GC2000LAH型柴油發(fā)電機組軸系軸向竄動的危害及故障原因分析與排除

摘 要：本文是基于某陶瓷廠的GC2000LAH型柴油發(fā)電機組在運行大約400小時左右，機組軸系出現(xiàn)連續(xù)性軸向竄動故障現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，對GC2000LAH型柴油發(fā)電機組軸系的軸向竄動故障原因進行分析與故障排除：借助軸系動力學(xué)行為表現(xiàn)特性，分析了軸系的軸向竄動對機組的工作性能、可靠性和使用壽命造成的影響；根據(jù)現(xiàn)場對軸向竄動原因的分析結(jié)果，說明故障排除的方法和步驟，并為柴油發(fā)電機組在制造、安裝和調(diào)試過程，提出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：GC2000LAH型柴油發(fā)電機組；軸系；軸向竄動；故障；排除

Harm， Cause Analysis and Troubleshooting of Shafting Axial Displacement for GC2000LAH Diesel Generator Set

CHEN Zebin， LI Zhijun

( Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd. Guangzhou 510371 )

Abstract: This paper analyzes the reasons for shafting axial displacement and removes the fault for GC2000LAH diesel generator set from a ceramic factory， that is the continuous axial displacement after the generator set running about 400 hours. With the help of shafting dynamics characteristics， it analyzes the effect of shafting axial displacement on the engine set working performance， reliability and service life， shows the troubleshooting methods and steps according to the displacement reason and also puts forward the corresponding proposal for generator set during manufacture， installation and debugging.

Key words: GC2000LAH diesel generator set; Shafting; Axial displacement; Fault; Troubleshooting

1 軸系軸向竄動故障的現(xiàn)象

1.1 GC2000LAH型柴油發(fā)電機組簡介

廣州柴油機廠股份有限公司生產(chǎn)的12V320ZD型柴油機是：V型、四沖程、水冷、直接噴射、廢氣渦輪增壓、進氣中間冷卻的中速柴油機，該柴油機作為發(fā)電機組的原動機使用。在配套RATO-S3412高彈性聯(lián)軸器、TF2000-14/1730 10500V發(fā)電機后組成GC2000LAH型柴油發(fā)電機組供某陶瓷廠發(fā)電使用，如圖1所示。

1.2 故障現(xiàn)象

2010年10月上旬，在GC2000LAH型柴油發(fā)電機組運行大約400小時左右時發(fā)現(xiàn)：機組在高負荷工況下運行時機組軸系出現(xiàn)連續(xù)性軸向竄動現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗驗證：軸系開始是往發(fā)電機方向竄動的，且竄動幅度隨加載負荷的升高而增大（機組運行在1 200kW負荷以下時，幾乎察覺不到軸系軸向竄動現(xiàn)象），目測最大值約為3～4 mm。

我們在不同時間段多次拆開柴油機曲軸箱蓋和發(fā)電機前端軸承蓋，對柴油發(fā)電機組各相應(yīng)間隙值進行測量，軸系間隙示意圖見圖2，測量結(jié)果見表1：

①柴油發(fā)電機組軸系分中情況很不理想；

②柴油機曲軸止推間隙值較柴油機出廠間隙值增大0.04 mm；并且，在拆開發(fā)電機前端軸承端蓋后發(fā)現(xiàn)，軸瓦端面（靠近柴油機飛輪端）與轉(zhuǎn)子軸軸頸端面有明顯擠壓現(xiàn)象、轉(zhuǎn)子軸頸端面輕微發(fā)黑（見圖3）。

L1/L2.發(fā)電機前端軸瓦端面與轉(zhuǎn)子軸軸頸端面的間隙 L3. 柴油機曲軸止推軸承靠自由端間隙

L4. 柴油機曲軸止推軸承總間隙

圖2 機組軸系間隙示意圖

圖3 發(fā)電機前端軸瓦與軸頸端面擠壓摩痕

從現(xiàn)場故障現(xiàn)象看，柴油發(fā)電機組軸系的軸向竄動，已造成機組部分零部件的損傷?；谔沾蓮S對用電量的需求，我們提出維持機組在較低負荷下運行直至故障解決的建議。

經(jīng)過對故障的進一步分析后，我們認為此次故障是由于機組內(nèi)部力學(xué)不平衡所致。眾所周知，柴油發(fā)電機組在運轉(zhuǎn)過程中，存在著周期變化的不平衡力和力矩，假如這些力和力矩在機組內(nèi)部不能相互抵消，就會引起機組振動，振動必將影響到柴油發(fā)電機組的工作性能、可靠性和使用壽命。試想倘若軸系的軸向竄動故障持續(xù)下去，其結(jié)果會是怎樣？

