某輪發(fā)電機前端軸承溫度過高原因分析與處理

某輪，柴油發(fā)電機組4臺：原動機，WARTSILA制造，型號6R32LNE，功率2430KW，轉(zhuǎn)速720r/min；發(fā)電機，F(xiàn)rance制造，型號AMS630L10，電壓440V，頻率60Hz，容量2900KVA，WARTSILAABB提供。

正常航行期間常用功率1250~1550KW，使用一臺發(fā)電機；機動航行使用2臺發(fā)電機；使用船艏側(cè)推器期間3臺發(fā)電機供電。船舶出廠約三年半，發(fā)電機前端軸承高溫故障，原因是發(fā)電機輪轂在軸頭上滑移。故障原因少見，且涉及高彈性膠圈聯(lián)軸器（雖日漸廣泛應(yīng)用但實際經(jīng)驗不足），耗時近兩年半，走了不少彎路。事后反思，總結(jié)出一些教訓(xùn)，寫出來請指正。一、發(fā)電機組傳動機構(gòu)柴油機通過高彈性膠圈聯(lián)軸器（見圖1）向發(fā)電機轉(zhuǎn)子傳遞扭矩并起緩沖、減振作用。圖1聯(lián)軸器和兩組推力軸承位置高彈性膠圈聯(lián)軸器（見圖2），由飛輪、兩個高彈性膠圈、鋼圈、連接螺栓、發(fā)電機輪轂等組成。圖2高彈性膠圈聯(lián)軸器發(fā)電機輪轂與發(fā)電機軸過盈配合，有鍵。柴油機曲軸飛輪端，安裝有前、后推力軸承，軸向間隙即曲軸移動量0.25～0.45mm（見圖3）。圖3原動機推力軸承（前后）發(fā)電機軸，有前（原動機端）和后（自由端）兩個支撐軸承；前軸承上、下軸瓦的軸向兩端面與軸上的兩個推力環(huán)組成前、后推力軸承（見圖4）；圖4發(fā)電機前軸承和推力軸承推力軸承軸向間隙（發(fā)電機軸移動量）范圍，前0.25～0.5mm，后0.1～0.5mm。發(fā)電機軸設(shè)置前、后推力軸承，是因為發(fā)電機軸的軸向推力大：★發(fā)電機功率高，則其運轉(zhuǎn)的電磁力大，且隨發(fā)機負(fù)荷增減。★發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，則隨船舶縱搖產(chǎn)生的軸向力大。該發(fā)電機的電磁力指向自由端，正常情況下通過飛輪聯(lián)軸器全部由原動機前推力軸承承受，發(fā)電機推力軸承不承受。二、故障現(xiàn)象No.3發(fā)電機前端軸承滑油高溫：★2007年9月（新船出廠三年半）起，超過80℃，比其它3臺發(fā)電機同等條件高出約10℃，自由端軸承滑油溫度和發(fā)電機三相繞組溫度都正常，其他部件也無異常，一直找不到原因，只好盡量少用；★2008年12月，超過報警值90℃，不敢再用，報告公司。三、第一次檢查和糾正1、第一次檢查2008年12月14日，根據(jù)公司機務(wù)指示，船員檢查No.3柴油發(fā)電機組。①確認(rèn)軸承滑油牌號與說明書一致，并更換了滑油，排除滑油不良引發(fā)故障的可能；②測量柴油機曲軸，拐檔差參數(shù)正常；軸徑向跳動正常（0.15mm），排除原動機曲軸不良引發(fā)故障的可能。③測量發(fā)電機軸，軸徑向跳動0.15mm，軸向跳動0.97mm，聯(lián)軸器開口偏差0.6mm，確認(rèn)無異常，排除發(fā)電機軸不良引發(fā)故障的可能。④檢查柴油發(fā)電機組柴油機和發(fā)電機的機架、地腳、彈性底座等，確認(rèn)無異常，排除機組機架、地腳、底座等不良引發(fā)故障的可能。⑤拆下發(fā)電機前端軸承上、下軸瓦檢查（下軸瓦卡住拆不出來，十天后再次解體該前端軸承，先旋松一圈軸承座固定螺栓，才拆出）：★軸承滑油內(nèi)有金屬屑。★支撐軸承，軸頸無異常；上軸瓦內(nèi)圓面光亮如新，好像沒有接觸磨擦過；下軸瓦狀態(tài)正常。★后推力軸承，推力環(huán)面及軸承摩擦面狀態(tài)良好。★前推力軸承（飛輪側(cè)），推力環(huán)面有發(fā)熱變色跡象；上、下軸瓦推力面磨損嚴(yán)重，四周有毛邊，軸承油箱內(nèi)有白色金屬屑?！锿屏S承間隙（推力環(huán)面與軸承推力面之間的間隙），拆解前塞尺測量，前0.00mm/后0.50mm?！锷稀⑾螺S瓦前推力面打磨，去除毛邊，裝復(fù)。

