船用主機齒輪箱傳動齒輪輪齒斷裂故障診斷

王 力，于仁江，張立遠，梁 浩，袁寶晨

(大連船舶重工集團船務工程有限公司，遼寧 大連 116001)

船用主機齒輪箱傳動齒輪輪齒斷裂故障診斷

王 力，于仁江，張立遠，梁 浩，袁寶晨

(大連船舶重工集團船務工程有限公司，遼寧 大連 116001)

齒輪箱是改變轉速和傳遞動力最常用的傳動部件，也是容易發生故障的一個部件，其運行狀態對整機的工作性能有很大的影響。它的損傷和失效常常導致傳動系統或整機的故障，文章對主機齒輪箱斷齒故障原因進行分析探討，并針對類似故障提出解決方法，為今后同類問題提供參考。

齒輪箱；斷齒；校中

船用主機齒輪箱廣泛用于各種客貨輪船、工程船、漁船、近海和遠洋船舶以及游艇、警用艇、軍工艦船等，是船舶工業的重要關鍵設備。齒輪投入使用后，由于齒輪制造不良或操作維護不善，會產生各種形式的失效。失效形式又隨齒輪材料、熱處理、安裝和運轉狀態等因素的不同而不同，常見的齒輪失效形式有：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]。

1 問題的提出

某船在航行中主機減速齒輪箱內突然傳出噪聲，由于海況復雜不能停船檢查，只得被迫減速航行，到港卸貨后船進公司修理，其主機減速齒輪箱為重點修理工程，在修理前對主機進行試運轉，減速齒輪箱內傳出較大的噪聲，齒輪箱分解后發現從動齒輪碎裂，如圖1所示。

圖1 齒輪碎裂現場圖片

2 問題的探尋及分析

齒輪箱拆解前，對軸系進行軸線對中檢查，同時測量主機曲軸臂距差，主機曲軸臂距差符合主機說明書規定要求，軸系各法蘭曲折、偏移測量尺寸數據如表1所示。

表1 軸系各法蘭曲折、偏移值記錄表

由于船方無法提供船舶建造安裝時軸系校中計算書，因此暫時無法判斷其軸系曲折、偏移值是否符合建造時的標準。

齒輪箱分解后，檢查輪齒斷裂部位，并未發現疲勞裂紋源區及擴展，說明輪齒斷裂為瞬間斷裂，對嚙合齒面進行外觀及粘色檢查，除斷裂齒輪齒面有擦傷，其它齒輪嚙合狀態及接觸尚可。各齒輪軸與軸承間隙都符合說明書技術要求，齒輪嚙合間隙都超過標準安裝要求范圍，但未超出需修理的極限值，對齒輪軸的彎曲度、不平衡度、軸承孔的圓度及同軸度進行檢查也未發現異常，對斷裂齒輪材質、表面硬度等檢查都沒有發現問題。該齒輪箱也沒有進行過拆解檢修，因此也排除是因為裝配不當導致斷齒。根據船方人員反饋，在船舶運行過程中3#中間軸瓦溫度過高，經過拆檢發現，3#中間軸瓦發生粘著磨損，如圖2所示。

裝有減速齒輪箱的船舶，軸系通常是用法蘭聯軸器與減速齒輪箱的大齒輪相連接， 齒輪副在嚙合傳遞運動時，主動齒輪的作用力和從動齒輪的反作用力都通過接觸點分別作用在對方輪齒上，最危險的情況是接觸點某一瞬間位于輪齒的齒頂部，此時輪齒如同一個懸臂梁，受載后齒根處產生的彎曲應力為最大，若因突然過載或沖擊過載，很容易在齒根處產生過負荷斷裂,如圖3所示。

圖2 軸瓦磨損現場圖片

1-從動齒輪；2-主動齒輪；3、4-過橋齒輪；5、6-交流發電機齒輪；7-直流發電機齒輪。圖3 從動齒輪受力簡圖

通過對齒輪箱從動齒輪受力分析(圖3)，作用在從動齒輪上的動載荷合力為T合，此力均勻的作用在從動齒輪軸的前后2個軸承上。這時，如前后2個軸承上的靜載荷FA、FF不相等，則前后2個軸承上的實際負荷、動載荷與靜載荷的合成負荷就不相等，即RA≠RF，且負荷的作用方向也不同，即α≠β。由圖3可見，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，中間軸與軸承產生干摩擦，進而損傷軸承瓦面。同時齒輪軸的軸線相對2個軸承的軸心線發生歪斜，造成減速器齒輪不正常嚙合。在運轉過程中就會產生噪聲、發熱、振動、齒面損傷等毛病，且影響主機全功率運轉。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為軸系軸線不對中造成,軸系軸線不對中造成大齒輪軸前、后2個軸承上的負荷不等。從動齒輪軸后軸承上的靜負荷與從動齒輪軸前軸承上的靜負荷在法蘭連接處產生彎矩，在此彎矩作用下，從動齒輪軸前、后2個軸承上出現的負荷差，必將影響主動齒輪與從動齒輪的正常嚙合。

