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船舶齿轮箱故障分析及修复工艺

发布时间:2023-07-13 | 来源:船机帮 | 作者:
   一、齿轮箱主要技术数据及工作原理

  船舶一般配有左、右两台推进减速齿轮箱,旋向相反,额定输入功率2190kW,输入轴额定转速800r/min,减速比值为3.12,滑油工作温度40~50℃。

  齿轮箱由上、下箱体组合而成,输入轴和输出轴水平布置(见图1)。

  其中,输入轴由内轴、外轴及离合器组成,内、外轴由摩擦式离合器连接,输入内轴一端连接主机,一端连接轴带发电机(见图2);输出轴与输入轴外轴经斜齿轮啮合,经中间连接可变螺距螺旋桨。

  齿轮箱输入轴各轴承位置见齿轮箱机体轴承下基座位置图((见图3),输入轴共布置5道轴承,从主机飞轮端至轴带发电机端依次为第1~5道,第1、4、5道布置在输入轴内轴,第2、3道布置在输入轴外轴。

  文中所述船舶齿轮箱故障位置在第3道轴承位置处。

  二、齿轮箱故障案例

  文中所述船舶进坞修理后进行航行试验,当主机在70%~90%变负荷工况运行时,右机齿轮箱输入轴后轴承温度传感器触发高温报警(设定值为75℃),1min后齿轮箱滑油滤器油压差报警。

  当时值班人员误认为是误报警,遂采取降负荷措施运行,直至齿轮箱滑油温度高报警触发,采取应急停车措施,从初次报警到应急停车故障运行大约8min。

  停车后,通过拆检齿轮箱,发现以下问题:

  1)输入轴第3道轴承处的轴径表面发蓝、发黑,有严重烧蚀现象,轴径表面局部出现裂纹(见图4);

  2)第3道滑动轴承合金层烧融,出现剥落现象(见图5);

  3)齿轮箱箱体受损部位油漆起皮,部分剥落;

  4)高压滑油滤器内有大量轴瓦合金及磨削杂质。

  三、齿轮箱故障分析

  通过查阅5年内《轮机日志》关于右机齿轮箱运行工况记录,发现在同等工况下右机齿轮箱第3道轴承温度均高于左机齿轮箱10~12℃,其他温度无较大差异。

  由此大致判断,多年前右齿轮箱的输入轴第3道滑动轴承已经存在隐患。

  引起轴承烧蚀损坏的原因主要有以下几个方面:

  1)润滑不良,滑油中存在磨粒、污垢及异物。

  润滑油压力低或油道阻塞,轴承与输入轴之间不能形成承压油膜,润滑不良导致轴瓦局部高温,持续运转后轴承合金层脱落,进一步加剧磨损。

  经检查润滑油泵、各压力调节阀、压力传感器、油道均正常,只是中间出现滤器压差高报警,是因轴瓦合金层脱落后堵塞所致,不是造成事故的主要原因,而是扩大事故损坏的原因;

  2)过载。

  螺旋桨缠绕缆绳、钢丝绳、渔网等杂物,造成齿轮箱突然过载所致。

  经调查,故障期间螺旋桨部位无异常声音,同时主机各缸排气温度也无异常。

  后经潜水勘验,螺旋桨及尾轴处清爽,排除外力因素;

  3)装配间隙异常。

  这种现象主要有以下3种情况:

  a. 轴承与轴的配合间隙过小。

  由于轴径和轴瓦烧蚀严重不能测量原配合间隙,后期轴恢复尺寸后,用塞尺测得轴与新轴瓦前端、后端配合间隙值(见表1)。

  轴承座孔直径230mm,轴瓦厚度10mm,基孔制配合,轴承间隙应该在0.21±0.04mm。

  分析测得数值,发现第3道轴瓦前部(主机侧)105~180°范围内间隙超差;

  b. 齿轮箱连接轴系曲折值和偏移值超差。

  拆除弹性联轴器,测量轴系曲折值和偏移值(见表2)齿轮箱与轴发连接法兰最大曲折值为上下侧0.08mm,最大偏移值为上下侧0.15mm;齿轮箱与主机连接法兰最大曲折值为左右侧0.04mm,最大偏移值为上下侧0.12mm,均在正常范围内;

  c. 轴瓦承压面积不足或是承压点分布不均匀。

  经拆检发现,轴瓦后侧(螺旋桨侧)瓦合金融化较多,为高温初始点。修理前用假轴进行着色剂检测,轴瓦前段120°~180°范围内接触不良,与前面轴瓦与轴配合间隙的判断一致。

  经综合分析,确定了故障原因,第3道轴承座孔尺寸存在加工缺陷或是其他原因造成局部收口,轴瓦承压面不足造成负荷分布不均,长期运转过后轴瓦合金状态逐步恶化,最终造成该事故。

