某船舶主推進(jìn)齒輪箱故障判斷與分析
2020-10-27傅利強
（中交上航局航道建設(shè)有限公司）
某船舶在調(diào)遣至烏拉圭途中，左推進(jìn)齒輪箱機帶泵損壞，在無機帶泵備件的情況下，選擇備用泵替代使用，該齒輪箱先期已有滑油溫度高，潤滑壓力下降的征兆。
本文主要分析了齒輪箱油泵損壞及滑油溫度高的原因，并針對該齒輪箱提出改進(jìn)方案。
01 齒輪箱參數(shù)
本船配有左右兩臺推進(jìn)減速齒輪箱，型號：ACG950/ PF800-1，生產(chǎn)商：SCANA。
左右旋向相反，額定輸入功率 6000KW，輸入軸轉(zhuǎn)速 750rpm，底部輸出軸輸出至可調(diào)螺旋槳， 螺旋槳轉(zhuǎn)速 152rpm，使用摩擦式液壓離合器，上部輸出軸輸出至軸帶發(fā)電機，發(fā)電機轉(zhuǎn)速1500rpm，額定功率 5760KW， 齒輪箱滑油溫度 50℃。
傳動形式如圖1所示。
本文主要分析了齒輪箱油泵損壞及滑油溫度高的原因，并針對該齒輪箱提出改進(jìn)方案。
01 齒輪箱參數(shù)
本船配有左右兩臺推進(jìn)減速齒輪箱，型號：ACG950/ PF800-1，生產(chǎn)商：SCANA。
左右旋向相反，額定輸入功率 6000KW，輸入軸轉(zhuǎn)速 750rpm，底部輸出軸輸出至可調(diào)螺旋槳， 螺旋槳轉(zhuǎn)速 152rpm，使用摩擦式液壓離合器，上部輸出軸輸出至軸帶發(fā)電機，發(fā)電機轉(zhuǎn)速1500rpm，額定功率 5760KW， 齒輪箱滑油溫度 50℃。
傳動形式如圖1所示。
02 故障經(jīng)過
船舶在調(diào)遣至烏拉圭的途中，機艙值班巡回檢查時發(fā)現(xiàn)左推進(jìn)齒輪箱潤滑油壓力下降至 0.35MPa，下降趨勢明顯，其他壓力正常（離合器油壓、伺服油壓）。
停車拆檢機帶泵，發(fā)現(xiàn)機帶齒輪泵的從動齒輪 6 個齒局部損壞，齒輪軸及軸承磨損嚴(yán)重。
如圖 2 所示。
船舶在調(diào)遣至烏拉圭的途中，機艙值班巡回檢查時發(fā)現(xiàn)左推進(jìn)齒輪箱潤滑油壓力下降至 0.35MPa，下降趨勢明顯，其他壓力正常（離合器油壓、伺服油壓）。
停車拆檢機帶泵，發(fā)現(xiàn)機帶齒輪泵的從動齒輪 6 個齒局部損壞，齒輪軸及軸承磨損嚴(yán)重。
如圖 2 所示。
因無機帶泵備件，備用泵替代使用。
但備用泵使用后，油泵排出壓力不穩(wěn)定，波動很大，從排出壓力表上可以看出有10bar 的壓力波動，導(dǎo)致離合器自動脫排。
針對此情況，外接了蓄能器以使油泵油壓穩(wěn)定；但是油溫及推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸前軸承（圖 1 中 TS26）溫度和推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸后軸承（圖 1 中 TS25）溫度還是高，冷卻器拆檢正常，另外加冷卻器加強冷卻，螺旋漿在 85% 負(fù)荷時油溫在 60℃左右。
到港后，對齒輪箱滑油系統(tǒng)再次進(jìn)行檢查，并調(diào)整了恒溫閥，螺旋漿在 85% 負(fù)荷時油溫在 57℃左右，仍舊偏高，然后將備用泵換新，拆除了外加的冷卻器，螺旋漿在 85% 負(fù)荷時油溫在 54℃左右，這樣，齒輪箱油溫基本屬于正常，但還是需要蓄能器來維持油泵出口壓力的穩(wěn)定。
