船用齿轮箱故障分析与管理对策

中国船级社浙江分社 贾建雄 陶力义



船用齿轮箱故障分析与管理对策

中国船级社浙江分社 贾建雄 陶力义

摘要：介绍船用齿轮箱组成及其原理，针对故障分析原因。A船新机试车时就发生齿轮整体断裂，分析有关材料中的数据进行研究判断。从B船齿轮箱滑油温度持续升高的现象中分析出故障原因为离合活塞内凹圈与从动轮的间隙不够。最后提出相应的安装和维护对策，对船舶建造和运营管理有一定参考价值。

关键词：船用齿轮箱；故障；船舶

相比散货船、油船而言，集装箱船往往具有更加强劲的动力，有更严格的班次要求和时间限制，这就大大提高了对设备的可靠性要求。减速齿轮箱是中小型集装箱船上必备的设备，其故障应引起高度重视。

一、事故情况

案例1：A船为一艘1 113 TEU的集装箱船，主机功率3 906 kW，齿轮箱型号为GWC70.85，减速比为5.579 8：1。2013年，齿轮箱在船舶建造期间安装完成后首次试验时，发出一声巨响并伴随持续的噪声和剧烈振动。齿轮箱立即由生产厂家检拆，发现低速轴端直径600mm大齿轮径向劈裂。

案例2：B船为一艘558 TEU的集装箱船，主机功率2 560 kW，齿轮箱型号为GWC60.66，减速比为4：1，该船于2015年初交船。在投入营运后不久，发现正车时齿轮箱滑油温度有持续升高的现象，正常值应为40 ℃左右，故障时甚至大于80℃；离合器打滑，后发展为倒车时滑油温度过高。经船上拆解，发现离合器活塞（即“压紧盘”，以下统称“活塞”）（见图1）已经严重磨损，活塞的压紧端面和整个圆周面磨损超过0.5mm，活塞和摩擦片上铁屑遍布。

二、齿轮箱介绍［1］

齿轮箱是机械设备的动力传递机构，其主要由齿轮轴承、轴、箱体等组成。它的应用范围非常广泛，几乎在各式机电系统中都可以看到。齿轮箱有加速和减速功能，统称变速功能；有改变传动方向功能，即用两个扇形齿轮可以将力垂直从一根轴传递到另一个转动轴；有改变转动力矩功能，同等功率条件下，速度转得越快的齿轮，轴所受的力矩越小，反之就越大；有离合功能，即可以通过分开两个原本啮合的齿轮，达到把发动机与负载分开的目的；有分配动力功能，如近海供应船主机输出端通过齿轮箱带动PTO、对外消防泵、推进螺旋桨等。

图1 离合器的活塞（压紧盘）

船舶齿轮箱与主推进柴油机、螺旋桨轴匹配，与螺旋桨一道，构成船舶主推进系统，是动力传动系统中的重要装置。船用减速齿轮箱可以有效提高传动系统综合性能：一是提高推进效率，可以使螺旋桨更充分地吸收主机功率，增加螺旋桨的推力，达到节能和提高经济效益的效果；二是改善船舶操作性能，装有可逆转齿轮箱，可由齿轮箱换向，齿轮箱换向比主机换向更可靠、更灵活，能更好地保护主机，延长主机寿命。

三、GW系列船用齿轮箱及其原理

本文所述GW系列船用减速齿轮箱，与中高速柴油机推进装置匹配，实现正倒车、离合、减速等操作。它体积小但性能强大，当其减速比从2到6，输入转速从360 r/min到1 800 r/min，其传扭能力从0.38到46.2马力/r·min-1，具体数值由中心距和减速比确定。GW系列齿轮箱共六种不同的结构形式，四种可逆转减速齿轮箱和两种离合减速齿轮箱，每种齿轮箱按其中心距的大小双可分为11个型号；根据输入输出轴的相对位置的不同，其又有同心和偏心两种形式。为了降低成本和减少备件，GW系列采用模件可组成不同结构的形式的变型产品。本文所遇到的GWC齿轮箱采用湿式粉末冶金摩擦片作为摩擦元件，有正倒两个离合器，带排力矩大小相等、方向相反，可以相互抵销。

船用齿轮箱及齿轮换向器的工作原理：主要使用功率较大的船用倒顺齿轮，顺车时，顺车油腔进油，活塞在油压下压紧顺车摩擦片，动力由顺车齿轮传到从动轴而实现顺车。倒车时，倒车油腔进油，活塞在油压作用下压紧倒车摩擦片，动力由倒车齿轮通过介轮传到从动轴实现倒车。空车时，倒顺车油腔均不进油，油泵输出的油通过限压阀直接流回油池，此时依靠活塞上的6件弹簧片（见图2）产生的弹力使其复位，而使两组摩擦片（共21片，啮合主动齿的一组11片，啮合从动齿的一组10片）处于放松状态，从动轴不随主动轴旋转。

