某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)滑油異常消耗故障分析

魏昌淼，彭 濤，方一格

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所無(wú)錫分部，無(wú)錫 214151；2. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇三研究所，哈爾濱 150036)

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力裝置，工作時(shí)伴有高頻率的變工況，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí)會(huì)在軸瓦間產(chǎn)生大量的熱量。同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑效果不好，會(huì)造成軸瓦及轉(zhuǎn)子接觸面燒損，嚴(yán)重?fù)p害燃?xì)廨啓C(jī)壽命。為了帶走軸承腔內(nèi)各接合面之間形成的硬夾雜物，并帶走由于摩擦所產(chǎn)生的熱量和高溫區(qū)域傳給滑油的熱量，燃?xì)廨啓C(jī)需要配備優(yōu)良的滑油系統(tǒng)，其一般為循環(huán)式。

近年來(lái)，多位學(xué)者對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)及故障診斷方面進(jìn)行了相關(guān)的研究[1]，何彬等[2]按高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊、大流量、輕量化的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)由4個(gè)回油泵和1個(gè)供油泵組成的齒輪滑油系統(tǒng)泵，滿足了某型燃?xì)廨啓C(jī)各部位潤(rùn)滑冷卻的要求，并進(jìn)行了滑油泵試驗(yàn)件的相關(guān)生產(chǎn)和試驗(yàn)。衣爽[3]選擇自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為滑油系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)方法，將故障數(shù)據(jù)作為故障預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，結(jié)果表明無(wú)導(dǎo)師的自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)模型可直觀地反映滑油系統(tǒng)的健康狀態(tài)。梁茂宗等[4]對(duì) D-S 證據(jù)理論公式進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)10組滑油系統(tǒng)真實(shí)故障案例，驗(yàn)證了D-S 證據(jù)理論能夠較好地解決燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)故障。某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)了滑油異常消耗問(wèn)題，本文從燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā)，列出了可能導(dǎo)致滑油消耗量大問(wèn)題的因素，最終判斷滑油異常消耗是由于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部漏油造成的，通過(guò)分解檢查及分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題由石墨密封環(huán)磨損導(dǎo)致。本次故障的解決過(guò)程對(duì)后續(xù)機(jī)組應(yīng)對(duì)類似問(wèn)題具有重要指導(dǎo)意義。本文同時(shí)提出開(kāi)展優(yōu)化石墨密封環(huán)工作，對(duì)提高滑油系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 滑油系統(tǒng)工作原理

為了保證某工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)在所有工作狀態(tài)下軸承部件、齒輪嚙合和其他摩擦零件的潤(rùn)滑和冷卻，滑油系統(tǒng)采用強(qiáng)制抽油的壓力循環(huán)模式?；凸┯土颗c燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系，壓氣機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑油組件，滑油組件從滑油循環(huán)油箱抽油，隨后將足量的滑油供給燃?xì)廨啓C(jī)各支撐點(diǎn)軸承來(lái)保證旋轉(zhuǎn)部件的冷卻與潤(rùn)滑。在各軸承點(diǎn)潤(rùn)滑后具有一定壓力的滑油，經(jīng)過(guò)滑油冷卻器冷卻后被送回滑油循環(huán)箱。燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)工作原理如圖1所示。為保證滑油供油品質(zhì)，在滑油供油總口及總回油口設(shè)有滑油濾器，同時(shí)在燃?xì)廨啓C(jī)各供油支管中裝設(shè)有濾器，用于保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)免受可能出現(xiàn)的意外污染。在各回油支管路上設(shè)有磁性屑末檢測(cè)信號(hào)器，用以分別監(jiān)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)各軸承腔室內(nèi)部的磨損情況[5]。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)工作原理圖

2 滑油異常消耗故障及檢查

某臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行8 500 h左右時(shí)，運(yùn)行人員例行巡檢發(fā)現(xiàn)滑油油箱液位與之前相比有明顯跌落，滑油循環(huán)油箱液位出現(xiàn)偏低現(xiàn)象，滑油消耗量出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象。