03 故障分析
經(jīng)了解，之前船舶在施工時，左推進(jìn)齒輪箱油溫已接近 63℃（報警值），左推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸前軸承（圖 1 中TS26）溫度接近 67℃（報警值），左推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸后軸承（圖 1 中 TS25）溫度接近 65℃，其余溫度正常，潤滑油壓已明顯比 4bar 的背壓閥設(shè)定值低。在調(diào)遣初期，槳角 85%時都未超報警值，但油溫已明顯比右邊高 7℃左右，TS25、TS26 比右邊高 10℃左右，其余溫度正常，潤滑壓力 3.7bar 左右。
為了解各油壓以及油溫的關(guān)系，如圖 3 所示，機帶泵從油底殼吸油，油液排出至雙聯(lián)濾器，當(dāng)油壓低時，通過 PS1 壓力繼電器來控制備用泵自動起動。
油液經(jīng)雙聯(lián)濾器后到達(dá) V1、V2、V3 三個閥，V1 為安全閥，設(shè)定值為 40bar，正常情況下不動作，當(dāng)油壓超出設(shè)定值后開啟溢流至恒溫閥 V6；V2 為伺服油壓閥，設(shè)定為24bar，用來保證伺服油壓的穩(wěn)定，多余的油溢流至恒溫閥 V6，極小一部分通過 1mm 的節(jié)流孔作為驅(qū)氣和起壓用；V3 為減壓閥，設(shè)定值為 21bar，把 24bar 的伺服油減壓至 21bar 作為離合器的驅(qū)動油。
油液經(jīng)恒溫閥 V6 到冷卻器，冷卻后的滑油在 4bar 的背壓閥 V7 的作用下到達(dá)各潤滑點后流回油箱。
引起油溫高的原因有以下幾個方面：
（1）推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸前軸承（圖 1 中 TS26）和推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸后軸承（圖 1 中 TS25）工況不好發(fā)熱。
（2）冷卻器冷卻效果不好。檢查冷卻器后冷卻器正常，排除了該疑點。
（3）恒溫閥工作不正常。通過調(diào)整恒溫閥的開度可以改變經(jīng)過冷卻器的滑油量而調(diào)整油溫，調(diào)整的不一樣，流經(jīng)冷卻器的油量也不一樣，所以在相同負(fù)荷下齒輪箱油溫高或低不能代表齒輪箱發(fā)熱量的高或低，最真實的是要看冷卻器帶走熱量的多少。
（4）油泵內(nèi)泄大，排量不足流經(jīng)冷卻器的滑油量減少。
通過換新備用泵后，取消外加冷卻器后相同工況下齒輪箱油溫又下降了 3℃，可以看出以前油泵內(nèi)泄已較大。一般情況下，油泵的設(shè)計都有一定的富余量，油溫偏高泄漏加大的話，是靠自動關(guān)小背壓閥的開度來保證潤滑油壓。所以油溫一高潤滑壓力也隨之下來，是由于油泵的排量已不足。
再來看圖 2損壞油泵的情況，齒斷裂和齒輪軸及軸承磨損，可以得出結(jié)論，齒的斷裂是由于軸與軸承先磨損后超極限再引起的，也可以解釋油泵損壞前內(nèi)泄量大冷卻不足的原因，是因為軸承及軸磨損后間隙太大影響了齒輪泵的端面間隙而內(nèi)泄加大。
這一點后在拆檢右齒輪箱機帶泵時得到驗證，該泵軸承及軸已磨損很嚴(yán)重，齒輪還好沒損壞。
04 改進(jìn)方案
（1）滑油泵的選型。
