【船机帮】船用主机齿轮箱传动齿轮轮齿断裂故障诊断

船机故障心莫慌，遇事不决船机帮

导读

船用主机齿轮箱广泛用于各种客货轮船、工程船、渔船、近海和远洋船舶以及游艇、警用艇、军工舰船等，是船舶工业的重要关键设备。

齿轮投入使用后，由于齿轮制造不良或操作维护不善，会产生各种形式的失效。

失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转状态等因素的不同而不同，常见的齿轮失效形式有: 

齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿［1］。

一、问题的提出

某船在航行中主机减速齿轮箱内突然传出噪声，由于海况复杂不能停船检查，只得被迫减速航行，到港卸货后船进公司修理，其主机减速齿轮箱为重点修理工程，在修理前对主机进行试运转，减速齿轮箱内传出较大的噪声，齿轮箱分解后发现从动齿轮碎裂，如图1所示。

图1 齿轮碎裂现场图片

二、问题的探寻及分析

齿轮箱拆解前，对轴系进行轴线对中检查，同时测量主机曲轴臂距差，主机曲轴臂距差符合主机说明书规定要求，轴系各法兰曲折、偏移测量尺寸数据如表1所示。

由于船方无法提供船舶建造安装时轴系校中计算书，因此暂时无法判断其轴系曲折、偏移值是否符合建造时的标准。

齿轮箱分解后，检查轮齿断裂部位，并未发现疲劳裂纹源区及扩展，说明轮齿断裂为瞬间断裂，对啮合齿面进行外观及粘色检查，除断裂齿轮齿面有擦伤，其它齿轮啮合状态及接触尚可。

各齿轮轴与轴承间隙都符合说明书技术要求，齿轮啮合间隙都超过标准安装要求范围，但未超出需修理的极限值，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，对断裂齿轮材质、表面硬度等检查都没有发现问题。

该齿轮箱也没有进行过拆解检修，因此也排除是因为装配不当导致断齿。

根据船方人员反馈，在船舶运行过程中3#中间轴瓦温度过高，经过拆检发现，3#中间轴瓦发生粘着磨损，如图2所示。

图2 轴瓦磨损现场图片

装有减速齿轮箱的船舶，轴系通常是用法兰联轴器与减速齿轮箱的大齿轮相连接，齿轮副在啮合传递运动时，主动齿轮的作用力和从动齿轮的反作用力都通过接触点分别作用在对方轮齿上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于轮齿的齿顶部，此时轮齿如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过负荷断裂，如图3所示。

图3  从动齿轮受力简图

通过对齿轮箱从动齿轮受力分析 ( 图3) ，作用在从动齿轮上的动载荷合力为T合，此力均匀的作用在从动齿轮轴的前后 2 个轴承上。

这时，如前后 2 个轴承上的静载荷 FA、FF 不相等，则前后 2个轴承上的实际负荷、动载荷与静载荷的合成负荷就不相等，即 RA≠RF，且负荷的作用方向也不同，即 α≠β。

由图3可见，RA 与 RF 的差值越大，则 α与 β 的差值就越大。

由于 α 与 β 不相等，则轴承中润滑油膜的最小厚度不相等，从而轴颈中心与轴承中心的偏心距也不等，这样就造成轴颈在轴承中的位置不相同，中间轴与轴承产生干摩擦，进而损伤轴承瓦面。

同时齿轮轴的轴线相对 2 个轴承的轴心线发生歪斜，造成减速器齿轮不正常啮合。

在运转过程中就会产生噪声、发热、振动、齿面损伤等毛病，且影响主机全功率运转。

因此我们分析造成齿轮齿面断裂和轴承瓦面损伤的原因应为轴系轴线不对中造成，轴系轴线不对中造成大齿轮轴前、后 2个轴承上的负荷不等。

从动齿轮轴后轴承上的静负荷与从动齿轮轴前轴承上的静负荷在法兰连接处产生弯矩，在此弯矩作用下，从动齿轮轴前、后 2 个轴承上出现的负荷差，必将影响主动齿轮与从动齿轮的正常啮合。

三、问题的解决

对损坏的齿轮按技术说明书要求重新加工制作，由于中间轴轴瓦磨损不是很严重，因此只对其进行修配性刮研，然后对轴系重新进行校中。

考虑到该船使用年限较长，船体强度可能发生变化，轴系在重新校中前，各压载舱应均匀的压装载，压载量不得少于空载排水量的 85% ，同时轴系校中需考虑排除阳光照射，要求早晨或者日落后进行。

由于船方无法提供本船轴系要求的曲折、偏移值，因此只能按照 JT 4161—1977 《船舶轴系安装及扭振技术要求》规定调整，即: 推力轴与相邻中间轴法兰偏移 δ≤0.15mm，其曲折值σ≤0.20 mm /m，其余法兰应合乎计算而得出的坐标三角形所规定的要求，实际测出的偏移 δ 和曲折 σ 坐标交点在三角形阴影内即为合格［2］，坐标三角形的法兰允许偏移和曲折按照图4轴系布置示意图计算如下。

图4  轴系布置示意图

图5 坐标三角形图

调整合格后，将轴承底座下面旋转式调整垫调好，并上紧底座螺栓进行交验。

交验除符合规定要求外，中间轴与轴承下部 1200 范围内粘色检查，接触应均匀，25mm×25mm见方内接触点不少于3～4 个，且中间轴与轴瓦下部之间 0.05 mm 塞尺不得插入，中间轴承与轴左右间隙应相同，不允许轴与轴承有单边靠紧现象。

最后采用 “顶举法”检查调整轴系各支撑轴承所承担的实际负荷，按照《海船法定营运检验技术规程》2011 规定，油润滑白合金中间轴承负荷比压不大于 0.5N/mm²，齿轮轴的前后轴承负荷相等，检查合格后，校验齿轮箱各齿轮的啮合间隙并通过粘色法检查齿轮啮合状态，并测量主机曲臂差符合说明书要求［3］。

检查调整结束后运转试验，减速齿轮箱运转平稳，无噪声及震动，中间轴承无过热现象。

四、结束语

轴的失效形式会引起齿轮啮合状态变化，轴或轴系产生故障，必然也使安装在轴上的齿轮的啮合状态发生很大的变化，不论安装和加工精度多高，齿轮箱中的轴都会有不平衡产生，但只要不平衡量控制在一定的范围，就不会对齿轮箱的正常运行工况产生影响，但是如果不平衡量超过一定的限度，就会对齿轮箱的运行工况产生较大的影响，齿轮与内圆轴线不同心、不对中 ，以及大型齿轮的动不平衡等，在齿轮的运转中，由于齿面间承受着交变载荷，就会引起齿面点蚀、剥落、胶合、磨损及断齿等失效形式出现。

参考文献：

［1］丁康，李巍华，朱小勇． 齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术 ［M］． 北京: 机械工业出版社，2005．

［2］船舶轴系安装及扭振技术要求: JT 4161—1977 ［S］．北京: 人民交通出版社，1977．

［3］中华人民共和国海事局． 海船法定营运检验技术规程［M］． 北京: 人民交通出版社 ，2011．

本文原创作者系：

大连船舶重工集团船务工程有限公司

王 力，于仁江，张立远，梁 浩，袁宝晨

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