中國船級社浙江分社 賈建雄 陶力義

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船用齒輪箱故障分析與管理對策

中國船級社浙江分社 賈建雄 陶力義

摘要：介紹船用齒輪箱組成及其原理，針對故障分析原因。A船新機試車時就發(fā)生齒輪整體斷裂，分析有關(guān)材料中的數(shù)據(jù)進行研究判斷。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為離合活塞內(nèi)凹圈與從動輪的間隙不夠。最后提出相應的安裝和維護對策，對船舶建造和運營管理有一定參考價值。

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勁的動力，有更嚴格的班次要求和時間限制，這就大大提高了對設備的可靠性要求。減速齒輪箱是中小型集裝箱船上必備的設備，其故障應引起高度重視。

一、事故情況

案例1：A船為一艘1 113 TEU的集裝箱船，主機功率3 906 kW，齒輪箱型號為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時，發(fā)出一聲巨響并伴隨持續(xù)的噪聲和劇烈振動。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，主機功率2 560 kW，齒輪箱型號為GWC60.66，減速比為4：1，該船于2015年初交船。在投入營運后不久，發(fā)現(xiàn)正車時齒輪箱滑油溫度有持續(xù)升高的現(xiàn)象，正常值應為40 ℃左右，故障時甚至大于80℃；離合器打滑，后發(fā)展為倒車時滑油溫度過高。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”）（見圖1）已經(jīng)嚴重磨損，活塞的壓緊端面和整個圓周面磨損超過0.5mm，活塞和摩擦片上鐵屑遍布。

二、齒輪箱介紹［1］

齒輪箱是機械設備的動力傳遞機構(gòu)，其主要由齒輪軸承、軸、箱體等組成。它的應用范圍非常廣泛，幾乎在各式機電系統(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；有改變傳動方向功能，即用兩個扇形齒輪可以將力垂直從一根軸傳遞到另一個轉(zhuǎn)動軸；有改變轉(zhuǎn)動力矩功能，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，即可以通過分開兩個原本嚙合的齒輪，達到把發(fā)動機與負載分開的目的；有分配動力功能，如近海供應船主機輸出端通過齒輪箱帶動PTO、對外消防泵、推進螺旋槳等。

圖1 離合器的活塞（壓緊盤）

船舶齒輪箱與主推進柴油機、螺旋槳軸匹配，與螺旋槳一道，構(gòu)成船舶主推進系統(tǒng)，是動力傳動系統(tǒng)中的重要裝置。船用減速齒輪箱可以有效提高傳動系統(tǒng)綜合性能：一是提高推進效率，可以使螺旋槳更充分地吸收主機功率，增加螺旋槳的推力，達到節(jié)能和提高經(jīng)濟效益的效果；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，齒輪箱換向比主機換向更可靠、更靈活，能更好地保護主機，延長主機壽命。

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，與中高速柴油機推進裝置匹配，實現(xiàn)正倒車、離合、減速等操作。它體積小但性能強大，當其減速比從2到6，輸入轉(zhuǎn)速從360 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個型號；根據(jù)輸入輸出軸的相對位置的不同，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，順車油腔進油，活塞在油壓下壓緊順車摩擦片，動力由順車齒輪傳到從動軸而實現(xiàn)順車。倒車時，倒車油腔進油，活塞在油壓作用下壓緊倒車摩擦片，動力由倒車齒輪通過介輪傳到從動軸實現(xiàn)倒車?？哲嚂r，倒順車油腔均不進油，油泵輸出的油通過限壓閥直接流回油池，此時依靠活塞上的6件彈簧片（見圖2）產(chǎn)生的彈力使其復位，而使兩組摩擦片（共21片，嚙合主動齒的一組11片，嚙合從動齒的一組10片）處于放松狀態(tài)，從動軸不隨主動軸旋轉(zhuǎn)。

GW系列齒輪箱的主要特點為：

（1）具有離合、減速、承受螺旋槳推力的功能；

（2）產(chǎn)品模塊化設計，配置輔助功率輸出（PTO）、輔助動力輸入（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）采用機械及自動化控制，實現(xiàn)齒輪箱機旁應急操縱及遠程操控；

（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，通過齒輪箱上二級壓力控制閥使離合器接排平穩(wěn)；