GW系列齿轮箱的主要特点为：

（1）具有离合、减速、承受螺旋桨推力的功能；

（2）产品模块化设计，配置辅助功率输出（PTO）、辅助动力输入（PTI）等功能；

图2 压紧盘上的弹簧片

（3）具有多种结构形式，满足机舱布置要求；

（4）具有成熟可靠的液压控制系列，满足齿轮箱的工况及多离合器的控制要求；

（5）采用机械及自动化控制，实现齿轮箱机旁应急操纵及远程操控；

（6）可根据需要在齿轮箱输出前端安装CPP配油器；

（7）离合器为粉末冶金摩擦片组成的多片式摩擦离合器，采用液压操作，通过齿轮箱上二级压力控制阀使离合器接排平稳；

（8）供油系统的特点为，齿轮箱不需要单独设立油箱，而将下箱体底部作为油池，并设油液防溅板，即使在齿轮箱相当倾斜时也能保证油泵不吸空。

四、故障原因分析和解决

针对A船的GWC70.85齿轮箱大齿轮径向劈裂的情况，厂方进行了全方位的分析。造成齿轮劈裂的直接原因是主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方的齿轮上，此时若齿轮突然过载就可能会超负荷造成突然断裂；若非突然断裂，齿轮重复受过载力，造成应力集中，也会导致疲劳裂纹，进而导致疲劳断裂。齿轮断裂在斜齿轮和宽直齿齿轮上发生较多。［2］但是齿轮设计时就已对其工作的复杂性进行了充分考虑，所以还需揭示其劈裂的本质：

1.材料成分和机械性能

大型齿轮的材料，尤其是化学元素的成分，直接决定材料的力学性能。当然，齿轮锻件的热处理对其力学性能影响也至关重要。经对齿轮的化学成分进行化验和力学性能进行分析，结果如表1、表2所示。

表1 齿轮化学成分分析%

表2 齿轮机械性能

从表2可见，抗拉强度和屈服极限都偏低。为何如此？从齿轮的加工工艺入手分析。齿轮的加工工艺一般为：选料→金加工→热处理→磨孔。在这里，热处理环节是影响齿轮性能的重要环节，如热处理的残余应力控制不当，会引起钢件在一定时间后或在随后的切削加工中产生变形或裂纹（当残余应力大于RP02时会引起工件的变形，当残余应力大于Rm时会引起工件的开裂）；残余应力作用在淬火件中心，会引起钢件的横断和劈裂；淬火后钢件会变硬但同时变脆；回火不及时会使钢件发生变形甚至开裂。这些因素都埋下了齿轮开裂的隐患。经过对损害齿轮的拉伸试验，确实发现Rm和RP02偏低。

2.制造及装配

齿轮在制造过程中，由于刀具、车床的误差及其安装不当等原因，可能造成齿轮产生偏心、周节误差、基节误差、齿形误差等。此外，在装配过程中，由于装配技术和装配方法等原因，齿轮会产生一端受力、装配偏差、不平衡等情形。这些情况可能会造成齿轮负荷不均、磨损甚至劈裂。

3.机械振动

齿轮振动产生的根源是激励的存在，研究表明内部激励是研究齿轮振动的重点，［3］内部激励即齿轮啮合过程中产生的动态激励，［4］包括刚度激励、啮合冲击激励、误差激励、轮齿损伤激励等。由于激励的存在，导致齿轮啮合过程中的不平稳，进而导致冲击和振动的产生。齿轮振动有多重形式，最主要为啮合振动，它是由于啮合副在力的作用下，使齿的弯曲量发生变化，导致齿在啮入和啮出的过程中，齿轮之间发生碰撞，产生冲击和振动。如果当外部力或者缺陷等引起的振动达到一定程度，将产生共振现象，进而会激起齿轮箱体发生共振。当共振发生时，齿轮将受到一个较大的径向力，从而会产生劈裂。

综合分析以上的三大原因，本案例中大齿轮径向裂开的首要原因是金属材料热处理不当。

针对B船GWC60.66齿轮箱油温持续升高，离合器打滑的现象，厂方将其拆解后，发现离合器活塞已经磨坏，磨损超过0.5mm，活塞和摩擦片上铁屑遍布。从现象上看，摩擦片之间存在明显的打滑迹象，且活塞内凹圈与从动齿轮存在明显的受力接触。经过测量发现，当活塞处于原始位置时，内凹槽与从动轮之间的间隙小于6mm，而活塞的行程设计值是6mm。

所以结论大致确定是活塞内凹圈与从动齿轮的端向间隙不够（见图3），当活塞走完6mm的行程去压紧21个摩擦片时，内凹圈已顶住了从动齿轮，外凸圈（见图4）却无法压紧摩擦片（本该压紧）。因此，两组（共21个）摩擦片之间打滑（似转非转），内凹圈跟着从动齿轮也似转非转（本不该转），结果磨坏了活塞的端面和外周面，润滑油的温度持续升高。正车工况工作持续时间长，所以油温高被更早发现了。按照这样的思路去解决的话，仍需要状态监控以验证修复结果。

