船用齿轮箱离合器摩擦片烧损变形故障诊断

船用齿轮箱按传递速度比不同分为减速和增速齿轮箱，减速齿轮箱广泛用于近/远海船舶、工程船、客货船、渔业船以及警用艇、军用舰船等，而增速齿轮箱多见于具有对外消防功能的多用途工作船、救助船、拖轮等，都是船舶工业的重要关键设备。齿轮箱离合器失效故障主要发生在船舶动力顺车及倒车合排过程中，常见故障现象主要分为摩擦片打滑、摩擦片烧坏、离合器不动作等

[1]。一、故障现象某多用途工作船，用于为近海海上石油钻井平台进行巡航守护值班并拥有FIFI1级对外消防功能，其在配合某钻井平台进行消防应急演练时，由2#主机推进的对外消防泵增速齿轮箱多次遥控合排无果后采用强制手动合排出水，手动脱排后齿轮箱从动轴（即对外消防泵驱动轴）仍跟转400r/min左右，船舶机舱值班人员多次尝试合/脱排操作，仍然无法成功脱开离合器。后经专业维修人员上船对该齿轮箱离合器结构进行解体拆检，发现离合器盘钢片及烧结青铜摩擦片均有明显不同程度变形且有高温过热痕迹。二、故障原因探寻分析与排除1、船用齿轮箱概况综述该增速齿轮箱结构上主要包括前端1根输入轴通过高弹与主机自由端连接，后端1根输出驱动轴连接消防泵。运行时，齿轮箱机带油泵通过溢流阀向支撑轴承和齿轮啮合处提供润滑和冷却用油，系统油经过壳管式油冷却器被海水循环冷却；合排时，系统油经过调压阀阀组向离合器提供工作压力油使摩擦片啮合从而驱动消防泵。内置的离合器采用液压湿式多片式，离合器盘由钢铁和烧结青铜制成，其冷却油量通过离合器冷却油流量计中的针型阀来调整。离合器压盘则采用代用钢和高耐磨烧结金属做成，离合器能够根据离合器压盘的磨损限度进行自我调节。离合器的合/脱排操作由电磁控制阀组控制，而系统的工作油压则由溢流阀和压力控制阀调整和设定。2、船用齿轮箱故障诊断现状船用齿轮箱作为船舶传递动力的关键设备，确保其工况长期稳定正常运转是船舶航行安全和有效发挥设备功能性的重要保障。一般来讲，船用齿轮箱离合器故障诊断主要从机理成因、信号处理、诊断方法3个方面进行研究

[2]。1）机理成因。任何故障诊断都需要进行机理成因分析，该分析方法能将故障在装置设计阶段初期就消除。从设计制造角度对装置故障现象及成因进行分析可知，导致齿轮箱离合器故障的主要因素有制造误差、配合不当、过载运行等。根据相关数据（见图1）可知，我国船用齿轮箱中齿轮、轴承及离合器的失效占比分别为60%、19%、10%，由此可知，齿轮、轴承及离合器故障是导致船用齿轮箱失效故障的主要原因。图1齿轮箱失效故障类型占比2）信号处理。随着各类信号处理技术的发展，船用设备振动信号的分析与处理技术水平也在逐年提高。随着FFT分析方法的出现，船用设备运行参数等信号分析手段得到进一步发展。船用设备检维修技术人员开始采用分辨率较高的现代谱分析法代替传统分析法，小波分析法是目前船舶设备检维修技术人员分析船用设备故障时较为常用的一种新型分析方法，该方法的优点在于能对船用设备运行中某一特殊频段信号进行去噪，消除干扰然后对该信号做出精准分析

[3]。3）诊断方法。船用齿轮箱离合器的工作状态是影响齿轮箱运行工况的主要因素，在故障分析时需要对齿轮箱运行工况进行识别，按其规律对齿轮箱结构部件进行分类，也就是在分类过程中对齿轮箱运行工况进行识别。常见的诊断方法主要有贝叶斯（Bayes）分类法、模型分析法、信息距离判别法等，上述方法均是从检测齿轮箱运行工况为切入点，采用齿轮箱某一正常工况的特征矢量为标准，再将分类结果与之对比，即可完成对船用齿轮箱离合器的故障诊断。3、船用齿轮箱失效原因探寻与排除1）故障类型。离合器是船用齿轮箱中的主要部件，也是容易出现故障的零部件，根据相关统计数据可知，船用齿轮箱离合器常见故障分类情况及其占比，如表1所示。可知，在导致齿轮箱离合器失效的故障类型中，离合器不动较为常见，摩擦片打滑和磨损故障出现的概率相近，摩擦片烧损变形故障则较为少见，而离合器摩擦片的烧损变形故障会产生较大的经济损失，必须要引起船用齿轮箱主管人员足够的重视。2）失效原因。船用齿轮箱是船舶动力系统的主要组成部分，因此其性能的好坏直接影响到船舶机械能否正常运行。船用齿轮箱离合器正常运行时，能反映其工况状态的信息较多，与故障诊断相关联的信息量也较大。由拆解出来的离合器盘片烧损痕迹和变形状态的故障现象，可推断其啮合不到位导致摩擦片本体温度急剧升高，因过热膨胀致钢片和摩擦片变形而相互咬合，离合器钢片和摩擦片无法完全分离从而使消防泵跟转。3）船用齿轮箱离合器的故障分析方式①系统油油品油质分析。船舶推进装置所用的离合器传递功率较大，随着船舶主机向高、中速柴油机发展，转速提高，以及船舶航行工况多变（如频繁靠离码头、紧急倒车等），离合器的工作状态较为恶劣

