某船用高速柴油機(jī)氣馬達(dá)打齒故障分析及解決方案

某船用高速柴油發(fā)電機(jī)組在船上進(jìn)行了6次起動(dòng)性能試驗(yàn)(3次機(jī)旁起動(dòng)停機(jī)、3次遙控起動(dòng)停機(jī))，均正常。隨后，在并車時(shí)，操作人員起動(dòng)一臺(tái)柴油機(jī)組，按下起動(dòng)按鈕后飛輪端發(fā)出異響。目測(cè)檢查發(fā)現(xiàn)：柴油機(jī)氣馬達(dá)齒輪輪齒全部損傷。飛輪齒圈輪齒出現(xiàn)不同程度磨損和損傷。截至故障發(fā)生時(shí)該機(jī)組累計(jì)運(yùn)行130h。一、故障現(xiàn)場(chǎng)情況檢查故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師對(duì)該機(jī)組柴油機(jī)氣馬達(dá)打齒的情況進(jìn)行檢查。檢查氣馬達(dá)齒輪與飛輪齒圈端面問(wèn)隙、氣馬達(dá)起動(dòng)空氣壓力值、起動(dòng)管路上過(guò)濾器、安裝零部件、氣馬達(dá)起動(dòng)電磁閥，均正常。檢查氣馬達(dá)的齒輪，13個(gè)輪齒全部損傷(如圖1a)所示)；飛輪齒圈非進(jìn)給側(cè)(靠近發(fā)電機(jī)端)有輪齒受損(如圖1b)所示)。圖1齒輪、飛輪受損情況二、故障排查基于對(duì)故障柴油機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)初步檢查，工廠對(duì)柴油機(jī)氣馬達(dá)的抱式支架、輔助支架、氣馬達(dá)齒輪、飛輪齒圈及緊固螺栓等相關(guān)零部件，從設(shè)計(jì)、工藝、實(shí)物質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程控制等方面逐一進(jìn)行排查。1、設(shè)計(jì)首先從設(shè)計(jì)角度對(duì)可能存在問(wèn)題的相關(guān)零部件進(jìn)行排查。（1）抱式支架氣馬達(dá)抱式支架安裝形式如圖2所示。圖2氣馬達(dá)抱式支架安裝示意圖對(duì)抱式支架強(qiáng)度進(jìn)行校核，有限元計(jì)算表明：抱式支架所受的最大應(yīng)力為112.24MPa(圖3)。圖3抱式支架仿真計(jì)算抱式支架材料為Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa?？梢?jiàn)：抱式支架所受的最大應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。（2）輔助支架前期對(duì)氣馬達(dá)安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在氣馬達(dá)端面位置增加了輔助支架，固定于機(jī)體上(圖4)。圖4氣馬達(dá)輔助支架安裝位置圖增加輔助支架，可以從設(shè)計(jì)上保證氣馬達(dá)軸向問(wèn)隙在一定范圍內(nèi)，同時(shí)可以提高氣馬達(dá)安裝強(qiáng)度。對(duì)輔助支架強(qiáng)度進(jìn)行校核，有限元計(jì)算表明：輔助支架所受的最大應(yīng)力為6.5MPa(圖5)。圖5輔助支架仿真分析輔助支架的材料選用Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa?？梢?jiàn)：輔助支架所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，滿足輔助支架的使用要求。（3）氣馬達(dá)與飛輪齒圈嚙合間隙根據(jù)氣馬達(dá)安裝使用說(shuō)明書(shū)，氣馬達(dá)齒輪和飛輪齒圈嚙合間隙為0.7～1.2mm。對(duì)兩個(gè)齒輪的間隙設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行排查：按照零件的極限偏差，兩個(gè)齒輪中心距最小為406.622mm，最大為407.11mm；用作圖法計(jì)算出設(shè)計(jì)嚙合間隙最小約為0.72mm，最大約為1.08mm(圖6)。圖6齒輪嚙合間隙示意圖設(shè)計(jì)的齒輪嚙合間隙在要求的范圍內(nèi)，滿足使用要求。對(duì)影響氣馬達(dá)嚙合間隙的相關(guān)零部件極限尺寸進(jìn)行排查：氣馬達(dá)抱式安裝極限偏差為±0.575mm，對(duì)應(yīng)的嚙合間隙為0.72～1.08mm，滿足氣馬達(dá)說(shuō)明書(shū)規(guī)定的0.7～1.2rnm要求；輔助支架安裝孔與機(jī)體螺紋孔的單邊間隙為1mm(>0.575mm)，滿足氣馬達(dá)在極限偏差安裝下，輔助支架安裝間隙的要求。