通過查閱齒輪箱出廠裝配記錄以及齒輪箱修復(fù)后的推力瓦間隙再次測量數(shù)據(jù)，軸瓦修復(fù)前間隙調(diào)整均滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，軸瓦修復(fù)后間隙調(diào)整偏向設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的大值，經(jīng)再次航試驗證，齒輪箱軸瓦在間隙調(diào)整后無高溫發(fā)生。
（3）對齒輪箱濾器重新進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，修復(fù)前后潤滑油供油壓力也保持一致，因此排除系統(tǒng)供油不足造成軸瓦故障的因素。
（4）在機(jī)組備車時啟動備用泵對機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行潤滑，并在齒輪箱接排時，先把主機(jī)轉(zhuǎn)速降到約500 r/min，以保護(hù)機(jī)組的合排安全。該操作流程符合船用齒輪箱說明中的主機(jī)啟動要求。排出操作不當(dāng)?shù)囊蛩兀?/p>
綜合以上試驗分析與試驗驗證，齒輪箱軸向間隙偏小是造成此次齒輪箱軸瓦燒壞故障的主要原因。
[1]周曉梅，黃將興，戴宏長，沈先.某近海供應(yīng)船齒輪箱PTO軸斷裂分析及改進(jìn)[J].機(jī)電工程，2013，30（2）：175-178.
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