裝復(fù)下軸瓦時很困難，必須強制發(fā)電機軸向前（飛輪側(cè)）移動約1mm才能安裝；裝復(fù)上軸瓦時不很困難，因下軸瓦已裝復(fù)。推力軸承間隙數(shù)據(jù)、前推力軸承推力環(huán)面有發(fā)熱跡象和軸瓦推力面磨損嚴(yán)重、裝復(fù)下軸瓦時必須強制發(fā)電機軸前移等，都表明發(fā)電機運行時向后的軸向力很大，且全部由發(fā)電機前推力軸承承受，但沒有找到原因。2、第一次糾正失敗制造廠“WARTSILA”工程人員,分析其現(xiàn)場檢查、測量以及公司機務(wù)與船員反映的情況,也認(rèn)為No.3發(fā)電機前軸承發(fā)熱、前推力軸承磨損變形,是因為前推力軸承承受過大軸向推力,但也不知軸向推力從何而來。不知發(fā)電機軸所受的軸向推力從何而來，當(dāng)然也不可能消除這個軸向推力。退而求其次，若發(fā)電機軸被人為地向柴油機側(cè)移動,能減小運行時前推力軸承的壓力嗎?經(jīng)反復(fù)考慮,“WARTSILA”工程人員決定在高彈性膠圈5與鋼圈3之間加裝墊片(墊片套裝在連接螺栓4上,見圖2所示),把發(fā)電機軸整體(含前推力環(huán))拉向柴油機方向,加大前推力軸承與推力環(huán)的間隙。2009年3月8日,第一次加裝墊片,厚4.5mm,發(fā)現(xiàn)柴油機推力軸承前間隙為零,即曲軸無向后移動;但發(fā)電機后推力軸承間隙為零,表明發(fā)電機軸后移過多，可能引起發(fā)電機后推力軸承過熱。3月31日,第二次,改用厚3.1mm墊片,測得發(fā)電機推力軸承間隙,前0.15mm/后0.35mm,"WARTSILA”工程人員認(rèn)為不理想。5月1日,第三次,改用厚3.4mm墊片,推力軸承間隙,前0.45mm/后0.05mm。修理后的No.3發(fā)電機,5月份使用10天，軸承溫度正常;6月份使用了14天,軸承溫度逐漸升高至高出正常溫度6-7℃,但可短時間(靠離碼頭)或環(huán)境溫度低時使用;7月份僅使用了3天，前軸承溫度又超過90℃報警。僅使用640小時軸承又發(fā)熱了。2009年7月18日，船員拆檢發(fā)電機前軸承時，前推力軸承間隙又變?yōu)榱?，推力環(huán)表面有過熱變色跡象，且推力軸承與推力環(huán)接觸面貼得非常緊以致上、下軸瓦被卡死很難拆出；而后推力軸承間隙又增大到0.56mm。似乎一切又回到原點。四、第二次檢查發(fā)現(xiàn)輪轂軸向滑移1、第二次檢查新發(fā)現(xiàn)2009年9月2日，船員又一次拆檢發(fā)電機前軸承有重要發(fā)現(xiàn)：

輪轂后端面與軸頭突肩有6.4mm間隙（見圖5）。圖5發(fā)電機軸端與輪轂正確安裝與滑移輪轂后端面與軸頭突肩之間,從工作原理、設(shè)計、制造、安裝等任何角度考慮,都不應(yīng)該有間隙,其它3臺柴油發(fā)電機組也都是緊貼的;現(xiàn)在有6.4mm間隙，顯然是輪轂在軸頭上向柴油機方向滑移。輪轂在軸頭上向柴油機方向滑移，加大了發(fā)電機軸突肩與鋼圈之間的長度:★向前，鋼圈推壓高彈性膠圈導(dǎo)致其向柴油機方向突起變形,可能傷損?！锵蚝?，高彈性膠圈的彈性恢復(fù)力推壓發(fā)電機軸導(dǎo)致其前推力軸承受力過大而過熱。船員認(rèn)為這是該故障的根本原因,迅速以《No.3發(fā)電機運行時前軸承溫度偏高原因分析報告》上報公司尋求岸基支持。2009年10月20日,"WARTSILA”工程人員再次到船檢查,認(rèn)可船方關(guān)于故障原因和機理的判斷;拆出高彈性膠圈和鋼圈送岸檢測,結(jié)果鋼圈正常,兩個高彈性膠圈圖6標(biāo)示部位原設(shè)計尺寸146±0.5mm變?yōu)楝F(xiàn)在的143.7mm,向柴油機方向變形約2.3mm。