2 軸系動力學(xué)行為與故障危害

對于陸用柴油發(fā)電機組來說，軸系的受力情況是極其復(fù)雜的。因而，為了明確柴油發(fā)電機組軸系的軸向竄動故障所可能誘發(fā)的一系列危害，則必須正確了解軸系動力學(xué)的行為表現(xiàn)形式，并正確分析引起故障的振動力源。

2.1 軸系動力學(xué)行為表現(xiàn)形式及特性

GC2000LAH型柴油發(fā)電機組工作過程中軸系受力情況極其復(fù)雜的，例如：以曲柄連桿機構(gòu)作為主要運動機構(gòu)的柴油機曲軸直接或間接地受到周期性變化的氣體壓力、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、大小及方向均交替變化的往復(fù)慣性力以及滑動軸承動壓油膜支撐力，此外，軸系還可能受到高彈性聯(lián)軸器在徑向和軸向上的交變應(yīng)力以及發(fā)電機磁場力的共同作用。

無論機組軸系中受到何種作用力，其在動力學(xué)行為上均表現(xiàn)為：扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動（又稱回轉(zhuǎn)振動或橫向振動）、縱向振動以及三種振動形式的耦合。從理論上講，柴油發(fā)電機組軸系的振動，都是耦合振動，一種振動往往誘發(fā)其它一種甚至幾種振動的發(fā)生，加之曲軸屬于典型的非對稱結(jié)構(gòu)，具有各向異性及各向耦合的特點。因此，軸系所出現(xiàn)的軸向竄動不僅能激起縱向振動，而且也可以激起扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動及三者的耦合振動。

由此可見，柴油發(fā)電機組運行過程中的內(nèi)部力學(xué)是否平衡，對機組的工作性能、可靠性和使用壽命是極其重要的，因此，柴油發(fā)電機組的平衡特性是機器在設(shè)計階段的一個重要課題。正常情況下的柴油發(fā)電機組運行過程中其內(nèi)部的各種不平衡應(yīng)力和力矩是能夠相互抵消的，從而使機組處于力學(xué)平衡狀態(tài)的。但從現(xiàn)場的故障現(xiàn)象來看，機組顯然是在不平衡狀態(tài)下運行的，所以，可以肯定的是：當(dāng)柴油發(fā)電機組軸系在軸向上存在一個無法抵消的應(yīng)力F，打破了機組運行過程中原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，從而引起軸系的軸向竄動。

2.2 軸系軸向竄動故障的危害

通過上述對柴油發(fā)電機組軸系動力學(xué)行為表現(xiàn)形式及特性的分析，使我們清楚地意識到軸系軸向竄動不僅能激起縱向振動，也可以激起扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動，特別是當(dāng)縱向振動固有頻率與扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動固有頻率相同或相近時還會產(chǎn)生一系列的耦合振動現(xiàn)象，其對機組的安全運轉(zhuǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

一般來說，軸系的軸向竄動有下述幾方面的危害：

① 竄動過大將造成活塞連桿總成偏離氣缸中心，活塞受力不均后將側(cè)擊缸套，從而破壞活塞與缸套的潤滑油膜，使氣缸異常磨損、漏油甚至?xí)?dǎo)致連桿變形；

② 竄動所引起的縱向振動會導(dǎo)致相關(guān)零件如主軸承螺栓等因剪切力疲勞而發(fā)生斷裂，乃至曲軸本身的斷裂也與此有關(guān)；

③ 竄動所引起的縱向振動會使一些重要的傳動機構(gòu)，如：高壓油泵齒輪和配氣齒輪的相位發(fā)生變化，從而改變機組的運行工況，使缸內(nèi)壓力震蕩劇烈；

④ 當(dāng)竄動所引起振動的振幅或附加應(yīng)力大于高彈性聯(lián)軸節(jié)的許用值時，也會造成高彈性聯(lián)軸器損傷或斷裂；

⑤ 竄動會造成軸系中承受推力軸承的異常磨損（或松動）；

⑥ 竄動會激發(fā)機組表面及其安裝附件的振動，從而會使整機的噪聲聲壓級升高；

⑦ 以及其他不良的后果。

3 軸系軸向竄動故障分析與排除

經(jīng)過前面對故障現(xiàn)象的介紹和軸系動力學(xué)分析，對故障的排除從根本上講即消除軸系的軸向力F，重新實現(xiàn)機組內(nèi)部的力學(xué)平衡，為此需要對誘發(fā)軸向力F的因素逐一進行排查，具體的排除過程如下。