[4]。若该齿轮箱系统油在使用过程中被污染而变质，致使其在离合器上的摩擦系数不合适，可能会造成离合器打滑烧损变形。根据设备说明书要求，该液压湿式多片式摩擦离合器所用系统油要拥有良好极压抗磨性能、热氧化安定性，正常工作温度时对铜质、铁质材料无腐蚀，还应具有良好冷却能力和抗泡沫性能。该齿轮箱离合器故障后对其系统油取样送检化验，化验报告中除了铜元素略偏高外其他理化性能指标均处于正常范围，排除了系统油品变质致离合器摩擦片打滑烧损变形的可能。②齿轮箱结构部件排查分析。主机输出轴与齿轮箱输入轴中心线曲折、偏移值记录表如表2所示，数值满足说明书中相应规范要求，排除了轴线失中而致离合器摩擦片打滑烧损变形的可能。齿轮箱拆解后，盘车对主从动齿轮各齿啮合状态及接触面外观检查正常，对齿轮轴的弯曲度、不平衡度、轴承孔的圆度及同轴度进行检查也未发现异常，排除了齿轮及其轴系失效变形致离合器合排时负载过大的可能。检查离合器盘片冷却油通道，吹通正常，排除了因冷却油道阻塞致摩擦片冷却不良的可能。对液压系统机带齿轮油泵解体，检查主从动齿啮合工作表面并测量端面间隙，未见异常，排除了油泵内漏致工作油压偏低使离合器片啮合不到位的可能。对工作活塞密封性胶圈检查，未见明显老化磨损现象，排除了活塞工作油内漏致油压偏低使离合器片啮合不到位的可能。通过询问出现故障时的现场操作人员了解到，合排时系统润滑油压压降大且恢复正常油压时间周期较以往延长，合排后离合器工作油压偏低16bar左右（正常值24bar）且波动大。于是对电动控制阀组件进行解体，检查阀芯及其油路通道密封配合面，未见明显磨损痕迹；对压力控制阀进行柴油浸泡活络清洁，当时排除了因控制阀件故障致工作油压偏低使离合器片啮合不到位的可能。③齿轮箱液压系统维保过程分析。在新离合器盘片及相应的密封胶圈备件到达船舶后，进行齿轮箱的装配恢复，更换新系统油及其过滤器滤芯，随后启动主机试合/脱排，工作油压及运转工况恢复正常。但好景不长，在按维保周期对外消防泵出水进行校验时，再次出现了合排工作油压偏低且波动大的现象，吸取之前教训并遵循说明书要求“连续2次合排间隔时间不少于10min”，当时未进行离合器强制手动合排操作，未对设备造成损坏。后续经过左右增速齿轮箱的控制阀组及压力控制阀对调比对分析，怀疑压力控制阀可能存在问题，齿轮箱运转时对该阀实施调大压力操作，然而润滑油压力并没有随着调节的增大而变化，直到此时才锁定了故障原因。反思后发现当时操作人员在清洁该阀件时使用了线手套，轻柴油活络阀芯后用压缩空气吹清残余柴油。虽然当时排除了卡阻阀芯的异物，但线手套表面的绒毛和压缩空气中的杂质重新附着在阀芯表面，合排操作时随着油液的流动再次卡阻阀芯，使压力控制阀不能维持工作油压力稳定。彻底清洁该阀件，装复后启动主机效验合/脱排，工作油压正常稳定，此后该齿轮箱离合器在近2年校验合排操作期间，工作油压再没有出现波动而偏低现象。分析可见，齿轮箱离合器摩擦片烧损变形原因为：离合器合排工作油压不稳定且偏低，工作活塞行程变短，离合器盘钢片与烧结青铜摩擦片间处于“半合半离”状态，加之操作人员没有严格遵守说明书要求，人为连续多次强制手动合/脱排操作，离合器摩擦片温度急剧上升，致其过热膨胀变形损坏。三、故障预防措施1、加强对船用齿轮箱运行工况各参数的监控及可能出现故障的预判，比如系统油压和工作油压是否稳定、油温是否在正常范围内、运行时是否有异常振动，发现异常要及时采取处置措施。2、完善船用齿轮箱操作维保规程，明确操作注意事项和应急处置方案并强化人员操作培训。3、严格按照说明书要求定时对齿轮箱系统油滤器和润滑油进行换新，以降低因油品性能变差致使离合器摩擦片失效的可能性。4、定期或视情解体维护保养压力控制阀和溢流阀，用轻柴油对阀芯组件进行浸泡清洁，组装时彻底清洁双手，光手组装阀件，同时用WD-40除锈润滑剂压力罐吹扫阀件配合面，清除残油及异物，同时更换失效密封件。四、结语本文所提及的故障案例，其原因是液压系统限压阀件故障导致离合器合排失效，加上操作人员操作不当，最终导致了摩擦片烧损变形。这种故障的原因较为常见，包括操作不当、离合器传递能力不足、液压系统故障等。1）设备主管人员应加强对所管设备资料的研究学习，严格按照说明书规定的程序及注意事项对船舶设备进行管理和操作。尤其在设备运行工况已经出现异常的状况下，切忌盲目操作，只有严格遵守安全工作卡程序才不会使故障扩大