（8）供油系統(tǒng)的特點為，齒輪箱不需要單獨設立油箱，而將下箱體底部作為油池，并設油液防濺板，即使在齒輪箱相當傾斜時也能保證油泵不吸空。

四、故障原因分析和解決

針對A船的GWC70.85齒輪箱大齒輪徑向劈裂的情況，廠方進行了全方位的分析。造成齒輪劈裂的直接原因是主動輪的作用力和從動輪的反作用力都通過接觸點分別作用在對方的齒輪上，此時若齒輪突然過載就可能會超負荷造成突然斷裂；若非突然斷裂，齒輪重復受過載力，造成應力集中，也會導致疲勞裂紋，進而導致疲勞斷裂。齒輪斷裂在斜齒輪和寬直齒齒輪上發(fā)生較多。［2］但是齒輪設計時就已對其工作的復雜性進行了充分考慮，所以還需揭示其劈裂的本質(zhì)：

1.材料成分和機械性能

大型齒輪的材料，尤其是化學元素的成分，直接決定材料的力學性能。當然，齒輪鍛件的熱處理對其力學性能影響也至關(guān)重要。經(jīng)對齒輪的化學成分進行化驗和力學性能進行分析，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 齒輪化學成分分析%

表2 齒輪機械性能

從表2可見，抗拉強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)，如熱處理的殘余應力控制不當，會引起鋼件在一定時間后或在隨后的切削加工中產(chǎn)生變形或裂紋（當殘余應力大于RP02時會引起工件的變形，當殘余應力大于Rm時會引起工件的開裂）；殘余應力作用在淬火件中心，會引起鋼件的橫斷和劈裂；淬火后鋼件會變硬但同時變脆；回火不及時會使鋼件發(fā)生變形甚至開裂。這些因素都埋下了齒輪開裂的隱患。經(jīng)過對損害齒輪的拉伸試驗，確實發(fā)現(xiàn)Rm和RP02偏低。

2.制造及裝配

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

3.機械振動

齒輪振動產(chǎn)生的根源是激勵的存在，研究表明內(nèi)部激勵是研究齒輪振動的重點，［3］內(nèi)部激勵即齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的動態(tài)激勵，［4］包括剛度激勵、嚙合沖擊激勵、誤差激勵、輪齒損傷激勵等。由于激勵的存在，導致齒輪嚙合過程中的不平穩(wěn)，進而導致沖擊和振動的產(chǎn)生。齒輪振動有多重形式，最主要為嚙合振動，它是由于嚙合副在力的作用下，使齒的彎曲量發(fā)生變化，導致齒在嚙入和嚙出的過程中，齒輪之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊和振動。如果當外部力或者缺陷等引起的振動達到一定程度，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，進而會激起齒輪箱體發(fā)生共振。當共振發(fā)生時，齒輪將受到一個較大的徑向力，從而會產(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的首要原因是金屬材料熱處理不當。

針對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)凹圈與從動齒輪存在明顯的受力接觸。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，當活塞處于原始位置時，內(nèi)凹槽與從動輪之間的間隙小于6mm，而活塞的行程設計值是6mm。

所以結(jié)論大致確定是活塞內(nèi)凹圈與從動齒輪的端向間隙不夠（見圖3），當活塞走完6mm的行程去壓緊21個摩擦片時，內(nèi)凹圈已頂住了從動齒輪，外凸圈（見圖4）卻無法壓緊摩擦片（本該壓緊）。因此，兩組（共21個）摩擦片之間打滑（似轉(zhuǎn)非轉(zhuǎn)），內(nèi)凹圈跟著從動齒輪也似轉(zhuǎn)非轉(zhuǎn)（本不該轉(zhuǎn)），結(jié)果磨壞了活塞的端面和外周面，潤滑油的溫度持續(xù)升高。正車工況工作持續(xù)時間長，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)控以驗證修復結(jié)果。

圖3 活塞的內(nèi)凹圈和外凸圈

針對故障原因更換了活塞，調(diào)整了內(nèi)凹圈與從動齒輪的端向間隙。調(diào)整的過程是：銑薄從動齒輪上的調(diào)整墊圈（見圖5），總的減少量為7mm，以此改變從動齒輪的位置，使從動齒輪離開內(nèi)凹圈更遠（由原來的4mm變成11mm）。經(jīng)核實，是裝配時錯誤安裝調(diào)整墊片導致的。

