船用齿轮箱轴带滑油泵的故障分析与改进措施

船用齿轮箱是舰艇推进动力装置的重要组成部分,齿轮箱轴带滑油泵是齿轮箱滑油系统中的重要设备,该泵故障的发生将导致舰艇推进动力装置失效。国内某舰船采用德国RENK齿轮公司制造的齿轮箱,其中轴带滑油泵为德国LEIST-RITZ公司产品。该舰船曾两次发生左齿轮箱轴带滑油泵故障,导致齿轮箱二次故障,造成了重大经济损失。本文分析船用齿轮箱轴带滑油泵故障原因,提出改进措施。一、齿轮箱轴带滑油泵结构及其故障分析1、齿轮箱轴带滑油泵结构图1齿轮箱轴带滑油泵结构轴带滑油泵为L3MG型三螺杆泵,其结构如图1所示，左右机滑油泵结构相同，型号:L3MG125/210（左),L3MG125/250（右),主要性能参数:输入转速为1555r/min,滑油排量为2000L/min(左)和2550L/min(右)。这两型泵在同类型产品中无论从结构尺寸或滑油排量来讲都是比较大的。2、故障现象现场勘查情况:一是齿轮箱内有散落的滚柱轴承滚柱和一些金属块;二是拆下轴带滑油泵,首先发现其滚柱轴承已损坏,主动螺杆前窜。分解后发现:(1)主动螺杆球面滚柱轴承损坏,轴承保持架破碎脱落,滚柱大部分掉出,内外滚道严重磨损;(2)主动螺杆窜出之后,其端部固定泵用小齿轮的锁紧螺母严重损坏,主螺杆端部锁紧螺母尚残留的根部;(3)由于主动螺杆前窜,其顶端与齿轮箱Ⅱ级大齿轮辐板相撞和摩擦,辐板上24个螺栓头部全部被切掉,辐板被磨出宽约100mm、深约2~3mm的环状带。3、故障原因分析从故障现象分析,轴带滑油泵故障是因泵内的轴承损坏引起的。其主动螺杆上的轴承因保持架和滚柱破碎脱落而失效,失去支撑和轴向定位作用,而在泵体内又没有设计其它限位结构限制主动螺杆的轴向窜动,致使主动螺杆在轴向力的作用下向齿轮箱内窜出,其轴端撞到Ⅱ级大齿轮辐板,导致损坏的螺栓和金属屑、轴承碎块等落入齿轮箱,引发齿轮箱二次故障。造成故障的可能原因:一是轴承本身存在问题或存在离散性。二是滑油系统是否存在着特殊原因造成轴带滑油泵损坏。如果轴带滑油泵进口压力较高,系统的溢流阀、单向阀存在不正常现象,进出口管的连接不符合要求等,也能造成故障的发生。因此,需进行拆检,测试、计算和分析,才能得出准确的结论。三、关键部位检测与分析1、轴承分析与核算轴带滑油泵原装鼓形滚柱轴承,型号为FAG21315,核算其正常使用寿命在6万h以上。但两次故障发生的间隔使用时间,仅有2000h,;通过对滑油系统的检测,低工况时滑油泵吸入口存在0.88MPa左右的压力,产生约16.85kN的轴向力,使轴承承受较大的轴向载荷。由于该型轴承其轴向承载能力较差,在轴向载荷的作用下,其使用寿命大大降低。计算表明:该型轴承在受到16.85kN轴向力作用时,其额定寿命下降到1562h。2、滑油系统检测（1）左、右舷齿轮箱静态、动态滑油压力对比测试测试参数为:齿轮箱入口滑油压力、齿轮箱入口滑油温度、轴带泵入口压力、轴带泵出口压力。测试结果表明:①左右齿轮箱轴带滑油泵拆除后的相同条件下,在电动滑油泵启动时,轴带滑油泵入口瞬时峰值油压左泵为1.24MPa,右泵为1.2MPa,左泵比右泵高0.04MPa。在电动滑油泵稳定运行时，轴带泵入口油压左泵为0.94MPa,右泵为0.98MPa,左泵比右泵低0.04MPa。②右齿轮箱在轴带滑油泵未拆除前,电动备用油泵启动时,轴带滑油泵入口瞬时峰值油压为1.21MPa,稳定运行时轴带泵入口油压为1.0MPa,说明轴带滑油泵拆卸与否对其入口油压基本上没有影响。③在右柴油机低速工况运转时,轴带滑油泵与电动泵自动转换,电动泵投入运行时,轴带滑油泵入口瞬时峰值油压为1.02MPa,稳定运行油压为0.95MPa,说明在低速工况运行转换时轴带泵入口峰值和稳定油压均有所下降。（2）轴带滑油泵管路接口及安装状况检查①滑油泵管路检查测点位置见图2(编号顺序为从舷外向内看;箭头指油管法兰偏移方向),检查结果见表1。图2

管路检查测点位置②泵体的变形测量两块表装在泵体前端(自由端)外圆柱面上。一块监测垂直方向,另一块监测水平方向。测量结果:左泵:螺栓拧紧前水平方向0,垂直方向0;螺栓拧紧后,水平方向-0.10,垂直方向-0.13。右泵:螺栓拧紧前,水平方向0,垂直方向0;螺栓拧紧后,水平方向-0.05,垂直方向-0.05。③油泵的安装平面检查检查测点见图3,检查结果见表2。图3

