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【船机帮】船舶主机带消防水泵齿轮箱故障分析及解决措施


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船机故障心莫慌,遇事不决船机帮

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导读

船舶主机带消防水泵齿轮箱故障分析及解决措施 合集

近年来,随着港口货运量增加,尤其是油品运输量增加,港口对消防能力提出了较高的要求,越来越多的港作拖轮也因此配备了对外消防系统。

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拖轮对外消防系统可分为两大类: 

第一类是由独立专用消防柴油机直接带动消防水泵的消防系统,这种系统的消防柴油机一般为高速柴油机,柴油机的额定输出转速不小于水泵额定转速,因此无需增速齿轮箱,该消防系统独立性好,其工作与否不影响船舶主机运行,但设备成本较高,且占用机舱空间较大;

第二类是由船舶主机前端输出轴带动消防水泵的消防系统,这种系统的主机尾端带动的是螺旋桨,主机一般为中速柴油机,柴油机的额定输出转速小于水泵额定转速,因此需要在主机输出轴与水泵间设置一台增速齿轮箱,该消防系统对主机依赖性强,且消防泵和螺旋桨不能同时运转,但设备成本较低,占用机舱空间较小,资源利用率较高,因此近年来被广泛采用。


本文介绍的SBZ800C型齿轮箱就是第二类消防系统中涉及的增速齿轮箱的一种,但由于这种齿轮箱设计及质量存在一定缺陷,给使用者带来了很大隐患和麻烦。

我们在某拖轮SBZ800C型齿轮箱故障维修中积累一些经验,并提出了相应的解决措施,希望能给同类型设备的生产者和使用者提供一些参考。

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一、SBZ800C型齿轮箱工作原理介绍


SBZ800C型齿轮箱是一种齿轮增速器,其输入轴与输出轴成上下异中心布置,输入轴在下侧,主机动力通过齿轮箱输入轴部件前端高弹联轴器传递给输入齿轮,经啮合齿轮后,转速增大,力矩减小,最后动力从齿轮箱输出轴进入水泵。

其设备布置如图1所示。

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SBZ800C型齿轮箱自带润滑油泵,输入齿轮通过齿轮传动副带动传动轴转动,从而带动油泵工作。

同时该齿轮箱内设离合功能,离合器形式为液压操纵湿式多片摩擦离合器,通过离合功能,可以实现输出轴与输入轴分开运转的目的。

为避免离合器脱开后,输出轴仍会在油脂的带动下继续缓慢转动,该齿轮箱还设置了刹车制动功能,在离合器脱开状态下,按下刹车制动旋钮,会将输出轴锁死,从而避免输出轴跟转。

该型齿轮箱输出轴最高转速1800r/min, 额定输入转速750r/ min,额定输入功率800KW,增速比1: 2.4。

其外观及内部结构示意如图2所示。

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二、某拖轮SBZ800C型

齿轮箱故障维修概况


某日黄骅港煤炭港区某拖轮在进行该齿轮箱合排试验水泵运行情况后,发现齿轮箱离合器无法彻底脱开,进行脱排操作后,齿轮箱输出轴仍继续以约360r/min的转速转动,远高于平常约100r/min的跟转转速,操作人员发现异常后,怀疑离合器内摩擦片未彻底分开,于是又重新合排后再次脱开,但输出轴转速异常仍然存在,此时齿轮箱工作油压较平常也有明显增高。

待主机完车后,进步检查,齿轮箱滑油存储量在正常范围,打开滑油滤器查看,发现滤器内有明显金属颗粒和粉末,基本确定齿轮箱内发生异常磨损,且摩擦片故障可能性较大。

由于该齿轮箱厂家对技术保密十分严格,随船齿轮箱资料极少,无齿轮箱内部结构详细图纸,在这种情况下,为避免拆检过程中的二次损伤,只能由厂家安排专业工程师进行维修。


工程师到船初步检查后,指出以当前状况来看只能将齿轮箱彻底解体维修,但受于拖轮机舱狭小,且无配套专用拆卸工具及试验台,也只能将齿轮箱整体返厂维修。

齿轮箱移出涉及工作量较大,需首先将高弹联轴器脱开,再将水泵附属管路拆下,把水泵整体移出,最后将齿轮箱附属管路拆下,把齿轮箱移出,另外由于齿轮箱体积较大,

移出船舱前,还需要拆卸机舱二层地板及 机舱天窗顶棚等而齿轮箱解体过程更是不易。


经拆检发现,输出齿轮与输出轴之间的滚针轴承已损坏,齿轮箱离合器摩擦片发生磨损,输出轴(不锈钢材质)滚道面发生磨损,输出齿轮花键端有较深压痕,离合器外壳内花键有较深压痕,如图3所示。