針對(duì)機(jī)組突然出現(xiàn)的滑油異常消耗問(wèn)題，本文從燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā)，進(jìn)行各方面詳細(xì)梳理，列出了可能導(dǎo)致滑油消耗量大問(wèn)題的因素，故障樹(shù)如圖2所示。

圖2 滑油異常消耗故障樹(shù)

故障發(fā)生后,運(yùn)行人員對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)外圍系統(tǒng)和箱裝體內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)本體滑油系統(tǒng)的滑油泄漏情況進(jìn)行了詳細(xì)檢查。外圍滑油系統(tǒng)各部件及管路正常，滑油循環(huán)油箱、滑油冷卻器、回油濾器及供回油管路狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)異常；箱裝體內(nèi)滑油系統(tǒng)部件正常，電動(dòng)滑油供回油泵、雙聯(lián)濾器、靜態(tài)油氣分離器、油氣分離箱、下傳動(dòng)箱和滑油系統(tǒng)供回油管路狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)異常。

隨后，對(duì)滑油循環(huán)油箱磁性液位計(jì)和滑油冷卻器進(jìn)行了檢查，用油標(biāo)尺直接測(cè)量并記錄滑油箱液位。為檢查滑油冷卻器是否有內(nèi)部泄漏，更換了新的滑油冷卻器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,運(yùn)行2 h后，情況如下：

1)滑油消耗約12 L，折合平均滑油消耗量約6.0 L/h(燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家要求不超過(guò)1.5 L/h)；

2)檢查滑油冷卻水系統(tǒng)水池，水面干凈無(wú)油污；

3)檢查外圍系統(tǒng)和箱裝體內(nèi)滑油系統(tǒng)的泄漏情況，未發(fā)現(xiàn)異常。

通過(guò)上述排查，運(yùn)行人員排除燃?xì)廨啓C(jī)外部漏油情況的可能性。隨后運(yùn)行人員對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了梳理分析，并對(duì)滑油回油濾進(jìn)行拆檢檢查。

將滑油系統(tǒng)參數(shù)與之前運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如滑油供油壓力、滑油供油溫度、油氣分離箱壓力、滑油回油溫度、接觸式密封壓降等，發(fā)現(xiàn)各參數(shù)均無(wú)明顯變化，機(jī)組其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如各轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和振動(dòng)等參數(shù)均正常。拆檢滑油回油濾，發(fā)現(xiàn)回油濾濾芯有較多的不規(guī)則黑色石墨條狀物及顆粒存在。

經(jīng)上述排查及分析，認(rèn)為滑油異常消耗是由于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部漏油造成的，可能是石墨密封環(huán)異常磨損導(dǎo)致接觸式密封失效，進(jìn)而導(dǎo)致滑油從石墨密封環(huán)處泄漏進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)通流。若燃?xì)廨啓C(jī)繼續(xù)運(yùn)行，則存在石墨密封環(huán)加速磨損的風(fēng)險(xiǎn)，給運(yùn)行帶來(lái)隱患，因此決定對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行分解檢查。

3 滑油異常消耗的分解檢查及分析

3.1 分解檢查

該型燃?xì)廨啓C(jī)由燃?xì)獍l(fā)生器及動(dòng)力渦輪組成，對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器各軸承腔室部位進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，各軸承腔密封石墨環(huán)均正常。

對(duì)動(dòng)力渦輪分解檢查，滑油密封空氣系統(tǒng)管路、密封空氣通道及密封空氣腔室未發(fā)現(xiàn)異常，檢查發(fā)現(xiàn)滾珠軸承側(cè)石墨密封環(huán)異常磨損，滾柱軸承殼體合圍區(qū)域大面積滑油燒蝕、結(jié)焦、積碳，滾柱軸承側(cè)滑油密封失效，由此可判斷滑油的異常消耗是由于動(dòng)力渦輪軸承腔室密封失效，出現(xiàn)故障導(dǎo)致的。

3.2 動(dòng)力渦輪滑油密封空氣系統(tǒng)分析

動(dòng)力渦輪滑油密封空氣系統(tǒng)圖如圖3所示，首先從壓氣機(jī)引入壓縮空氣進(jìn)入動(dòng)力渦輪空氣進(jìn)氣管。滾珠軸承側(cè)密封腔室如圖4所示，密封空氣通過(guò)通道E到達(dá)滾珠軸承側(cè)密封腔室。