圖6高彈性膠圈尺寸2、輪轂在軸頭上滑移的原因輪轂與軸頭配合的功能,一是傳遞扭矩,一是防止它們軸向移動。防止軸向移動,主要依靠過盈;傳遞扭矩,主要依靠鍵。過盈作用的大小取決于過盈量,作用于發(fā)電機軸的軸向力并不很大,所以過盈量不必很大。輪轂在軸頭上滑移的原因，一是發(fā)電機軸向后的實際軸向力超過設(shè)計值，二是輪轂與軸頭配合公差加工失誤。（1）發(fā)電機軸向后的實際軸向力如前所述，該軸向力包括發(fā)電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁力和船舶縱搖產(chǎn)生的慣性力。

該船66433總噸，縱搖不會劇烈，產(chǎn)生的慣性力也不會過大；發(fā)電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁力，有關(guān)記錄表明發(fā)電機沒有過超負(fù)荷，但不排除突加大載荷產(chǎn)生瞬間沖擊電磁力。（2）輪轂與軸頭配合公差若配合公差不當(dāng)，二者緊固力不足，輪轂在軸頭上滑移的過程可能是：①發(fā)電機運轉(zhuǎn)突加大載荷產(chǎn)生瞬間沖擊電磁力，拉發(fā)電機軸向自由端，而輪轂受高彈性膠圈限制不能隨軸頭移動致在軸頭上微量滑移；②高彈性膠圈的彈力推輪轂后移，但彈力不及輪轂與軸頭的緊固力，輪轂不能復(fù)位；③如此反復(fù)，輪轂在軸頭上的微量滑移集少成多，達(dá)到6.4mm。至于輪轂與軸頭配合公差不當(dāng)?shù)脑颍磳嶋H值不符合設(shè)計值,屬于加工失誤;要么實際值符合設(shè)計值,屬于設(shè)計失誤。3、對第一次糾正效果的理解5月1日第一次糾正,在高彈性膠圈與鋼圈之間加裝厚度3.4mm的墊片后,發(fā)電機推力軸承間隙:★靜態(tài),前0.45mm/后0.05mm;★機組運轉(zhuǎn)640小時后,前0.00mm/后0.56mm。高彈性膠圈與鋼圈之間加裝墊片厚3.4mm，超過高彈性膠圈向柴油機方向突起變形2.3mm約1.1mm,相當(dāng)于高彈性膠圈的彈力向柴油機方向拉鋼圈和輪轂,作用于發(fā)電機軸的推力(向自由端)應(yīng)該減少,發(fā)電機前推力軸承不應(yīng)該發(fā)熱。使用640小時后,發(fā)電機前推力軸承間隙再次消失且又發(fā)熱，只能理解為高彈性膠圈向柴油機方向拉鋼圈和輪轂導(dǎo)致輪轂又被拉出一段距離。五、第2次糾正2009年12月8日,“WARTSILA”工程人員第3次到船處理No.3發(fā)電機前端軸承滑油高溫故障。1、糾正措施(1)軸轂在軸頭上復(fù)位★方法是用專門車制的液壓工具頂壓輪轂，液壓450bar，壓力達(dá)18噸，再加上大銅棒敲擊振動，“嘣”一聲響，輪轂恢復(fù)到正常位置?！镙S端面中心鉆孔、攻絲，用新車制的M36螺栓壓緊圓盤，軸向固定輪轂（見圖7），防止其再次滑移。圖7輪轂復(fù)位和固定18噸壓力再加銅棒敲擊，輪轂恢復(fù)正常位置，說明輪轂與軸頭配合的過盈量仍然很大；再加螺栓和圓盤軸向固定，應(yīng)該不會再有任何移位了。這個修復(fù)工藝安全且比換新輪轂省錢。（2）調(diào)整發(fā)電機推力軸承間隙軸轂在軸頭上復(fù)位后，測得推力軸承間隙前0.6mm/后0.03mm；