圖4 從動齒輪和摩擦片

圖5 調(diào)整墊圈

這樣，當執(zhí)行命令時，活塞走完6mm的行程后，內(nèi)凹圈與從動齒輪的間隙保持在11mm（原來只有4mm），此時外凸圈已經(jīng)有效地壓緊了21個摩擦片，使離合器與活塞緊密貼合（高效傳遞動力）。相反在分離時，依靠活塞上6件彈簧片（見圖3）產(chǎn)生的彈力使壓緊盤復位，離合器也徹底分離（不傳遞動力），此時兩組摩擦片處于分離狀態(tài)，從動軸不隨主動軸旋轉(zhuǎn)。滿足《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》［5］第3篇11.3.4.1要求：采用摩擦元件的離合器，在正常運轉(zhuǎn)時不應有打滑現(xiàn)象；在空車運轉(zhuǎn)時，其帶排扭矩不應使與其連接的推進軸系有帶轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

故障初步修復后，對齒輪箱進行了試驗，試驗時由國際知名第三方專業(yè)機構(gòu)進行了振動頻譜測量分析（見圖6～13），測量均在H向上進行。因為振動頻譜測量和分析是公認的狀態(tài)監(jiān)控的有力工具。［6］

頻譜分析報告的結(jié)論是：“振動光譜表明，主要頻率，在每一點，運行速度頻率及其諧波加速度包絡光譜，沒有明顯的軸承故障頻率和其他異常頻率。主機齒輪箱振動正常?！?/p>

圖6 1S處輸入軸振動測量

圖7 2S處正向輸入軸振動測量

圖8 2S處正向輸出軸振動測量

圖9 2S處反向輸入軸振動測量

圖10 2S處反向輸出軸振動測量

圖11 3S處輸出軸振動測量

圖12 齒輪箱及傳動原理示意圖

圖13 齒輪箱（測量）示意圖

五、建造和管理對策

良好的齒輪箱應該是：（1）達到熱平衡時，齒輪箱的溫度應低于設計要求；（2）滑油壓力應符合要求，濾器進出口壓差低于0.15 MPa；（3）空車時無帶排現(xiàn)象；（4）離合器接排平穩(wěn)、柔和、無沖擊；（5）運轉(zhuǎn)無異響和嚴重噪音；（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)故障時要從兩方面入手發(fā)現(xiàn)并解決問題，即機械和油路系統(tǒng)。

在建造和管理中，應該注意以下幾點：

（1）設計制造中應精確控制公差、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)定進行；應按照規(guī)定進行空轉(zhuǎn)試驗（一般不小于4h），核查運轉(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）嚴格進行軸系校中，確保齒輪箱兩端與軸系的對中。齒輪箱大齒輪前后軸承負荷差、軸系各軸的附加彎曲應力等是軸系合理校中的限制條件。重視軸系校中，是齒輪箱長期可靠運行的重要保證。制造廠規(guī)定了校中時施加到柴油機曲軸上的熱態(tài)和冷態(tài)的彎矩及剪力值，船舶設計單位應確保：①主推進軸系的校中，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齒輪箱內(nèi)齒輪產(chǎn)生的影響。

（4）狀態(tài)監(jiān)控（振動頻譜測量）也是很必要的驗證環(huán)節(jié)。通過對齒輪箱故障進行預測，如果齒輪箱軸承或齒輪出現(xiàn)故障特征頻率時，及時分析處理。

（5）應該經(jīng)常檢查潤滑部位是否達到潤滑效果，以及潤滑劑有無雜質(zhì)，是否失效，并重點監(jiān)控滑油溫度。

（6）檢查滑油過濾器的雜質(zhì)，通過觀察初步判斷內(nèi)部的磨損情況。定期進行滑油的色譜分析，進一步根據(jù)滑油的雜質(zhì)來掌握磨損。

（7）對本體重要部位的溫度進行監(jiān)視，通過超溫度及時發(fā)現(xiàn)問題。

六、結(jié)束語

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

參考文獻：

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DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.01.009