图3 活塞的内凹圈和外凸圈

针对故障原因更换了活塞，调整了内凹圈与从动齿轮的端向间隙。调整的过程是：铣薄从动齿轮上的调整垫圈（见图5），总的减少量为7mm，以此改变从动齿轮的位置，使从动齿轮离开内凹圈更远（由原来的4mm变成11mm）。经核实，是装配时错误安装调整垫片导致的。

图4 从动齿轮和摩擦片

图5 调整垫圈

这样，当执行命令时，活塞走完6mm的行程后，内凹圈与从动齿轮的间隙保持在11mm（原来只有4mm），此时外凸圈已经有效地压紧了21个摩擦片，使离合器与活塞紧密贴合（高效传递动力）。相反在分离时，依靠活塞上6件弹簧片（见图3）产生的弹力使压紧盘复位，离合器也彻底分离（不传递动力），此时两组摩擦片处于分离状态，从动轴不随主动轴旋转。满足《钢质海船入级与建造规范》［5］第3篇11.3.4.1要求：采用摩擦元件的离合器，在正常运转时不应有打滑现象；在空车运转时，其带排扭矩不应使与其连接的推进轴系有带转现象。

故障初步修复后，对齿轮箱进行了试验，试验时由国际知名第三方专业机构进行了振动频谱测量分析（见图6～13），测量均在H向上进行。因为振动频谱测量和分析是公认的状态监控的有力工具。［6］

频谱分析报告的结论是：“振动光谱表明，主要频率，在每一点，运行速度频率及其谐波加速度包络光谱，没有明显的轴承故障频率和其他异常频率。主机齿轮箱振动正常。”

图6 1S处输入轴振动测量

图7 2S处正向输入轴振动测量

图8 2S处正向输出轴振动测量

图9 2S处反向输入轴振动测量

图10 2S处反向输出轴振动测量

图11 3S处输出轴振动测量

图12 齿轮箱及传动原理示意图

图13 齿轮箱（测量）示意图

五、建造和管理对策

良好的齿轮箱应该是：（1）达到热平衡时，齿轮箱的温度应低于设计要求；（2）滑油压力应符合要求，滤器进出口压差低于0.15 MPa；（3）空车时无带排现象；（4）离合器接排平稳、柔和、无冲击；（5）运转无异响和严重噪音；（6）不漏油漏水。

在船上，齿轮箱工作是否良好，首先要根据现象去判断。出现故障时要从两方面入手发现并解决问题，即机械和油路系统。

在建造和管理中，应该注意以下几点：

（1）设计制造中应精确控制公差、控制安装精度、优化工艺，从源头上减少潜在故障源；主要零部件的材料热处理要特别重视。

（2）船舶建造期间，齿轮箱安装要按规范及厂方规定进行；应按照规定进行空转试验（一般不小于4h），核查运转、温度、功耗等情况；轴承温度控制在80 ℃以内，温升小于40 ℃。

（3）严格进行轴系校中，确保齿轮箱两端与轴系的对中。齿轮箱大齿轮前后轴承负荷差、轴系各轴的附加弯曲应力等是轴系合理校中的限制条件。重视轴系校中，是齿轮箱长期可靠运行的重要保证。制造厂规定了校中时施加到柴油机曲轴上的热态和冷态的弯矩及剪力值，船舶设计单位应确保：①主推进轴系的校中，使轴系在热态情况下具有合理的轴承反力和轴弯曲力矩；②要使轴承的数量及其布置正确合理，以减少船体变形或轴承磨损对齿轮箱内齿轮产生的影响。

（4）状态监控（振动频谱测量）也是很必要的验证环节。通过对齿轮箱故障进行预测，如果齿轮箱轴承或齿轮出现故障特征频率时，及时分析处理。

（5）应该经常检查润滑部位是否达到润滑效果，以及润滑剂有无杂质，是否失效，并重点监控滑油温度。

（6）检查滑油过滤器的杂质，通过观察初步判断内部的磨损情况。定期进行滑油的色谱分析，进一步根据滑油的杂质来掌握磨损。

（7）对本体重要部位的温度进行监视，通过超温度及时发现问题。

六、结束语

由于海况的复杂性和设备的长久运行，故障的产生是难免的。这就需要在设备制造、安装环节中严格控制、精益求精，在运行管理中做到胸有成竹，一旦出现故障，能正确分析定位，及时排除故障。

参考文献：

［1］周晓梅.某近海供应船齿轮箱PTO轴断裂分析及改进［J］.机电工程，2013（2）:175-178.

［2］丁康.齿轮及齿轮箱故障诊断使用技术［M］.北京:科学技术文献出版社，1991.

［3］兰彦军.浅谈齿轮箱的失效和原因［J］.科技论坛，2015（1）:4-5.

［4］林英志.齿轮箱振动检测与故障诊断技术［D］.南京:南京工业大学，2008:14-17，40-43.

［5］中国船级社.钢质海船入级与建造规范［M］.北京:人民交通出版社，2012.［6］杜设亮.频谱分析法在齿轮箱故障诊断中的应用研究［J］.机电工程，1999（5）:211-213.

DOI:10.16176/j.cnki.21-1284.2016.01.009