船舶齒輪箱故障分析及修復(fù)工藝

一、齒輪箱主要技術(shù)數(shù)據(jù)及工作原理船舶一般配有左、右兩臺(tái)推進(jìn)減速齒輪箱，旋向相反，額定輸入功率2190kW,輸入軸額定轉(zhuǎn)速800r/min，減速比值為3.12，滑油工作溫度40～50℃。齒輪箱由上、下箱體組合而成，輸入軸和輸出軸水平布置（見圖1)。其中，輸入軸由內(nèi)軸、外軸及離合器組成，內(nèi)、外軸由摩擦式離合器連接，輸入內(nèi)軸一端連接主機(jī)，一端連接軸帶發(fā)電機(jī)（見圖2);輸出軸與輸入軸外軸經(jīng)斜齒輪嚙合，經(jīng)中間連接可變螺距螺旋槳。齒輪箱輸入軸各軸承位置見齒輪箱機(jī)體軸承下基座位置圖（(見圖3)，輸入軸共布置5道軸承，從主機(jī)飛輪端至軸帶發(fā)電機(jī)端依次為第1～5道，第1、4、5道布置在輸入軸內(nèi)軸，第2、3道布置在輸入軸外軸。文中所述船舶齒輪箱故障位置在第3道軸承位置處。二、齒輪箱故障案例文中所述船舶進(jìn)塢修理后進(jìn)行航行試驗(yàn)，當(dāng)主機(jī)在70%~90%變負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，右機(jī)齒輪箱輸入軸后軸承溫度傳感器觸發(fā)高溫報(bào)警（設(shè)定值為75℃)，1min后齒輪箱滑油濾器油壓差報(bào)警。當(dāng)時(shí)值班人員誤認(rèn)為是誤報(bào)警，遂采取降負(fù)荷措施運(yùn)行，直至齒輪箱滑油溫度高報(bào)警觸發(fā)，采取應(yīng)急停車措施，從初次報(bào)警到應(yīng)急停車故障運(yùn)行大約8min。停車后，通過拆檢齒輪箱，發(fā)現(xiàn)以下問題:1）輸入軸第3道軸承處的軸徑表面發(fā)藍(lán)、發(fā)黑，有嚴(yán)重?zé)g現(xiàn)象，軸徑表面局部出現(xiàn)裂紋（見圖4);2）第3道滑動(dòng)軸承合金層燒融，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象（見圖5);3）齒輪箱箱體受損部位油漆起皮，部分剝落;4）高壓滑油濾器內(nèi)有大量軸瓦合金及磨削雜質(zhì)。三、齒輪箱故障分析通過查閱5年內(nèi)《輪機(jī)日志》關(guān)于右機(jī)齒輪箱運(yùn)行工況記錄，發(fā)現(xiàn)在同等工況下右機(jī)齒輪箱第3道軸承溫度均高于左機(jī)齒輪箱10~12℃,其他溫度無較大差異。由此大致判斷，多年前右齒輪箱的輸入軸第3道滑動(dòng)軸承已經(jīng)存在隱患。引起軸承燒蝕損壞的原因主要有以下幾個(gè)方面:1）潤滑不良，滑油中存在磨粒、污垢及異物。潤滑油壓力低或油道阻塞，軸承與輸入軸之間不能形成承壓油膜，潤滑不良導(dǎo)致軸瓦局部高溫，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后軸承合金層脫落，進(jìn)一步加劇磨損。經(jīng)檢查潤滑油泵、各壓力調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、油道均正常，只是中間出現(xiàn)濾器壓差高報(bào)警，是因軸瓦合金層脫落后堵塞所致，不是造成事故的主要原因，而是擴(kuò)大事故損壞的原因;2）過載。螺旋槳纏繞纜繩、鋼絲繩、漁網(wǎng)等雜物，造成齒輪箱突然過載所致。