船用主機(jī)齒輪箱傳動(dòng)齒輪輪齒斷裂故障診斷

船用主機(jī)齒輪箱廣泛用于各種客貨輪船、工程船、漁船、近海和遠(yuǎn)洋船舶以及游艇、警用艇、軍工艦船等，是船舶工業(yè)的重要關(guān)鍵設(shè)備。齒輪投入使用后，由于齒輪制造不良或操作維護(hù)不善，會(huì)產(chǎn)生各種形式的失效。失效形式又隨齒輪材料、熱處理、安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等因素的不同而不同，常見(jiàn)的齒輪失效形式有:

齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞與斷齒［1］。一、問(wèn)題的提出某船在航行中主機(jī)減速齒輪箱內(nèi)突然傳出噪聲，由于海況復(fù)雜不能停船檢查，只得被迫減速航行，到港卸貨后船進(jìn)公司修理，其主機(jī)減速齒輪箱為重點(diǎn)修理工程，在修理前對(duì)主機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，減速齒輪箱內(nèi)傳出較大的噪聲，齒輪箱分解后發(fā)現(xiàn)從動(dòng)齒輪碎裂，如圖1所示。圖1齒輪碎裂現(xiàn)場(chǎng)圖片二、問(wèn)題的探尋及分析齒輪箱拆解前，對(duì)軸系進(jìn)行軸線對(duì)中檢查，同時(shí)測(cè)量主機(jī)曲軸臂距差，主機(jī)曲軸臂距差符合主機(jī)說(shuō)明書規(guī)定要求，軸系各法蘭曲折、偏移測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。由于船方無(wú)法提供船舶建造安裝時(shí)軸系校中計(jì)算書，因此暫時(shí)無(wú)法判斷其軸系曲折、偏移值是否符合建造時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。齒輪箱分解后，檢查輪齒斷裂部位，并未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋源區(qū)及擴(kuò)展，說(shuō)明輪齒斷裂為瞬間斷裂，對(duì)嚙合齒面進(jìn)行外觀及粘色檢查，除斷裂齒輪齒面有擦傷，其它齒輪嚙合狀態(tài)及接觸尚可。各齒輪軸與軸承間隙都符合說(shuō)明書技術(shù)要求，齒輪嚙合間隙都超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)安裝要求范圍，但未超出需修理的極限值，對(duì)齒輪軸的彎曲度、不平衡度、軸承孔的圓度及同軸度進(jìn)行檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)斷裂齒輪材質(zhì)、表面硬度等檢查都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。該齒輪箱也沒(méi)有進(jìn)行過(guò)拆解檢修，因此也排除是因?yàn)檠b配不當(dāng)導(dǎo)致斷齒。根據(jù)船方人員反饋，在船舶運(yùn)行過(guò)程中3#中間軸瓦溫度過(guò)高，經(jīng)過(guò)拆檢發(fā)現(xiàn)，3#中間軸瓦發(fā)生粘著磨損，如圖2所示。圖2軸瓦磨損現(xiàn)場(chǎng)圖片裝有減速齒輪箱的船舶，軸系通常是用法蘭聯(lián)軸器與減速齒輪箱的大齒輪相連接，齒輪副在嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)齒輪的作用力和從動(dòng)齒輪的反作用力都通過(guò)接觸點(diǎn)分別作用在對(duì)方輪齒上，最危險(xiǎn)的情況是接觸點(diǎn)某一瞬間位于輪齒的齒頂部，此時(shí)輪齒如同一個(gè)懸臂梁，受載后齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為最大，若因突然過(guò)載或沖擊過(guò)載，很容易在齒根處產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷斷裂，如圖3所示。圖3

從動(dòng)齒輪受力簡(jiǎn)圖通過(guò)對(duì)齒輪箱從動(dòng)齒輪受力分析(圖3)，作用在從動(dòng)齒輪上的動(dòng)載荷合力為T合，此力均勻的作用在從動(dòng)齒輪軸的前后2個(gè)軸承上。這時(shí)，如前后2個(gè)軸承上的靜載荷FA、FF

不相等，則前后2個(gè)軸承上的實(shí)際負(fù)荷、動(dòng)載荷與靜載荷的合成負(fù)荷就不相等，即RA≠RF，且負(fù)荷的作用方向也不同，即α≠β。由圖3可見(jiàn)，RA

