船用齒輪箱軸帶滑油泵的故障分析與改進(jìn)措施

船用齒輪箱是艦艇推進(jìn)動(dòng)力裝置的重要組成部分,齒輪箱軸帶滑油泵是齒輪箱滑油系統(tǒng)中的重要設(shè)備,該泵故障的發(fā)生將導(dǎo)致艦艇推進(jìn)動(dòng)力裝置失效。國(guó)內(nèi)某艦船采用德國(guó)RENK齒輪公司制造的齒輪箱,其中軸帶滑油泵為德國(guó)LEIST-RITZ公司產(chǎn)品。該艦船曾兩次發(fā)生左齒輪箱軸帶滑油泵故障,導(dǎo)致齒輪箱二次故障,造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。本文分析船用齒輪箱軸帶滑油泵故障原因,提出改進(jìn)措施。一、齒輪箱軸帶滑油泵結(jié)構(gòu)及其故障分析1、齒輪箱軸帶滑油泵結(jié)構(gòu)圖1齒輪箱軸帶滑油泵結(jié)構(gòu)軸帶滑油泵為L(zhǎng)3MG型三螺桿泵,其結(jié)構(gòu)如圖1所示，左右機(jī)滑油泵結(jié)構(gòu)相同，型號(hào):L3MG125/210（左),L3MG125/250（右),主要性能參數(shù):輸入轉(zhuǎn)速為1555r/min,滑油排量為2000L/min(左)和2550L/min(右)。這兩型泵在同類型產(chǎn)品中無(wú)論從結(jié)構(gòu)尺寸或滑油排量來(lái)講都是比較大的。2、故障現(xiàn)象現(xiàn)場(chǎng)勘查情況:一是齒輪箱內(nèi)有散落的滾柱軸承滾柱和一些金屬塊;二是拆下軸帶滑油泵,首先發(fā)現(xiàn)其滾柱軸承已損壞,主動(dòng)螺桿前竄。分解后發(fā)現(xiàn):(1)主動(dòng)螺桿球面滾柱軸承損壞,軸承保持架破碎脫落,滾柱大部分掉出,內(nèi)外滾道嚴(yán)重磨損;(2)主動(dòng)螺桿竄出之后,其端部固定泵用小齒輪的鎖緊螺母嚴(yán)重?fù)p壞,主螺桿端部鎖緊螺母尚殘留的根部;(3)由于主動(dòng)螺桿前竄,其頂端與齒輪箱Ⅱ級(jí)大齒輪輻板相撞和摩擦,輻板上24個(gè)螺栓頭部全部被切掉,輻板被磨出寬約100mm、深約2~3mm的環(huán)狀帶。3、故障原因分析從故障現(xiàn)象分析,軸帶滑油泵故障是因泵內(nèi)的軸承損壞引起的。其主動(dòng)螺桿上的軸承因保持架和滾柱破碎脫落而失效,失去支撐和軸向定位作用,而在泵體內(nèi)又沒(méi)有設(shè)計(jì)其它限位結(jié)構(gòu)限制主動(dòng)螺桿的軸向竄動(dòng),致使主動(dòng)螺桿在軸向力的作用下向齒輪箱內(nèi)竄出,其軸端撞到Ⅱ級(jí)大齒輪輻板,導(dǎo)致?lián)p壞的螺栓和金屬屑、軸承碎塊等落入齒輪箱,引發(fā)齒輪箱二次故障。造成故障的可能原因:一是軸承本身存在問(wèn)題或存在離散性。二是滑油系統(tǒng)是否存在著特殊原因造成軸帶滑油泵損壞。如果軸帶滑油泵進(jìn)口壓力較高,系統(tǒng)的溢流閥、單向閥存在不正?，F(xiàn)象,進(jìn)出口管的連接不符合要求等,也能造成故障的發(fā)生。因此,需進(jìn)行拆檢,測(cè)試、計(jì)算和分析,才能得出準(zhǔn)確的結(jié)論。三、關(guān)鍵部位檢測(cè)與分析1、軸承分析與核算軸帶滑油泵原裝鼓形滾柱軸承,型號(hào)為FAG21315,核算其正常使用壽命在6萬(wàn)h以上。但兩次故障發(fā)生的間隔使用時(shí)間,僅有2000h,;通過(guò)對(duì)滑油系統(tǒng)的檢測(cè),低工況時(shí)滑油泵吸入口存在0.88MPa左右的壓力,產(chǎn)生約16.85kN的軸向力,使軸承承受較大的軸向載荷。由于該型軸承其軸向承載能力較差,在軸向載荷的作用下,其使用壽命大大降低。計(jì)算表明:該型軸承在受到16.85kN軸向力作用時(shí),其額定壽命下降到1562h。2、滑油系統(tǒng)檢測(cè)（1）左、右舷齒輪箱靜態(tài)、動(dòng)態(tài)滑油壓力對(duì)比測(cè)試測(cè)試參數(shù)為:齒輪箱入口滑油壓力、齒輪箱入口滑油溫度、軸帶泵入口壓力、軸帶泵出口壓力。測(cè)試結(jié)果表明:①左右齒輪箱軸帶滑油泵拆除后的相同條件下,在電動(dòng)滑油泵啟動(dòng)時(shí),軸帶滑油泵入口瞬時(shí)峰值油壓左泵為1.24MPa,右泵為1.2MPa,左泵比右泵高0.04MPa。在電動(dòng)滑油泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，軸帶泵入口油壓左泵為0.94MPa,右泵為0.98MPa,左泵比右泵低0.04MPa。②右齒輪箱在軸帶滑油泵未拆除前,電動(dòng)備用油泵啟動(dòng)時(shí),軸帶滑油泵入口瞬時(shí)峰值油壓為1.21MPa,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)軸帶泵入口油壓為1.0MPa,說(shuō)明軸帶滑油泵拆卸與否對(duì)其入口油壓基本上沒(méi)有影響。③在右柴油機(jī)低速工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸帶滑油泵與電動(dòng)泵自動(dòng)轉(zhuǎn)換,電動(dòng)泵投入運(yùn)行時(shí),軸帶滑油泵入口瞬時(shí)峰值油壓為1.02MPa,穩(wěn)定運(yùn)行油壓為0.95MPa,說(shuō)明在低速工況運(yùn)行轉(zhuǎn)換時(shí)軸帶泵入口峰值和穩(wěn)定油壓均有所下降。（2）軸帶滑油泵管路接口及安裝狀況檢查①滑油泵管路檢查測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2(編號(hào)順序?yàn)閺南贤庀騼?nèi)看;箭頭指油管法蘭偏移方向),檢查結(jié)果見(jiàn)表1。圖2

