船舶齿轮箱故障分析及修复工艺

一、齿轮箱主要技术数据及工作原理船舶一般配有左、右两台推进减速齿轮箱，旋向相反，额定输入功率2190kW,输入轴额定转速800r/min，减速比值为3.12，滑油工作温度40～50℃。齿轮箱由上、下箱体组合而成，输入轴和输出轴水平布置（见图1)。其中，输入轴由内轴、外轴及离合器组成，内、外轴由摩擦式离合器连接，输入内轴一端连接主机，一端连接轴带发电机（见图2);输出轴与输入轴外轴经斜齿轮啮合，经中间连接可变螺距螺旋桨。齿轮箱输入轴各轴承位置见齿轮箱机体轴承下基座位置图（(见图3)，输入轴共布置5道轴承，从主机飞轮端至轴带发电机端依次为第1～5道，第1、4、5道布置在输入轴内轴，第2、3道布置在输入轴外轴。文中所述船舶齿轮箱故障位置在第3道轴承位置处。二、齿轮箱故障案例文中所述船舶进坞修理后进行航行试验，当主机在70%~90%变负荷工况运行时，右机齿轮箱输入轴后轴承温度传感器触发高温报警（设定值为75℃)，1min后齿轮箱滑油滤器油压差报警。当时值班人员误认为是误报警，遂采取降负荷措施运行，直至齿轮箱滑油温度高报警触发，采取应急停车措施，从初次报警到应急停车故障运行大约8min。停车后，通过拆检齿轮箱，发现以下问题:1）输入轴第3道轴承处的轴径表面发蓝、发黑，有严重烧蚀现象，轴径表面局部出现裂纹（见图4);2）第3道滑动轴承合金层烧融，出现剥落现象（见图5);3）齿轮箱箱体受损部位油漆起皮，部分剥落;4）高压滑油滤器内有大量轴瓦合金及磨削杂质。三、齿轮箱故障分析通过查阅5年内《轮机日志》关于右机齿轮箱运行工况记录，发现在同等工况下右机齿轮箱第3道轴承温度均高于左机齿轮箱10~12℃,其他温度无较大差异。由此大致判断，多年前右齿轮箱的输入轴第3道滑动轴承已经存在隐患。引起轴承烧蚀损坏的原因主要有以下几个方面:1）润滑不良，滑油中存在磨粒、污垢及异物。润滑油压力低或油道阻塞，轴承与输入轴之间不能形成承压油膜，润滑不良导致轴瓦局部高温，持续运转后轴承合金层脱落，进一步加剧磨损。经检查润滑油泵、各压力调节阀、压力传感器、油道均正常，只是中间出现滤器压差高报警，是因轴瓦合金层脱落后堵塞所致，不是造成事故的主要原因，而是扩大事故损坏的原因;2）过载。螺旋桨缠绕缆绳、钢丝绳、渔网等杂物，造成齿轮箱突然过载所致。经调查，故障期间螺旋桨部位无异常声音，同时主机各缸排气温度也无异常。后经潜水勘验，螺旋桨及尾轴处清爽，排除外力因素;3）装配间隙异常。这种现象主要有以下3种情况:a.轴承与轴的配合间隙过小。由于轴径和轴瓦烧蚀严重不能测量原配合间隙，后期轴恢复尺寸后，用塞尺测得轴与新轴瓦前端、后端配合间隙值(见表1)。轴承座孔直径230mm,轴瓦厚度10mm，基孔制配合，轴承间隙应该在0.21±0.04mm。分析测得数值，发现第3道轴瓦前部(主机侧)105～180°范围内间隙超差;b.齿轮箱连接轴系曲折值和偏移值超差。拆除弹性联轴器，测量轴系曲折值和偏移值（见表2)齿轮箱与轴发连接法兰最大曲折值为上下侧0.08mm，最大偏移值为上下侧0.15mm;齿轮箱与主机连接法兰最大曲折值为左右侧0.04mm，最大偏移值为上下侧0.12mm，均在正常范围内;c.轴瓦承压面积不足或是承压点分布不均匀。经拆检发现，轴瓦后侧（螺旋桨侧）瓦合金融化较多,为高温初始点。修理前用假轴进行着色剂检测,轴瓦前段120°～180°范围内接触不良，与前面轴瓦与轴配合间隙的判断一致。经综合分析，确定了故障原因，第3道轴承座孔尺寸存在加工缺陷或是其他原因造成局部收口，轴瓦承压面不足造成负荷分布不均，长期运转过后轴瓦合金状态逐步恶化，最终造成该事故。四、修理过程及工艺1、齿轮箱箱体修复由于此次修理从现场勘验到修理方案的选定历时较长，该过程中齿轮箱上下盖一直处于分体状态（齿轮箱下基座未动)。