與RF

的差值越大，則α與β的差值就越大。由于α與β不相等，則軸承中潤(rùn)滑油膜的最小厚度不相等，從而軸頸中心與軸承中心的偏心距也不等，這樣就造成軸頸在軸承中的位置不相同，中間軸與軸承產(chǎn)生干摩擦，進(jìn)而損傷軸承瓦面。同時(shí)齒輪軸的軸線相對(duì)2個(gè)軸承的軸心線發(fā)生歪斜，造成減速器齒輪不正常嚙合。在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生噪聲、發(fā)熱、振動(dòng)、齒面損傷等毛病，且影響主機(jī)全功率運(yùn)轉(zhuǎn)。因此我們分析造成齒輪齒面斷裂和軸承瓦面損傷的原因應(yīng)為軸系軸線不對(duì)中造成，軸系軸線不對(duì)中造成大齒輪軸前、后2個(gè)軸承上的負(fù)荷不等。從動(dòng)齒輪軸后軸承上的靜負(fù)荷與從動(dòng)齒輪軸前軸承上的靜負(fù)荷在法蘭連接處產(chǎn)生彎矩，在此彎矩作用下，從動(dòng)齒輪軸前、后2個(gè)軸承上出現(xiàn)的負(fù)荷差，必將影響主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的正常嚙合。三、問(wèn)題的解決對(duì)損壞的齒輪按技術(shù)說(shuō)明書要求重新加工制作，由于中間軸軸瓦磨損不是很嚴(yán)重，因此只對(duì)其進(jìn)行修配性刮研，然后對(duì)軸系重新進(jìn)行校中?？紤]到該船使用年限較長(zhǎng)，船體強(qiáng)度可能發(fā)生變化，軸系在重新校中前，各壓載艙應(yīng)均勻的壓裝載，壓載量不得少于空載排水量的85%，同時(shí)軸系校中需考慮排除陽(yáng)光照射，要求早晨或者日落后進(jìn)行。由于船方無(wú)法提供本船軸系要求的曲折、偏移值，因此只能按照J(rèn)T4161—1977《船舶軸系安裝及扭振技術(shù)要求》規(guī)定調(diào)整，即:推力軸與相鄰中間軸法蘭偏移δ≤0.15mm，其曲折值σ≤0.20mm/m，其余法蘭應(yīng)合乎計(jì)算而得出的坐標(biāo)三角形所規(guī)定的要求，實(shí)際測(cè)出的偏移δ和曲折σ坐標(biāo)交點(diǎn)在三角形陰影內(nèi)即為合格［2］，坐標(biāo)三角形的法蘭允許偏移和曲折按照?qǐng)D4軸系布置示意圖計(jì)算如下。圖4

軸系布置示意圖圖5坐標(biāo)三角形圖調(diào)整合格后，將軸承底座下面旋轉(zhuǎn)式調(diào)整墊調(diào)好，并上緊底座螺栓進(jìn)行交驗(yàn)。交驗(yàn)除符合規(guī)定要求外，中間軸與軸承下部1200范圍內(nèi)粘色檢查，接觸應(yīng)均勻，25mm×25mm見(jiàn)方內(nèi)接觸點(diǎn)不少于3～4個(gè)，且中間軸與軸瓦下部之間0.05mm塞尺不得插入，中間軸承與軸左右間隙應(yīng)相同，不允許軸與軸承有單邊靠緊現(xiàn)象。最后采用“頂舉法”檢查調(diào)整軸系各支撐軸承所承擔(dān)的實(shí)際負(fù)荷，按照《海船法定營(yíng)運(yùn)檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》2011規(guī)定，油潤(rùn)滑白合金中間軸承負(fù)荷比壓不大于0.5N/mm2，齒輪軸的前后軸承負(fù)荷相等，檢查合格后，校驗(yàn)齒輪箱各齒輪的嚙合間隙并通過(guò)粘色法檢查齒輪嚙合狀態(tài)，并測(cè)量主機(jī)曲臂差符合說(shuō)明書要求［3］。檢查調(diào)整結(jié)束后運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，減速齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)噪聲及震動(dòng)，中間軸承無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。四、結(jié)束語(yǔ)軸的失效形式會(huì)引起齒輪嚙合狀態(tài)變化，軸或軸系產(chǎn)生故障，必然也使安裝在軸上的齒輪的嚙合狀態(tài)發(fā)生很大的變化，不論安裝和加工精度多高，齒輪箱中的軸都會(huì)有不平衡產(chǎn)生，但只要不平衡量控制在一定的范圍，就不會(huì)對(duì)齒輪箱的正常運(yùn)行工況產(chǎn)