  四、修理过程及工艺

  1、齿轮箱箱体修复

  由于此次修理从现场勘验到修理方案的选定历时较长,该过程中齿轮箱上下盖一直处于分体状态(齿轮箱下基座未动)。

  由于箱体在故障中高温存在热应力,在长时间自由状态下,上下箱体平面均有不同程度变形。

  箱体平面面积较大,且不宜下船修理,采用受热部位敲击释放应力、轻型高精度铝镁合金平尺着色找平、局部氩弧冷焊机焊补和砂轮机打磨的修复工艺。

  2、输入轴修复

  输入轴第3道轴外径最大磨损达 3mm,通过肉眼观察表面发现有多处裂纹,后经剖解发现最深裂纹处达 16.5mm。

  由于电镀及热喷涂等工艺恢复尺寸的厚度有限、强度不易保证,同时采购备件周期较长、费用高,遂采取焊补裂缝及外圆、车削和磨削恢复外轴尺寸。

  同时,结合合理的热处理工艺的修复工,主要实施了以下步骤。

  1)前期测量外轴内部孔径、轴外径及其他轴段的直径,以便检验焊接后未焊接部位的轴径变化情况;将受损裂纹用角磨机剖开至止裂处用磁粉探伤,确定裂纹挖槽是否彻底;

  2)用多种焊丝进行融合性试验,经打磨平整后进行磁粉探伤,确定焊条与外轴本体的互溶性。输入轴材质为18CrNiMo7-6,试验用316L焊条、304高铬镍钼焊条、NiGrMo-3焊条均与本体不熔,唯有结构钢焊条J507、H10Mo2与本体相熔,最终选定H10Mo2焊材;

  3)机械清洗磁粉探伤的反差增强剂粉末,融溶剂擦洗欲堆焊部位。火焰慢速加热轴径至200~250℃,用¢2.4mmH10Mo2焊丝手工补裂纹槽。裂纹槽每焊接20mm长度,用凿子、锤子打击消除应力(以便保证最小的弯曲变形),焊接期间保证轴温度在200~250℃之间,所有裂纹槽填满后,用¢4mmH1OMo2焊丝自动埋弧焊堆焊轴径表面(调小电流和送丝速度)。因该轴上部有斜齿轮,焊接过程中需密切监视齿面温度不高于220℃(防止齿硬度下降),更不能进入250~350℃的低温回火脆性区(原齿面经过渗碳淬火、低温回火处理);

  4)焊接完毕后,用石棉布包扎后缓慢冷却,冷却后上机床加工找正。车削加工堆焊轴段,留0.60~0.80mm加工余量。热处理厂进行高温600℃回火,去除焊接残余热应力(用盐浴炉回火,轴直接插入炉中,齿轮留在外部空气中)回火时密切测量齿面温度,温度过高时需吹风冷却(不高于220℃)。出炉后温度降至200℃以下后平放,放在空气流通场所快速冷却,避免高温回火脆性;

  5)修复后上车床检查轴径跳动量,锤击少量矫正。

  3、齿轮箱第3道轴承座孔修复

  1)加工跨第1~4道轴承座孔假轴一根,轴径200mm±0.08mm(第1道座孔处)、230mm±0.08mm(第2道座孔处)、230mm±0.08mm(第3道座孔处)、260mm±0.08mm(第4道座孔处);

  2)将假轴放入座孔,在第1、2道轴承处分别放一磁性百分表,轻轻吊起假轴第3道轴承处使假轴抬头,当第1道轴承处的表下沉不动,第2道轴承处的表刚抬起时,即为准确轴线位置,用塞尺测量脱空量,此值为氩弧冷焊需要焊补的座孔厚度;

  3)第3道座孔用氩弧冷焊机堆焊至测量值(冷焊时不宜长时间作业,温度过高会产生应力,需边自然冷却边焊接);

  4)做一个与假轴第3道轴径同样尺寸的铜基样瓦,用该样瓦瓦背着色,粗略修复焊接的座孔表面;

  5)放入假轴,进行假轴着色试验,用角磨机反复修磨焊接表面(该工艺需要专业工程师操作),直至轴孔配合达到设计值(座孔两侧间隙可以比上下间隙略大0.02mm,更容易形成楔形油膜)。

  以上修复工艺完成后,制定了试车方案,并根据不同风险设置了专人监控点,遇到异常状况立即停车。

  五、结束语

  目前,文中所述船舶齿轮箱经修复后已经降负荷(不超过50%)安全运转2000h,通过对第3道轴承温度密切观察,各工况下该轴承温度比修复前降低 10℃。修复的输入轴轴径表面经3次(每次运转500h)磁粉探伤均无裂纹,塞尺测量轴承间隙无明显变化。经拆检齿轮箱高压滤器,内部状况良好,润滑油铁谱分析各指标正常。船舶齿轮箱损坏后,修理工期长、难度大、费用高。

  在船舶运行中,需要密切关注轴承温度,温度突然变化要及时停车拆检,防止因局部部件的损坏造成更大的损失。

  滑动轴承在运转中如发现轴承过热、胶合,应立即停车检查,最好使转子在低速下继续运转,或继续供油一段时间,直到轴瓦冷却下来为止。在该案例中,出现因轴瓦高温报警时,没有及时停车对设备造成了极大损伤,在轮机管理中需要注意。

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