圖3 動(dòng)力渦輪滑油密封空氣系統(tǒng)圖

圖4 滾珠軸承側(cè)密封腔室

滾珠軸承側(cè)密封腔室將氣路分為3路，一路通過(guò)后密封蓋蜂窩密封與蓖齒的間隙L排出，一路通過(guò)間隙M實(shí)現(xiàn)滑油密封，一路通過(guò)動(dòng)力渦輪軸上的F、G通道進(jìn)入動(dòng)力渦輪軸內(nèi)腔。

滾柱軸承側(cè)密封腔室如圖5所示。進(jìn)入動(dòng)力渦輪軸的密封空氣通過(guò)J、K通道進(jìn)入滾柱軸承側(cè)密封腔室。滾柱軸承側(cè)密封腔室將氣路分為2路，一路通過(guò)前密封蓋蜂窩密封和蓖齒的間隙N排出，一路實(shí)現(xiàn)滑油密封。

圖5 滾柱軸承側(cè)密封腔室

在壓縮空氣的作用下，軸承側(cè)密封腔室與滑油腔保持一定的壓差，使石墨密封環(huán)的前端面與軸承腔端面緊密貼合，具有良好的隨動(dòng)適應(yīng)性，從而達(dá)到了滑油腔的滑油密封的效果。

動(dòng)力渦輪滾珠軸承側(cè)石墨密封環(huán)的異常磨損，會(huì)使滑油腔密封用壓縮空氣流量分配與設(shè)計(jì)狀態(tài)偏離。如圖4所示，動(dòng)力渦輪滾珠軸承側(cè)腔室中石墨環(huán)與密封蓋的配合間隙M為壓縮空氣主要排放通道，由于機(jī)組運(yùn)行期間空氣壓力大于滑油腔壓力，故仍能保證滾珠軸承側(cè)的滑油密封。分配至渦輪軸內(nèi)腔的壓縮空氣流量和壓力不足導(dǎo)致滾柱軸承側(cè)滑油密封失效，如圖5所示，大量滑油從N處泄漏至滾柱軸承殼體合圍區(qū)域，滑油泄漏路徑溫度較高，滑油出現(xiàn)大面積碳化，結(jié)焦在部件表面。

為保證后續(xù)機(jī)組的運(yùn)行，動(dòng)力渦輪分解后更換了新的石墨密封環(huán)，同時(shí)開(kāi)展了新型石墨環(huán)的研制，旨在提高石墨環(huán)的耐磨性。在后續(xù)機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)滑油消耗記錄及檢查，保證機(jī)組運(yùn)行安全。

4 結(jié) 論

從燃?xì)廨啓C(jī)的滑油系統(tǒng)原理出發(fā)，建立故障樹(shù)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的滑油異常消耗故障進(jìn)行分析，通過(guò)檢查，排除了燃?xì)廨啓C(jī)外圍滑油系統(tǒng)故障。通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)分解檢查及滑油密封空氣系統(tǒng)分析，得出本次機(jī)組滑油消耗量異常增大為動(dòng)力渦輪石墨密封環(huán)未達(dá)到使用壽命前異常磨損，導(dǎo)致接觸密封失效所致，動(dòng)力渦輪滾珠軸承側(cè)石墨環(huán)磨損后，分配至滾柱軸承側(cè)的壓縮空氣流量和壓力不足，導(dǎo)致滾柱軸承側(cè)滑油密封失效，滑油主要從動(dòng)力渦輪滾珠軸承石墨環(huán)處泄漏。同時(shí)，在機(jī)外滑油回油濾器中發(fā)現(xiàn)的大量石墨應(yīng)為動(dòng)渦石墨環(huán)掉塊、脫落所致。為了避免石墨密封環(huán)再次磨損，出現(xiàn)滑油異常損耗情況，建議加快石墨環(huán)材料的研究工作，提升其壽命，并優(yōu)化石墨環(huán)工作環(huán)境。