某船用高速柴油机气马达打齿故障分析及解决方案

某船用高速柴油发电机组在船上进行了6次起动性能试验(3次机旁起动停机、3次遥控起动停机)，均正常。随后，在并车时，操作人员起动一台柴油机组，按下起动按钮后飞轮端发出异响。目测检查发现：柴油机气马达齿轮轮齿全部损伤。飞轮齿圈轮齿出现不同程度磨损和损伤。截至故障发生时该机组累计运行130h。一、故障现场情况检查故障发生后，现场服务工程师对该机组柴油机气马达打齿的情况进行检查。检查气马达齿轮与飞轮齿圈端面问隙、气马达起动空气压力值、起动管路上过滤器、安装零部件、气马达起动电磁阀，均正常。检查气马达的齿轮，13个轮齿全部损伤(如图1a)所示)；飞轮齿圈非进给侧(靠近发电机端)有轮齿受损(如图1b)所示)。图1齿轮、飞轮受损情况二、故障排查基于对故障柴油机的现场初步检查，工厂对柴油机气马达的抱式支架、辅助支架、气马达齿轮、飞轮齿圈及紧固螺栓等相关零部件，从设计、工艺、实物质量和生产过程控制等方面逐一进行排查。1、设计首先从设计角度对可能存在问题的相关零部件进行排查。（1）抱式支架气马达抱式支架安装形式如图2所示。图2气马达抱式支架安装示意图对抱式支架强度进行校核，有限元计算表明：抱式支架所受的最大应力为112.24MPa(图3)。图3抱式支架仿真计算抱式支架材料为Q235，屈服强度为235MPa。可见：抱式支架所受的最大应力小于其屈服强度，满足使用要求。（2）辅助支架前期对气马达安装方式进行了优化改进，在气马达端面位置增加了辅助支架，固定于机体上(图4)。图4气马达辅助支架安装位置图增加辅助支架，可以从设计上保证气马达轴向问隙在一定范围内，同时可以提高气马达安装强度。对辅助支架强度进行校核，有限元计算表明：辅助支架所受的最大应力为6.5MPa(图5)。图5辅助支架仿真分析辅助支架的材料选用Q235，屈服强度为235MPa。可见：辅助支架所受的最大应力远小于其屈服强度，满足辅助支架的使用要求。（3）气马达与飞轮齿圈啮合间隙根据气马达安装使用说明书，气马达齿轮和飞轮齿圈啮合间隙为0.7～1.2mm。对两个齿轮的间隙设计尺寸进行排查：按照零件的极限偏差，两个齿轮中心距最小为406.622mm，最大为407.11mm；用作图法计算出设计啮合间隙最小约为0.72mm，最大约为1.08mm(图6)。图6齿轮啮合间隙示意图设计的齿轮啮合间隙在要求的范围内，满足使用要求。对影响气马达啮合间隙的相关零部件极限尺寸进行排查：气马达抱式安装极限偏差为±0.575mm，对应的啮合间隙为0.72～1.08mm，满足气马达说明书规定的0.7～1.2rnm要求；辅助支架安装孔与机体螺纹孔的单边间隙为1mm(>0.575mm)，满足气马达在极限偏差安装下，辅助支架安装间隙的要求。气马达支架径向装配图如图7所示。图7支架径向装配图(4)气马达与飞轮齿圈轴向间隙设计由气马达图纸可知，气马达齿轮和飞轮齿圈的轴向间隙设计理论值为5mm。排查影响气马达轴向间隙的相关零部件尺寸：气马达齿轮和飞轮齿圈的最小轴向间隙为4.516mm，最大轴向间隙为5.188mm，满足气马达齿轮和飞轮齿圈轴向间隙6±1.5mm的要求。2、相关零部件质量故障件返厂后，工厂对气马达安装涉及的相关零部件进行了相应的检测。排查结果显示：抱式支架、辅助支架、气马达、飞轮齿圈、紧固螺栓的质量均合格。3、气马达安装工艺对照《柴油机气马达安装作业指导书》，从安装工艺的角度进行排查。气马达安装时应先安装气马达的辅助支架，拧紧与机体连接的辅助支架固定螺栓(步骤一)；然后将气马达安装在抱式支架内(步骤二)，最后将气马达与辅助支架固定连接(步骤三)，安装示意如图8。图8气马达安装示意图通过对气马达安装工艺的排查，发现存在以下问题：问题一，安装顺序上，南于机体与辅助支架连接处安装螺栓M12与孔(Ф14)存在2mm间隙，安装辅助支架时支架会产生径向偏移。安装辅助支架后再安装气马达，辅助支架在径向产生的偏移会使气马达齿轮和齿圈轴线不平行，引起齿轮与飞轮齿圈啮合间隙变化，导致齿轮受力异常。问题二，气马达与辅助支架连接处留有8个孔，但按设计连接辅助支架与气马达的螺栓只需4个，安装工艺上也未明确该4个螺栓应均布。三、故障原因分析对安装工艺的排查表明：造成此次柴油机气马达齿轮和飞轮齿圈损坏的原因主要为气马达安装工艺错误。在气马达装配过程中，辅助支架与气马达之间产生了异常的作用力，影响了齿轮与飞轮齿圈的齿面平行度和啮合间隙。由于齿面平行度不好，在柴油机起动时，相互作用的轮齿非完全线接触，轮齿之间的有效受力面积减小，接触应力增大，最终超出轮齿的承载极限导致齿轮损坏。此外，平行度不好也会导致气马达齿轮无法退出，而跟随飞轮齿圈转动，造成打齿。四、整改措施及验证基于上述故障原因分析，提出安装工艺改进方案。具体安装步骤如下：(1)将带辅助支架的气马达预装在抱式支架上，手动预紧螺栓M10防止马达掉落，并在螺栓M10上涂抹螺纹锁固胶；(2)推动辅助支架，使辅助支架与机体面紧密贴合，用扳手预紧辅助支架与机体安装面的3个螺栓M12，查看辅助支架与机体面贴合情况，后松开辅助支架安装螺栓M12；(3)拧紧抱式支架螺栓M10，将气马达固定在抱式支架上，按规定拧紧力矩拧紧，划线标记；(4)取下辅助支架与机体连接的3个螺栓M12，用塞尺检验辅助支架与机体之间的贴合度，要求辅助支架与机体之间间隙不大于0.10mm，满足贴合要求后，用螺栓M12将辅助支架固定到机体上，按规定拧紧力矩拧紧，划线标记。辅助支架与气马达相对位置如图9所示。图9辅助支架与气马达相对位置按照前期的安装工艺进行故障复现：在100次气马达起动后，气马达齿轮发生了较为严重的磨损(图10)。图10故障复现后的飞轮