從圖 2 可以看出，油泵齒輪軸與滾柱軸承的滾柱直接接觸，且從磨損程度上看，軸比滾柱更易磨損，所以不能靠定期更換軸承來延長油泵的使用時間，必須要軸承及齒輪都同時更換才行。
（１）建議選用質(zhì)地較軟的滑動軸承型齒輪泵；（2）備用泵安裝位置離齒輪箱的吸入口太遠(yuǎn)，以致吸入 性能差引起排出壓力不穩(wěn)定，需要蓄能器來穩(wěn)壓；建議備用泵靠近齒輪箱油泵吸入濾器安裝，并盡量減少彎頭和管徑突變；（3）密切關(guān)注齒輪箱小齒輪軸軸承的溫度變化，如有升高的趨勢，擇機檢查小齒輪軸與兩軸承的間隙及軸線情況；（4）機帶泵改成兩臺，一臺高壓低流量用于合排，另一臺低壓大流量用于潤滑，達(dá)到降低油泵機械負(fù)荷，延長使用壽命。
05 總結(jié)
從齒輪箱數(shù)據(jù)不正常到判斷出機帶泵故障再到故障排除的過程可以看出，提早發(fā)現(xiàn)故障，可以有效地保證設(shè)備不會造成更嚴(yán)重的損壞，保證船舶的安全運營。想要以最快、最有效的方法發(fā)現(xiàn)、排除故障，必須對各設(shè)備功能、原理及性能理解透徹，還要加強機艙值班巡回檢查，定期比對各參數(shù)，判斷其變化趨勢，及時地掌握各設(shè)備的運行工況。
但備用泵使用后，油泵排出壓力不穩(wěn)定，波動很大，從排出壓力表上可以看出有10bar 的壓力波動，導(dǎo)致離合器自動脫排。
針對此情況，外接了蓄能器以使油泵油壓穩(wěn)定；但是油溫及推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸前軸承（圖 1 中 TS26）溫度和推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸后軸承（圖 1 中 TS25）溫度還是高，冷卻器拆檢正常，另外加冷卻器加強冷卻，螺旋漿在 85% 負(fù)荷時油溫在 60℃左右。
到港后，對齒輪箱滑油系統(tǒng)再次進(jìn)行檢查，并調(diào)整了恒溫閥，螺旋漿在 85% 負(fù)荷時油溫在 57℃左右，仍舊偏高，然后將備用泵換新，拆除了外加的冷卻器，螺旋漿在 85% 負(fù)荷時油溫在 54℃左右，這樣，齒輪箱油溫基本屬于正常，但還是需要蓄能器來維持油泵出口壓力的穩(wěn)定。
03 故障分析
經(jīng)了解，之前船舶在施工時，左推進(jìn)齒輪箱油溫已接近 63℃（報警值），左推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸前軸承（圖 1 中TS26）溫度接近 67℃（報警值），左推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸后軸承（圖 1 中 TS25）溫度接近 65℃，其余溫度正常，潤滑油壓已明顯比 4bar 的背壓閥設(shè)定值低。在調(diào)遣初期，槳角 85%時都未超報警值，但油溫已明顯比右邊高 7℃左右，TS25、TS26 比右邊高 10℃左右，其余溫度正常，潤滑壓力 3.7bar 左右。
為了解各油壓以及油溫的關(guān)系，如圖 3 所示，機帶泵從油底殼吸油，油液排出至雙聯(lián)濾器，當(dāng)油壓低時，通過 PS1 壓力繼電器來控制備用泵自動起動。