管路檢查測(cè)點(diǎn)位置②泵體的變形測(cè)量?jī)蓧K表裝在泵體前端(自由端)外圓柱面上。一塊監(jiān)測(cè)垂直方向,另一塊監(jiān)測(cè)水平方向。測(cè)量結(jié)果:左泵:螺栓擰緊前水平方向0,垂直方向0;螺栓擰緊后,水平方向-0.10,垂直方向-0.13。右泵:螺栓擰緊前,水平方向0,垂直方向0;螺栓擰緊后,水平方向-0.05,垂直方向-0.05。③油泵的安裝平面檢查檢查測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖3,檢查結(jié)果見(jiàn)表2。圖3

安裝平面檢查測(cè)點(diǎn)位置用內(nèi)徑千分表及外徑千分尺測(cè)量軸帶滑油泵安裝止口尺寸，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。④測(cè)量結(jié)果分析左泵進(jìn)油接管法蘭向下偏位約5.5mm,右泵進(jìn)油管法蘭向下偏位約2.3mm,左泵法蘭偏位較大,兩法蘭開(kāi)口右泵大于左泵。泵體變形是油管法蘭偏位和開(kāi)口引起的綜合影響,左泵復(fù)合變形量最大,達(dá)0.164mm。（3）滑油系統(tǒng)檢查拆檢范圍:軸帶滑油泵的連接管路;軸帶滑油泵出口單向閥46;進(jìn)出口排氣管路上單向閥47;系統(tǒng)溢流閥52/1,52/2,如圖4所示。圖4

滑油系統(tǒng)原理圖檢查結(jié)果:(1)軸帶滑油泵進(jìn)出口管路連接符合齒輪箱使用說(shuō)明書(shū)的設(shè)計(jì)要求。(2)單向閥46未發(fā)現(xiàn)油泥及其它沉積物,閥的密封面正常,啟閉順暢,工作正常。(3)閥47未發(fā)現(xiàn)油泥及其它沉積物,密封面完好,啟閉正常。(4)溢流閥52/1和52/2的主閥連接面的O型密封圈完好,閥內(nèi)部連接油孔探測(cè)檢查未發(fā)現(xiàn)油泥,控制油管路通氣檢查暢通。主閥拆解檢查，密封面完好,活塞運(yùn)動(dòng)自如,無(wú)卡滯現(xiàn)象。檢查結(jié)果表明:滑油系統(tǒng)中的溢流閥、單向閥等未出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象,可認(rèn)為其與軸帶滑油泵故障無(wú)關(guān)。四、故障判斷從測(cè)試檢查的結(jié)果看,左齒輪箱軸帶滑油泵在滑油泵進(jìn)出口管路固緊后,泵體自由端偏斜0.164mm,比右泵大0.072~0.108mm。軸帶滑油泵進(jìn)口壓力沖擊值為1.24MPa，比右泵高0.04~0.30MPa。雖然該泵工作條件較差,但尚不能構(gòu)成左齒輪箱故障的特殊原因。因此,軸帶滑油泵在低轉(zhuǎn)速時(shí)存在較大軸向力,加之原設(shè)計(jì)軸承承受軸向力的能力較低,使軸承壽命大幅度下降,是左齒輪箱軸帶滑油泵發(fā)生故障的主要原因。同時(shí),不排除軸承質(zhì)量離散性是引發(fā)故障的特殊原因。齒輪箱軸帶滑油泵可靠性設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重缺陷。軸承損壞后沒(méi)有其他限制主螺桿軸向竄動(dòng)的限位結(jié)構(gòu)，滑油泵軸承一旦損壞，必然導(dǎo)致齒輪箱的重大故障。五、改進(jìn)措施根據(jù)實(shí)船狀態(tài)，在保持泵原安裝關(guān)系不變的條件下，可采取以下改進(jìn)措施：(1)加裝限位器及位移報(bào)警在泵體前端內(nèi)腔設(shè)置軸向限位機(jī)構(gòu)，可限制螺桿的軸向竄動(dòng)。同時(shí)設(shè)置報(bào)警裝置，一旦螺桿位移超過(guò)設(shè)定值即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖5。圖5限位及報(bào)警裝置由于軸帶滑油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分緊湊，可利用空間有限，只能在軸承外徑與泵殼內(nèi)壁之間的狹小空間內(nèi)布置小型限位器。限位器設(shè)置在泵體前端內(nèi)腔，采用螺紋連接安裝在泵端蓋上。限位器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。圖6