而總間隙因磨損已超過原始值（0.5mm），希望調(diào)整為前0.35mm/后0.25mm。調(diào)整方法三種選一:★更換高彈性膠圈,最安全,但備件需定制,費用高,交貨期長,No.3發(fā)電機組不能及時恢復(fù)使用?！镙S轂再從端頭上拉出0.3mm，或鋼圈厚度車削0.3mm,使發(fā)電機前后推力軸承間隙都調(diào)整為0.3mm左右,然后固定輪轂。但鋼圈改變尺寸強度減弱可能容易損壞;而高彈性膠圈恢復(fù)原形可能增加發(fā)電機軸的軸向推力而再次導(dǎo)致軸承高溫。★保持現(xiàn)有狀態(tài),一邊使用一邊觀察。前推力軸承靜態(tài)間隙0.6mm，說明高彈性膠圈將發(fā)電機軸向前拉而不會向后推;發(fā)電機運行中電磁軸向力將發(fā)電機軸連同高彈性膠圈向發(fā)電機側(cè)拉動,轉(zhuǎn)子軸后移,使后推力軸承間隙不會減小只會增加，前推力軸承間隙不會加大只會減小。此時軸向力由原動機前推力軸承承受，發(fā)電機前后推力軸承不承受軸向力,都不會發(fā)熱。12月19日,“WARTSILA”工程人員與公司機務(wù)及船方溝通后,決定采用第三種方法。2、效果重新拆檢No.3發(fā)電機前端軸承,相應(yīng)檢查柴油機相關(guān)部件,80%負(fù)荷試車,No.3發(fā)電機前端軸承溫度:★啟動到運轉(zhuǎn)3小時，軸承溫度由38℃逐漸升高到71℃;★運行20小時后,溫度61℃;★連續(xù)運行190小時,12月30日拆開軸承上蓋及上軸瓦,測量推力環(huán)軸承前、后間隙,測量數(shù)據(jù)與12月8日所測的數(shù)據(jù)一致,軸瓦內(nèi)圓面狀態(tài)正常,推力表面沒有磨損發(fā)熱跡象,柴油機的拐檔差正常。2010年2月20日,cCS上船檢驗,審查了No.3發(fā)電機前軸承修理措施、工藝等,并測試發(fā)電機高負(fù)荷運行參數(shù),認(rèn)為符合檢驗要求,簽署檢驗報告。從2009年12月19日修復(fù)后，至此文初稿,No.3發(fā)電機已經(jīng)運行了3958小時,功率1464KW、環(huán)境溫度36℃,前端軸承溫度76℃;功率1300KW、環(huán)境溫度38℃，前端軸承溫度77℃(其它發(fā)電機在同樣條件下運行溫度為74℃),稍偏高,但在正常范圍內(nèi),且狀態(tài)穩(wěn)定,可以正常使用。六、心得事后反思,總結(jié)出一些教訓(xùn)。(1)消除故障原因比消除故障現(xiàn)象更重要不找到原因就想消除現(xiàn)象，一切糾正措施都是盲目的,無針對性。第一次檢查和糾正,就是沒分清原因和現(xiàn)象,不重視探究原因(軸向推力),加墊片只是著眼于糾正故障現(xiàn)象(推力軸承間隙),只是權(quán)宜之計,不可能徹底消除故障。若第一次檢查不急于糾正推力軸承間隙不當(dāng),而是重視查找原因,列出軸向推力全部可能的來源,并不難發(fā)現(xiàn)輪轂在軸頭上滑移。因為發(fā)電機軸所受軸向力并不復(fù)雜，除電磁力和船舶縱傾時自身重力的分力外,唯一外力來源是輪轂,而輪轂受力依次來自鋼圈,高彈性膠圈、飛輪、柴油機曲軸輸出端。當(dāng)然，某些情況,找不到故障原因,只好從消除現(xiàn)象角度制定糾正措施,可以理解,有時也短期有效,但必須清醒地意識到那只是臨時措施,還要繼續(xù)探究故障原因。(2)開闊思路,積累經(jīng)驗處理這次故障花費那么長時間的原因，既有思維慣性限制思路,也有對高彈性膠圈聯(lián)軸器的經(jīng)驗不足:★沒想到發(fā)電機輪轂與軸頭配合會松動,未檢查，后來也是偶然發(fā)現(xiàn),因為這種情況極為少見?！餂]想到高彈性膠圈可能損傷需要檢查，發(fā)現(xiàn)輪轂在軸頭上滑移后,只想恢復(fù)原狀,對“WARTSILA”工程人員拆出高彈性膠圈和鋼圈送岸檢測不理解。★沒想到高彈性膠圈會有變形，見到高彈性膠圈送岸檢測報告才明白。(3)測取發(fā)電機推力軸承間隙的正確方法推力軸承間隙，指推力環(huán)面與軸承推力面之間的間隙。本文所討論的是雙向推力軸承,兩推力環(huán)工作面之間的距離一定，軸承兩工作面之間的距離一定,故前、后推力軸承間隙之和(總間隙)一定,限制發(fā)電機軸軸向竄動在允許范圍。這