安装平面检查测点位置用内径千分表及外径千分尺测量轴带滑油泵安装止口尺寸，测量结果见表3。④测量结果分析左泵进油接管法兰向下偏位约5.5mm,右泵进油管法兰向下偏位约2.3mm,左泵法兰偏位较大,两法兰开口右泵大于左泵。泵体变形是油管法兰偏位和开口引起的综合影响,左泵复合变形量最大,达0.164mm。（3）滑油系统检查拆检范围:轴带滑油泵的连接管路;轴带滑油泵出口单向阀46;进出口排气管路上单向阀47;系统溢流阀52/1,52/2,如图4所示。图4

滑油系统原理图检查结果:(1)轴带滑油泵进出口管路连接符合齿轮箱使用说明书的设计要求。(2)单向阀46未发现油泥及其它沉积物,阀的密封面正常,启闭顺畅,工作正常。(3)阀47未发现油泥及其它沉积物,密封面完好,启闭正常。(4)溢流阀52/1和52/2的主阀连接面的O型密封圈完好,阀内部连接油孔探测检查未发现油泥,控制油管路通气检查畅通。主阀拆解检查，密封面完好,活塞运动自如,无卡滞现象。检查结果表明:滑油系统中的溢流阀、单向阀等未出现不正常现象,可认为其与轴带滑油泵故障无关。四、故障判断从测试检查的结果看,左齿轮箱轴带滑油泵在滑油泵进出口管路固紧后,泵体自由端偏斜0.164mm,比右泵大0.072~0.108mm。轴带滑油泵进口压力冲击值为1.24MPa，比右泵高0.04~0.30MPa。虽然该泵工作条件较差,但尚不能构成左齿轮箱故障的特殊原因。因此,轴带滑油泵在低转速时存在较大轴向力,加之原设计轴承承受轴向力的能力较低,使轴承寿命大幅度下降,是左齿轮箱轴带滑油泵发生故障的主要原因。同时,不排除轴承质量离散性是引发故障的特殊原因。齿轮箱轴带滑油泵可靠性设计存在严重缺陷。轴承损坏后没有其他限制主螺杆轴向窜动的限位结构，滑油泵轴承一旦损坏，必然导致齿轮箱的重大故障。五、改进措施根据实船状态，在保持泵原安装关系不变的条件下，可采取以下改进措施：(1)加装限位器及位移报警在泵体前端内腔设置轴向限位机构，可限制螺杆的轴向窜动。同时设置报警装置，一旦螺杆位移超过设定值即发出报警信号。结构详见图5。图5限位及报警装置由于轴带滑油泵内部结构十分紧凑，可利用空间有限，只能在轴承外径与泵壳内壁之间的狭小空间内布置小型限位器。限位器设置在泵体前端内腔，采用螺纹连接安装在泵端盖上。限位器的结构见图6。图6

限位器结构(2)增设轴承温度和位移报警装置在轴承部位增设温度传感器及其报警装置,轴承温度超过设定值即发出报警信号。温度传感器埋设在泵的衬套端部的轴承部位,导线从泵端盖上开孔引出,详见图7。报警装置将轴承温度报警和限位报警合为一体。图7轴承温度传感器（3)更换球面滚柱轴承将主螺杆前端的原支持轴承更换为基本额定动负荷，轴承承载能力(特别是轴向承载能力)大的新型轴承,提高其寿命。经查,选用SKF22315E型轴承较为合适,与原轴承FAG21315相比,轴承内径和外径一致,轴承宽度比原轴承增加了18mm,但不影响轴带滑油泵结构性的改变。在同样载荷条件下,22315E型轴承的轴向承载能力提高约1倍,基本额定寿命可提高约25.5倍,达到39925h。换装新轴承后,在同样工况条件下,轴带滑油泵使用寿命也会得到改善。(4)端盖结构改进根据选用的新型轴承尺寸,在保持原端盖安装位置不变的前提下,设计制作新的端盖。保持原安装定位结构不变,将轴向宽度增加到55mm,增设加装限位器、轴承温度传感器及引线通道。(5)加装节流孔板在滑油系统桥管加装减压元件,以降低轴带滑油泵在低工况时的入口背压,改善该泵低工况时的工作条件。采用加装节流孔板方法,但其节流孔板孔径需经计算并通过台架试验后确定。经计算,选用的Ф30mm、Ф40mm两种节流孔板用于滑油系统减压,通过在台架上分别试验,最后选定孔径为30mm的节流孔板。六、实船试验及改进效果1、轴带滑油泵台架试验修复改进的轴带滑油泵组装合格后,按照台架试验大纲要求进行台架试验,试验表明其状态较好,运行数均在正常范围内,可转为实船试验。2、系泊试验在码头系泊试验中,按试验大纲分别进行柴油机和燃气轮机系泊工况试验。试验是在零螺距工况下进行,各运行5min。试验过程中轴带滑油泵运行平稳,未发生任何异常现象和响声。3、航行试验修复改进的轴带滑油泵装船后,按航行试验大纲要求,左齿轮箱分别进行柴油机进一至进五、退五,燃气轮机进一至进五、全速、最大倒车、柴油机与燃气轮机交替等工况试验。轴带滑油泵共试验运行约130h,其中低工况运行52h。先后经受了多次离靠码头的低工况运行考核。航行试验期间左齿轮箱运行参数均在正常范围内。航行试验结果表明,轴带滑油泵各项运行参数正常,修复改进后的轴带滑油泵质量满足性能使用要求。轴承温度显示正常,运行过