經(jīng)調(diào)查，故障期間螺旋槳部位無異常聲音，同時(shí)主機(jī)各缸排氣溫度也無異常。后經(jīng)潛水勘驗(yàn)，螺旋槳及尾軸處清爽，排除外力因素;3）裝配間隙異常。這種現(xiàn)象主要有以下3種情況:a.軸承與軸的配合間隙過小。由于軸徑和軸瓦燒蝕嚴(yán)重不能測量原配合間隙，后期軸恢復(fù)尺寸后，用塞尺測得軸與新軸瓦前端、后端配合間隙值(見表1)。軸承座孔直徑230mm,軸瓦厚度10mm，基孔制配合，軸承間隙應(yīng)該在0.21±0.04mm。分析測得數(shù)值，發(fā)現(xiàn)第3道軸瓦前部(主機(jī)側(cè))105～180°范圍內(nèi)間隙超差;b.齒輪箱連接軸系曲折值和偏移值超差。拆除彈性聯(lián)軸器，測量軸系曲折值和偏移值（見表2)齒輪箱與軸發(fā)連接法蘭最大曲折值為上下側(cè)0.08mm，最大偏移值為上下側(cè)0.15mm;齒輪箱與主機(jī)連接法蘭最大曲折值為左右側(cè)0.04mm，最大偏移值為上下側(cè)0.12mm，均在正常范圍內(nèi);c.軸瓦承壓面積不足或是承壓點(diǎn)分布不均勻。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，軸瓦后側(cè)（螺旋槳側(cè)）瓦合金融化較多,為高溫初始點(diǎn)。修理前用假軸進(jìn)行著色劑檢測,軸瓦前段120°～180°范圍內(nèi)接觸不良，與前面軸瓦與軸配合間隙的判斷一致。經(jīng)綜合分析，確定了故障原因，第3道軸承座孔尺寸存在加工缺陷或是其他原因造成局部收口，軸瓦承壓面不足造成負(fù)荷分布不均，長期運(yùn)轉(zhuǎn)過后軸瓦合金狀態(tài)逐步惡化，最終造成該事故。四、修理過程及工藝1、齒輪箱箱體修復(fù)由于此次修理從現(xiàn)場勘驗(yàn)到修理方案的選定歷時(shí)較長，該過程中齒輪箱上下蓋一直處于分體狀態(tài)（齒輪箱下基座未動(dòng))。由于箱體在故障中高溫存在熱應(yīng)力，在長時(shí)間自由狀態(tài)下，上下箱體平面均有不同程度變形。箱體平面面積較大，且不宜下船修理，采用受熱部位敲擊釋放應(yīng)力、輕型高精度鋁鎂合金平尺著色找平、局部氬弧冷焊機(jī)焊補(bǔ)和砂輪機(jī)打磨的修復(fù)工藝。2、輸入軸修復(fù)輸入軸第3道軸外徑最大磨損達(dá)3mm，通過肉眼觀察表面發(fā)現(xiàn)有多處裂紋，后經(jīng)剖解發(fā)現(xiàn)最深裂紋處達(dá)16.5mm。由于電鍍及熱噴涂等工藝恢復(fù)尺寸的厚度有限、強(qiáng)度不易保證，同時(shí)采購備件周期較長、費(fèi)用高，遂采取焊補(bǔ)裂縫及外圓、車削和磨削恢復(fù)外軸尺寸。同時(shí)，結(jié)合合理的熱處理工藝的修復(fù)工，主要實(shí)施了以下步驟。1）前期測量外軸內(nèi)部孔徑、軸外徑及其他軸段的直徑，以便檢驗(yàn)焊接后未焊接部位的軸徑變化情況;將受損裂紋用角磨機(jī)剖開至止裂處用磁粉探傷，確定裂紋挖槽是否徹底;2）用多種焊絲進(jìn)行融合性試驗(yàn)，經(jīng)打磨平整后進(jìn)行磁粉探傷，確定焊條與外軸本體的互溶性。輸入軸材質(zhì)為18CrNiMo7-6，試驗(yàn)用316L焊條、304高鉻鎳鉬焊條、NiGrMo-3焊條均與本體不熔，唯有結(jié)構(gòu)鋼焊條J507、H10Mo2與本體相熔，最終選定H10Mo2焊材;3）機(jī)械清洗磁粉探傷的反差增強(qiáng)劑粉末，融溶劑擦洗欲堆焊部位?