3 問題的解決

對損壞的齒輪按技術說明書要求重新加工制作，由于中間軸軸瓦磨損不是很嚴重，因此只對其進行修配性刮研，然后對軸系重新進行校中。考慮到該船使用年限較長，船體強度可能發生變化，軸系在重新校中前，各壓載艙應均勻的壓裝載，壓載量不得少于空載排水量的85%，同時軸系校中需考慮排除陽光照射，要求早晨或者日落后進行。由于船方無法提供本船軸系要求的曲折、偏移值，因此只能按照JT 4161—1977《船舶軸系安裝及扭振技術要求》規定調整，即：推力軸與相鄰中間軸法蘭偏移δ≤0.15 mm，其曲折值σ≤0.20 mm/m，其余法蘭應合乎計算而得出的坐標三角形所規定的要求，實際測出的偏移δ和曲折σ坐標交點在三角形陰影內即為合格[2]，坐標三角形的法蘭允許偏移和曲折按照圖4軸系布置示意圖計算如下。

圖4 軸系布置示意圖

(1)

(2)

式中：L為軸系中間跨距最小的3個相鄰軸承之間的平均間距 ，cm；K為系數。

(3)

式中：d為中間軸最小直徑，cm。

經計算，σ=0時，δmax=0.374 3 mm；δ=0時，σmax=0.568 8 mm/m；繪制坐標三角形如圖5所示。

圖5 坐標三角形圖

調整合格后，將軸承底座下面旋轉式調整墊調好，并上緊底座螺栓進行交驗。交驗除符合規定要求外，中間軸與軸承下部1 200范圍內粘色檢查，接觸應均勻，25 mm×25 mm見方內接觸點不少于3～4個，且中間軸與軸瓦下部之間0.05 mm塞尺不得插入，中間軸承與軸左右間隙應相同，不允許軸與軸承有單邊靠緊現象。最后采用“頂舉法”檢查調整軸系各支撐軸承所承擔的實際負荷，按照《海船法定營運檢驗技術規程》2011規定，油潤滑白合金中間軸承負荷比壓不大于0.5 N/mm2,齒輪軸的前后軸承負荷相等，檢查合格后，校驗齒輪箱各齒輪的嚙合間隙并通過粘色法檢查齒輪嚙合狀態，并測量主機曲臂差符合說明書要求[3]。檢查調整結束后運轉試驗，減速齒輪箱運轉平穩，無噪聲及震動，中間軸承無過熱現象。

4 結束語

軸的失效形式會引起齒輪嚙合狀態變化，軸或軸系產生故障，必然也使安裝在軸上的齒輪的嚙合狀態發生很大的變化，不論安裝和加工精度多高，齒輪箱中的軸都會有不平衡產生，但只要不平衡量控制在一定的范圍，就不會對齒輪箱的正常運行工況產生影響，但是如果不平衡量超過一定的限度，就會對齒輪箱的運行工況產生較大的影響，齒輪與內圓軸線不同心、不對中 ,以及大型齒輪的動不平衡等，在齒輪的運轉中 ,由于齒面間承受著交變載荷, 就會引起齒面點蝕、剝落、膠合、磨損及斷齒等失效形式出現。

[1] 丁康，李巍華，朱小勇．齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 船舶軸系安裝及扭振技術要求：JT 4161—1977[S].北京：人民交通出版社，1977.

[3] 中華人民共和國海事局.海船法定營運檢驗技術規程[M].北京：人民交通出版社 ，2011.

Gearbox is the most commonly used transmission part to change speed and transfer power,and the easiest breakdown component,which running state is of great influence on the performance of the overall unite.In this paper,the causes for gear fracture of the main gearbox are analyzed and discussed,and solutions are proposed.It will provide reference for solving similar failures in the future.

gearbox;snaggletooth;alignment

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.005

王力(1982-)，男，內蒙古巴盟人，工程師，大學本科，主要從事船舶修理、船舶綠色拆解技術管理工作。

2017-08-01