3.1 12V320型柴油機分析與檢查

我們知道對于柴油機而言，其氣缸內(nèi)氣體力和往復(fù)慣性力通過連桿作用在曲柄銷上的法向力是軸系縱向振動的激勵源。然而，320系列柴油機作為一種成熟機型，其性能穩(wěn)定，我司迄今為止已生產(chǎn)1 000多臺，并廣泛應(yīng)用于船舶、大型發(fā)電廠等多個領(lǐng)域。根據(jù)我司對該系列柴油機多年的研究經(jīng)驗和從本次出現(xiàn)故障的GC2000LAH機組的12V320型柴油機的出廠臺架試驗記錄數(shù)據(jù)參數(shù)情況，可以斷定該臺柴油機是具有良好的平衡特性的，柴油機在運轉(zhuǎn)過程中，所產(chǎn)生的周期變化的不平衡力和力矩，在柴油機內(nèi)部是能夠被相互抵消的。在整個故障處理過程中，我們認為無需將12V320型柴油機列為故障檢查優(yōu)先考慮的對象，而故障處理結(jié)果也證明我們的判斷是正確的。

3.2 TF型發(fā)電機分析與檢查

現(xiàn)場的實際情況告訴我們，對于所配套的TF2000-14/1730 10 500 V發(fā)電機作為誘發(fā)軸向力F的因素從而導(dǎo)致柴油發(fā)電機組軸系出現(xiàn)軸向竄動故障的可能性是存在的，因此，我們認為有必要對發(fā)電機進行全面分析檢查。

正如我們所知的，發(fā)電機在起勵后其定、轉(zhuǎn)子磁勵線將自動尋找對中，以保證磁場穩(wěn)定。機組軸系的軸向力F是否來源于發(fā)電機以及F的特性均取決于在加載運行中發(fā)電機內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子磁勵線的相對位置。由于無法通過發(fā)電機外型對其定、轉(zhuǎn)子對中情況進行檢查，我們預(yù)設(shè)了兩種可能出現(xiàn)的情況：

① 發(fā)電機在靜態(tài)下定、轉(zhuǎn)子磁勵線出現(xiàn)錯位，導(dǎo)致機組運行后，軸系出現(xiàn)軸向的連續(xù)性竄動。

由于在起勵過程中為確保發(fā)電機運行中磁場的穩(wěn)定性，磁場在軸向上勢必會產(chǎn)生一個磁場力迫使發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸在軸向上發(fā)生移動至系統(tǒng)穩(wěn)定后消失，加之磁場對中后將不再隨著加載負荷而變化。這顯然與現(xiàn)場故障現(xiàn)象不符合。

分析結(jié)果顯示，發(fā)電機在靜態(tài)下定、轉(zhuǎn)子磁勵線在軸向上存在一定量的間隙這與機組的故障沒有必然聯(lián)系。而從拆檢測量的軸系間隙數(shù)據(jù)上看，又不能完全排除這種可能，故唯有通過試驗對其進行驗證。

經(jīng)計算轉(zhuǎn)子軸向位置往柴油機方向移動了2.7 mm，故將定子軸向位置往柴油機方向移動了相同距離。起動機組在高負載下運行了1小時后，發(fā)現(xiàn)未能消除故障。

② 發(fā)電機在定、轉(zhuǎn)子磁勵線對中良好情況下運行時，對轉(zhuǎn)子軸上施加一個大小周期性變化的軸向外力，其將迫使轉(zhuǎn)子軸在軸向上產(chǎn)生一定位移量，從而破壞磁場穩(wěn)定引起機組軸系軸向的連續(xù)性竄動。

由于發(fā)電機為確保磁場的穩(wěn)定性，磁場在軸向上將產(chǎn)生一個與軸向外力大小、方向均相反的磁場力迫使發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸軸向位置恢復(fù)到正常狀態(tài)。

分析結(jié)果顯示，若存在一個大小周期性變化的軸向外力，在作用力的交變作用下，機組軸系將出現(xiàn)軸向竄動，發(fā)電機上的軸向外力很可能來自于高彈，到此故障的癥結(jié)所在也逐漸清晰化了。

另外，在發(fā)電機的檢查過程中，我們也多次對發(fā)電機進行起勵、空載，觀察其在不同負載情況下的運行參數(shù)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 RATO-S型高彈性聯(lián)軸器分析與檢查

RATO-S3412高彈性聯(lián)軸器是一種扭轉(zhuǎn)彈性橡膠聯(lián)軸器，作為動力傳動元部件用于GC2000LAH型柴油發(fā)電機組的傳動軸系中，起到減小軸系扭轉(zhuǎn)振動的危害，補償徑向、軸向和角向?qū)χ姓`差，補償旋轉(zhuǎn)動量的振蕩和調(diào)整系統(tǒng)的扭振性能等作用。