；鹧媛偌訜彷S徑至200～250℃，用￠2.4mmH10Mo2焊絲手工補(bǔ)裂紋槽。裂紋槽每焊接20mm長度，用鑿子、錘子打擊消除應(yīng)力(以便保證最小的彎曲變形)，焊接期間保證軸溫度在200～250℃之間，所有裂紋槽填滿后，用￠4mmH1OMo2焊絲自動(dòng)埋弧焊堆焊軸徑表面（調(diào)小電流和送絲速度)。因該軸上部有斜齒輪，焊接過程中需密切監(jiān)視齒面溫度不高于220℃(防止齒硬度下降)，更不能進(jìn)入250~350℃的低溫回火脆性區(qū)(原齒面經(jīng)過滲碳淬火、低溫回火處理);4）焊接完畢后，用石棉布包扎后緩慢冷卻，冷卻后上機(jī)床加工找正。車削加工堆焊軸段，留0.60~0.80mm加工余量。熱處理廠進(jìn)行高溫600℃回火，去除焊接殘余熱應(yīng)力（用鹽浴爐回火，軸直接插入爐中，齒輪留在外部空氣中)回火時(shí)密切測量齒面溫度，溫度過高時(shí)需吹風(fēng)冷卻（不高于220℃)。出爐后溫度降至200℃以下后平放，放在空氣流通場所快速冷卻，避免高溫回火脆性;5）修復(fù)后上車床檢查軸徑跳動(dòng)量，錘擊少量矯正。3、齒輪箱第3道軸承座孔修復(fù)1）加工跨第1~4道軸承座孔假軸一根，軸徑200mm±0.08mm（第1道座孔處)、230mm±0.08mm(第2道座孔處)、230mm±0.08mm(第3道座孔處)、260mm±0.08mm(第4道座孔處);2）將假軸放入座孔，在第1、2道軸承處分別放一磁性百分表，輕輕吊起假軸第3道軸承處使假軸抬頭，當(dāng)?shù)?道軸承處的表下沉不動(dòng)，第2道軸承處的表剛抬起時(shí)，即為準(zhǔn)確軸線位置，用塞尺測量脫空量，此值為氬弧冷焊需要焊補(bǔ)的座孔厚度;3）第3道座孔用氬弧冷焊機(jī)堆焊至測量值(冷焊時(shí)不宜長時(shí)間作業(yè)，溫度過高會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，需邊自然冷卻邊焊接);4）做一個(gè)與假軸第3道軸徑同樣尺寸的銅基樣瓦，用該樣瓦瓦背著色，粗略修復(fù)焊接的座孔表面;5）放入假軸，進(jìn)行假軸著色試驗(yàn)，用角磨機(jī)反復(fù)修磨焊接表面(該工藝需要專業(yè)工程師操作),直至軸孔配合達(dá)到設(shè)計(jì)值（座孔兩側(cè)間隙可以比上下間隙略大0.02mm，更容易形成楔形油膜)。以上修復(fù)工藝完成后，制定了試車方案，并根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)設(shè)置了專人監(jiān)控點(diǎn)，遇到異常狀況立即停車。五、結(jié)束語目前，文中所述船舶齒輪箱經(jīng)修復(fù)后已經(jīng)降負(fù)荷(不超過50%）安全運(yùn)轉(zhuǎn)2000h，通過對第3道軸承溫度密切觀察，各工況下該軸承溫度比修復(fù)前降低10℃。修復(fù)的輸入軸軸徑表面經(jīng)3次(每次運(yùn)轉(zhuǎn)500h）磁粉探傷均無裂紋，塞尺測量軸承間隙無明顯變化。經(jīng)拆檢齒輪箱高壓濾器，內(nèi)部狀況良好，潤滑油鐵譜分析各指標(biāo)正常。船舶齒輪箱損壞后，修理工期長、