氣馬達(dá)支架徑向裝配圖如圖7所示。圖7支架徑向裝配圖(4)氣馬達(dá)與飛輪齒圈軸向間隙設(shè)計(jì)由氣馬達(dá)圖紙可知，氣馬達(dá)齒輪和飛輪齒圈的軸向間隙設(shè)計(jì)理論值為5mm。排查影響氣馬達(dá)軸向間隙的相關(guān)零部件尺寸：氣馬達(dá)齒輪和飛輪齒圈的最小軸向間隙為4.516mm，最大軸向間隙為5.188mm，滿足氣馬達(dá)齒輪和飛輪齒圈軸向間隙6±1.5mm的要求。2、相關(guān)零部件質(zhì)量故障件返廠后，工廠對(duì)氣馬達(dá)安裝涉及的相關(guān)零部件進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)。排查結(jié)果顯示：抱式支架、輔助支架、氣馬達(dá)、飛輪齒圈、緊固螺栓的質(zhì)量均合格。3、氣馬達(dá)安裝工藝對(duì)照《柴油機(jī)氣馬達(dá)安裝作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》，從安裝工藝的角度進(jìn)行排查。氣馬達(dá)安裝時(shí)應(yīng)先安裝氣馬達(dá)的輔助支架，擰緊與機(jī)體連接的輔助支架固定螺栓(步驟一)；然后將氣馬達(dá)安裝在抱式支架內(nèi)(步驟二)，最后將氣馬達(dá)與輔助支架固定連接(步驟三)，安裝示意如圖8。圖8氣馬達(dá)安裝示意圖通過(guò)對(duì)氣馬達(dá)安裝工藝的排查，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：?jiǎn)栴}一，安裝順序上，南于機(jī)體與輔助支架連接處安裝螺栓M12與孔(Ф14)存在2mm間隙，安裝輔助支架時(shí)支架會(huì)產(chǎn)生徑向偏移。安裝輔助支架后再安裝氣馬達(dá)，輔助支架在徑向產(chǎn)生的偏移會(huì)使氣馬達(dá)齒輪和齒圈軸線不平行，引起齒輪與飛輪齒圈嚙合間隙變化，導(dǎo)致齒輪受力異常。問(wèn)題二，氣馬達(dá)與輔助支架連接處留有8個(gè)孔，但按設(shè)計(jì)連接輔助支架與氣馬達(dá)的螺栓只需4個(gè)，安裝工藝上也未明確該4個(gè)螺栓應(yīng)均布。三、故障原因分析對(duì)安裝工藝的排查表明：造成此次柴油機(jī)氣馬達(dá)齒輪和飛輪齒圈損壞的原因主要為氣馬達(dá)安裝工藝錯(cuò)誤。在氣馬達(dá)裝配過(guò)程中，輔助支架與氣馬達(dá)之間產(chǎn)生了異常的作用力，影響了齒輪與飛輪齒圈的齒面平行度和嚙合間隙。由于齒面平行度不好，在柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，相互作用的輪齒非完全線接觸，輪齒之間的有效受力面積減小，接觸應(yīng)力增大，最終超出輪齒的承載極限導(dǎo)致齒輪損壞。此外，平行度不好也會(huì)導(dǎo)致氣馬達(dá)齒輪無(wú)法退出，而跟隨飛輪齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，造成打齒。四、整改措施及驗(yàn)證基于上述故障原因分析，提出安裝工藝改進(jìn)方案。具體安裝步驟如下：(1)將帶輔助支架的氣馬達(dá)預(yù)裝在抱式支架上，手動(dòng)預(yù)緊螺栓M10防止馬達(dá)掉落，并在螺栓M10上涂抹螺紋鎖固膠；(2)推動(dòng)輔助支架，使輔助支架與機(jī)體面緊密貼合，用扳手預(yù)緊輔助支架與機(jī)體安裝面的3個(gè)螺栓M12，查看輔助支架與機(jī)體面貼合情況，后松開(kāi)輔助支架安裝螺栓M12；(3)擰緊抱式支架螺栓M10，將氣馬達(dá)固定在抱式支架上，按規(guī)定擰緊力矩?cái)Q緊，劃線標(biāo)記；(4)取下輔助支架與機(jī)體連接的3個(gè)螺栓M12，用塞尺檢驗(yàn)輔助支架與機(jī)體之間的貼合度，要求輔助支架與機(jī)體之間間隙不大于0.10mm，滿足貼合要求后，用螺栓M12將輔助支架固定到機(jī)體上，按規(guī)定擰緊力矩?cái)Q緊，劃線標(biāo)記。輔助支架與氣馬達(dá)相對(duì)位置如圖9所示。圖9輔助支架與氣馬達(dá)相對(duì)位置按照前期的安裝工藝進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)：在100次氣馬達(dá)起動(dòng)后，氣馬達(dá)齒輪發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨損(圖10)。圖10故障復(fù)現(xiàn)后的飛輪