其橡膠彈性元件為橡膠與鋼板粘合在一起的三明治結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，左右分別為鋼質(zhì)斜法蘭和直法蘭，中間部分為橡膠。

圖4 RATO-S3412高彈橡膠彈性元件結(jié)構(gòu)圖

為了弄清楚柴油發(fā)電機組在運行過程中，高彈性聯(lián)軸器是否在軸向方向上存在一個軸向應(yīng)力F，我們利用高彈性聯(lián)軸器配套商提供的參數(shù)信息以及對相關(guān)資料的了解分析對高彈進行故障檢查。

3.3.1 高彈橡膠彈性元件的分析

當(dāng)橡膠彈性元件，在承受轉(zhuǎn)矩作用時，若高彈性聯(lián)軸器彈性元件的法蘭在軸向被約束住，彈性元件產(chǎn)生的軸向力將是很大的。在柴油發(fā)電機組中則表現(xiàn)為，向柴油機和發(fā)電機兩個方向同時施加軸向力F。

這將導(dǎo)致本文在3.2中所預(yù)設(shè)的“b”種情況的發(fā)生。

通常，在高彈性聯(lián)軸器的設(shè)計和安裝調(diào)試過程中，往往采取軸向位移補償措施（即，軸向位移補償?shù)哪芰Υ笥诟邚椣鹉z彈性元件在加載最大允許轉(zhuǎn)矩時所產(chǎn)生的最大軸向位移量）來有效避免由于橡膠彈性元件受扭時所產(chǎn)生的軸向力產(chǎn)生的危害。正如，在柴油發(fā)電機組安裝調(diào)試中，通過正確調(diào)整RATO-S3412高彈性聯(lián)軸器的調(diào)整墊片厚度作為補償措施，才能確保機組在運轉(zhuǎn)過程中軸系的合理對中。

3.3.2 高彈檢查與故障排除

基于對高彈橡膠彈性元件的分析結(jié)果，在確認故障原因可能出在高彈調(diào)整墊片之后，我們拆下調(diào)整墊片并對機組軸系各間隙和墊片厚度（即，高彈輸出法蘭與發(fā)電機輸入法蘭的間隙）進行測量。

墊片厚度平均值為：20.23 mm；

軸系各間隙值：見表1，第3項。

經(jīng)計算分析：若機組軸系間隙分中正常時，則高彈輸出法蘭與發(fā)電機輸入法蘭的間隙應(yīng)在目前基礎(chǔ)上減少大約2.90 mm?？紤]到測量結(jié)果受測量誤差以及其他因素的影響，決定先將墊片厚度加工至17.80 mm（允差±0.1）。

在安裝新加工的調(diào)整墊片后，起動柴油發(fā)電機組，并經(jīng)不同工況的反復(fù)試驗跟蹤，運行至今（約3500小時）未出現(xiàn)過軸系的軸向竄動現(xiàn)象，我們確定該故障以得到有效解決。

為了安全起見在機組高彈故障的檢查排除過程中，同時對機組高彈的質(zhì)量進行檢測（如：高彈外型尺寸、橡膠粉末顆粒、高負載工況下溫度、高彈性能等），檢測結(jié)果未見明顯異常。

4 軸系軸向竄動的預(yù)防措施

通過故障危害性的了解，并結(jié)合現(xiàn)場對實際問題的分析與處理，對預(yù)防柴油發(fā)電機組出現(xiàn)軸系軸向竄動故障提出相關(guān)建議：

① 制定了柴油發(fā)電機組安裝過程的技術(shù)指導(dǎo)文件，特別對高彈的安裝及調(diào)試作相應(yīng)規(guī)定。即，在對中完成后依次安裝高彈過渡盤、橡膠件組件和膜盤座組件，調(diào)整機組軸系的軸向間隙，確保柴油機和發(fā)電機的軸向間隙分中，此后測量高彈輸出法蘭與發(fā)電機輸入法蘭的間隙（取上、下方向測量的平均值，并按此值確定調(diào)整墊片厚度）。

② 在預(yù)留發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸膨脹空間的前提下，將原發(fā)電機前端轉(zhuǎn)子軸軸頸端面與軸承端面6mm間隙縮小至2 mm，軸瓦與軸承座間隙由原2 mm縮小至1 mm，已減小當(dāng)機組發(fā)生軸系軸向竄動時竄動的幅度。

5 結(jié)束語

通過對此次柴油機發(fā)電機組軸系的軸向竄動故障的分析與排除，我們意識到機組安裝調(diào)試質(zhì)量對機器的運行使用的重要性，作為設(shè)計人員應(yīng)充分考慮這一環(huán)節(jié)的重要性與特殊性。

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