油液經(jīng)雙聯(lián)濾器后到達(dá) V1、V2、V3 三個閥，V1 為安全閥，設(shè)定值為 40bar，正常情況下不動作，當(dāng)油壓超出設(shè)定值后開啟溢流至恒溫閥 V6；V2 為伺服油壓閥，設(shè)定為24bar，用來保證伺服油壓的穩(wěn)定，多余的油溢流至恒溫閥 V6，極小一部分通過 1mm 的節(jié)流孔作為驅(qū)氣和起壓用；V3 為減壓閥，設(shè)定值為 21bar，把 24bar 的伺服油減壓至 21bar 作為離合器的驅(qū)動油。
油液經(jīng)恒溫閥 V6 到冷卻器，冷卻后的滑油在 4bar 的背壓閥 V7 的作用下到達(dá)各潤滑點后流回油箱。
引起油溫高的原因有以下幾個方面：
（1）推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸前軸承（圖 1 中 TS26）和推進(jìn)齒輪箱小齒輪軸后軸承（圖 1 中 TS25）工況不好發(fā)熱。
（2）冷卻器冷卻效果不好。檢查冷卻器后冷卻器正常，排除了該疑點。
（3）恒溫閥工作不正常。通過調(diào)整恒溫閥的開度可以改變經(jīng)過冷卻器的滑油量而調(diào)整油溫，調(diào)整的不一樣，流經(jīng)冷卻器的油量也不一樣，所以在相同負(fù)荷下齒輪箱油溫高或低不能代表齒輪箱發(fā)熱量的高或低，最真實的是要看冷卻器帶走熱量的多少。
（4）油泵內(nèi)泄大，排量不足流經(jīng)冷卻器的滑油量減少。
通過換新備用泵后，取消外加冷卻器后相同工況下齒輪箱油溫又下降了 3℃，可以看出以前油泵內(nèi)泄已較大。一般情況下，油泵的設(shè)計都有一定的富余量，油溫偏高泄漏加大的話，是靠自動關(guān)小背壓閥的開度來保證潤滑油壓。所以油溫一高潤滑壓力也隨之下來，是由于油泵的排量已不足。
再來看圖 2損壞油泵的情況，齒斷裂和齒輪軸及軸承磨損，可以得出結(jié)論，齒的斷裂是由于軸與軸承先磨損后超極限再引起的，也可以解釋油泵損壞前內(nèi)泄量大冷卻不足的原因，是因為軸承及軸磨損后間隙太大影響了齒輪泵的端面間隙而內(nèi)泄加大。
這一點后在拆檢右齒輪箱機帶泵時得到驗證，該泵軸承及軸已磨損很嚴(yán)重，齒輪還好沒損壞。
04 改進(jìn)方案
（1）滑油泵的選型。
從圖 2 可以看出，油泵齒輪軸與滾柱軸承的滾柱直接接觸，且從磨損程度上看，軸比滾柱更易磨損，所以不能靠定期更換軸承來延長油泵的使用時間，必須要軸承及齒輪都同時更換才行。
（１）建議選用質(zhì)地較軟的滑動軸承型齒輪泵；（2）備用泵安裝位置離齒輪箱的吸入口太遠(yuǎn)，以致吸入 性能差引起排出壓力不穩(wěn)定，需要蓄能器來穩(wěn)壓；建議備用泵靠近齒輪箱油泵吸入濾器安裝，并盡量減少彎頭和管徑突變；（3）密切關(guān)注齒輪箱小齒輪軸軸承的溫度變化，如有升高的趨勢，擇機檢查小齒輪軸與兩軸承的間隙及軸線情況；（4）機帶泵改成兩臺，一臺高壓低流量用于合排，另一臺低壓大流量用于潤滑，達(dá)到降低油泵機械負(fù)荷，延長使用壽命。
05 總結(jié)
從齒輪箱數(shù)據(jù)不正常到判斷出機帶泵故障再到故障排除的過程可以看出，提早發(fā)現(xiàn)故障，可以有效地保證設(shè)備不會造成更嚴(yán)重的損壞，保證船舶的安全運營。想要以最快、最有效的方法發(fā)現(xiàn)、排除故障，必須對各設(shè)備功能、原理及性能理解透徹，還要加強機艙值班巡回檢查，定期比對各參數(shù)，判斷其變化趨勢，及時地掌握各設(shè)備的運行工況。
來源：《中國水運》 2019年第4期