限位器結(jié)構(gòu)(2)增設(shè)軸承溫度和位移報(bào)警裝置在軸承部位增設(shè)溫度傳感器及其報(bào)警裝置,軸承溫度超過(guò)設(shè)定值即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。溫度傳感器埋設(shè)在泵的襯套端部的軸承部位,導(dǎo)線從泵端蓋上開(kāi)孔引出,詳見(jiàn)圖7。報(bào)警裝置將軸承溫度報(bào)警和限位報(bào)警合為一體。圖7軸承溫度傳感器（3)更換球面滾柱軸承將主螺桿前端的原支持軸承更換為基本額定動(dòng)負(fù)荷，軸承承載能力(特別是軸向承載能力)大的新型軸承,提高其壽命。經(jīng)查,選用SKF22315E型軸承較為合適,與原軸承FAG21315相比,軸承內(nèi)徑和外徑一致,軸承寬度比原軸承增加了18mm,但不影響軸帶滑油泵結(jié)構(gòu)性的改變。在同樣載荷條件下,22315E型軸承的軸向承載能力提高約1倍,基本額定壽命可提高約25.5倍,達(dá)到39925h。換裝新軸承后,在同樣工況條件下,軸帶滑油泵使用壽命也會(huì)得到改善。(4)端蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)根據(jù)選用的新型軸承尺寸,在保持原端蓋安裝位置不變的前提下,設(shè)計(jì)制作新的端蓋。保持原安裝定位結(jié)構(gòu)不變,將軸向?qū)挾仍黾拥?5mm,增設(shè)加裝限位器、軸承溫度傳感器及引線通道。(5)加裝節(jié)流孔板在滑油系統(tǒng)橋管加裝減壓元件,以降低軸帶滑油泵在低工況時(shí)的入口背壓,改善該泵低工況時(shí)的工作條件。采用加裝節(jié)流孔板方法,但其節(jié)流孔板孔徑需經(jīng)計(jì)算并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)后確定。經(jīng)計(jì)算,選用的Ф30mm、Ф40mm兩種節(jié)流孔板用于滑油系統(tǒng)減壓,通過(guò)在臺(tái)架上分別試驗(yàn),最后選定孔徑為30mm的節(jié)流孔板。六、實(shí)船試驗(yàn)及改進(jìn)效果1、軸帶滑油泵臺(tái)架試驗(yàn)修復(fù)改進(jìn)的軸帶滑油泵組裝合格后,按照臺(tái)架試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),試驗(yàn)表明其狀態(tài)較好,運(yùn)行數(shù)均在正常范圍內(nèi),可轉(zhuǎn)為實(shí)船試驗(yàn)。2、系泊試驗(yàn)在碼頭系泊試驗(yàn)中,按試驗(yàn)大綱分別進(jìn)行柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)系泊工況試驗(yàn)。試驗(yàn)是在零螺距工況下進(jìn)行,各運(yùn)行5min。試驗(yàn)過(guò)程中軸帶滑油泵運(yùn)行平穩(wěn),未發(fā)生任何異?，F(xiàn)象和響聲。3、航行試驗(yàn)修復(fù)改進(jìn)的軸帶滑油泵裝船后,按航行試驗(yàn)大綱要求,左齒輪箱分別進(jìn)行柴油機(jī)進(jìn)一至進(jìn)五、退五,燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)一至進(jìn)五、全速、最大倒車、柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)交替等工況試驗(yàn)。軸帶滑油泵共試驗(yàn)運(yùn)行約130h,其中低工況運(yùn)行52h。先后經(jīng)受了多次離靠碼頭的低工況運(yùn)行考核。航行試驗(yàn)期間左齒輪箱運(yùn)行參數(shù)均在正常范圍內(nèi)。航行試驗(yàn)結(jié)果表明,軸帶滑油泵各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常,修復(fù)改進(jìn)后的軸帶滑油泵質(zhì)量滿足性能使用要求。軸承溫度顯示正常,運(yùn)行過(guò)