由于箱体在故障中高温存在热应力，在长时间自由状态下，上下箱体平面均有不同程度变形。箱体平面面积较大，且不宜下船修理，采用受热部位敲击释放应力、轻型高精度铝镁合金平尺着色找平、局部氩弧冷焊机焊补和砂轮机打磨的修复工艺。2、输入轴修复输入轴第3道轴外径最大磨损达3mm，通过肉眼观察表面发现有多处裂纹，后经剖解发现最深裂纹处达16.5mm。由于电镀及热喷涂等工艺恢复尺寸的厚度有限、强度不易保证，同时采购备件周期较长、费用高，遂采取焊补裂缝及外圆、车削和磨削恢复外轴尺寸。同时，结合合理的热处理工艺的修复工，主要实施了以下步骤。1）前期测量外轴内部孔径、轴外径及其他轴段的直径，以便检验焊接后未焊接部位的轴径变化情况;将受损裂纹用角磨机剖开至止裂处用磁粉探伤，确定裂纹挖槽是否彻底;2）用多种焊丝进行融合性试验，经打磨平整后进行磁粉探伤，确定焊条与外轴本体的互溶性。输入轴材质为18CrNiMo7-6，试验用316L焊条、304高铬镍钼焊条、NiGrMo-3焊条均与本体不熔，唯有结构钢焊条J507、H10Mo2与本体相熔，最终选定H10Mo2焊材;3）机械清洗磁粉探伤的反差增强剂粉末，融溶剂擦洗欲堆焊部位。火焰慢速加热轴径至200～250℃，用￠2.4mmH10Mo2焊丝手工补裂纹槽。裂纹槽每焊接20mm长度，用凿子、锤子打击消除应力(以便保证最小的弯曲变形)，焊接期间保证轴温度在200～250℃之间，所有裂纹槽填满后，用￠4mmH1OMo2焊丝自动埋弧焊堆焊轴径表面（调小电流和送丝速度)。因该轴上部有斜齿轮，焊接过程中需密切监视齿面温度不高于220℃(防止齿硬度下降)，更不能进入250~350℃的低温回火脆性区(原齿面经过渗碳淬火、低温回火处理);4）焊接完毕后，用石棉布包扎后缓慢冷却，冷却后上机床加工找正。车削加工堆焊轴段，留0.60~0.80mm加工余量。热处理厂进行高温600℃回火，去除焊接残余热应力（用盐浴炉回火，轴直接插入炉中，齿轮留在外部空气中)回火时密切测量齿面温度，温度过高时需吹风冷却（不高于220℃)。出炉后温度降至200℃以下后平放，放在空气流通场所快速冷却，避免高温回火脆性;5）修复后上车床检查轴径跳动量，锤击少量矫正。3、齿轮箱第3道轴承座孔修复1）加工跨第1~4道轴承座孔假轴一根，轴径200mm±0.08mm（第1道座孔处)、230mm±0.08mm(第2道座孔处)、230mm±0.08mm(第3道座孔处)、260mm±0.08mm(第4道座孔处);2）将假轴放入座孔，在第1、2道轴承处分别放一磁性百分表，轻轻吊起假轴第3道轴承处使假轴抬头，当第1道轴承处的表下沉不动，第2道轴承处的表刚抬起时，即为准确轴线位置，用塞尺测量脱空量，此值为氩弧冷焊需要焊补的座孔厚度;3）第3道座孔用氩弧冷焊机堆焊至测量值(冷焊时不宜长时间作业，温度过高会产生应力，需边自然冷却边焊接);4）做一个与假轴第3道轴径同样尺寸的铜基样瓦，用该样瓦瓦背着色，粗略修复焊接的座孔表面;5）放入假轴，进行假轴着色试验，用角磨机反复修磨焊接表面(该工艺需要专业工程师操作),直至轴孔配合达到设计值（座孔两侧间隙可以比上下间隙略大0.02mm，更容易形成楔形油膜)。以上修复工艺完成后，制定了试车方案，并根据不同风险设置了专人监控点，遇到异常状况立即停车。五、结束语目前，文中所述船舶齿轮箱经修复后已经降负荷(不超过50%）安全运转2000h，通过对第3道轴承温度密切观察，各工况下该轴承温度比修复前降低10℃。修复的输入轴轴径表面经3次(每次运转500h）磁粉探伤均无裂纹，塞尺测量轴承间隙无明显变化。经拆检齿轮箱高压滤器，内部状况良好，润滑油铁谱分析各指标正常。船舶齿轮箱损坏后，修理工期长、