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经分析故障部位及损坏程度,推测故障发生过程如下:

首先在齿轮箱运行时,输出齿轮与输出轴之间的滚针轴承因异常原因发生损坏,但输出轴仍在转动,滚针轴承进步受力挤压磨损,伴随大量的金属碎片及颗粒产生,金属碎片在滑油的搅动下,沿着输出轴进入离合器内部,此时离合器内部的摩擦片呈贴合状态,但在金属碎片的作用下,摩擦片受力不均,局部因异常摩擦形成局部高温,导致摩擦片局部粘连,当齿轮箱准备停止运行要脱开离合器时,摩擦片无法彻底分离,导致输出轴

仍有较高转速跟转;另外由于滚针轴承损坏,输出齿轮内圈与输出轴滚道面直接接触,产生磨损,大量金属碎片的产生,也使输出齿轮花键及离合器外壳花键受挤压变形。


根据齿轮箱故障情况,制定维修方案:

因多个部件受损严重已无法继续使用,为保证维修后齿轮箱良好的性能,需更换输出轴、输出齿轮、摩擦片、滚针轴承、轴承座、承压板等共15种零件,重新装配后在车间进行试验,正常后运回拖轮进行安装和调试。

本次维修自故障发生至恢复正常,不考虑维修审批流程等人为因素产生的时间,包括设备拆卸、运输、维修、安装、调试等,共花费近一个月时间,其中拖轮脱产近一周时间,涉及维修费用2万余元,且未考虑拖轮脱产对生产带来的损失。

就在该拖轮齿轮箱修复年多后,另一艘姊妹船的齿轮箱也发生故障,经检查确认其故障情况基本相同。


三、SBZ800C型齿轮箱设计缺陷分析


根据上述故障分析情况,滚针轴承的损坏是导致本次事故发生的关键因素,但滚针轴承为什么会破损,还要具体分析齿轮工作机理。

如图3所示,齿轮箱工作工况主要有3种,分别如下:

工况一:

当主机启动运转,且主、刹车离合器均处于脱排状态时。

一方面输入齿轮带动油泵齿轮转动,进而帮动润滑油泵工作;

另一方面输入齿轮带动输出齿轮转动,此时主离合器尚未合排,输出轴理论上不应转动,但由于主离合器内充满了滑油,在滑油的带动下,输出轴存在轻微的跟转,转速约100r/min,辅刹车齿轮与输出轴为紧配合,因此辅刹车齿轮以及与其啮合的主刹车齿轮也会一起缓慢转动。

此时工作油压较低约0.3-0.6MPa,但缺点是水泵会发生转动,因此不能长时间运行于此工况。


工况二:

当主机启动运转,且主离合器脱排、刹车离合器合排时。

为避免水泵非工作状态下这种跟转的发生,可通过操纵使刹车离合器合排,把主利车齿轮锁死,从而辅刹车齿轮也同锁死,使输出轴不再转动,此时工作油压较高约1.2-1.4MPa。

可以看出刹车离合器合排的前提是主离合器不在合排状态,因此两离合器通过电磁阀控制实现互锁。

生产厂家要求不使用水泵时,应长期运行于该工况。

但此工况下齿轮箱仍处于高负荷状态,输入输出齿轮持续转动,刹车离合器持续工作,带来较高的工作油压和油温。

此时输出轴上的滚针轴承也在持续转动,并承受着相当的负荷,其工作状况接近于“工况三”的使用状态。


工况三:

当主机启动运转,且主离合器合排、刹车离合器脱排时。

输入齿轮带动输出齿轮转动,进而通过主离合器带动输出轴转动,由于此时刹车离合器必处于脱排状态,因此主、辅刹车齿轮也随之转动,此时工作油压较高约1.2-1.4MPa。

当使用水泵时,齿轮箱运行该工况下。

在实际工作中,拖轮只有接到船舶火灾抢险任务以及每月的定期试验对外消防系统时才会使用水泵,因此齿轮箱每月运行于“工况三”的时间约半小时,一年下来累计也不会超过6h,而主机运转时间每年约1200~ 1500h,即齿轮箱运行于“工况三”的时间仅仅占总运转时间的0.4%-0.5%,此时该针轴承处于工作状态,这是真正发挥其作用的时间。

其余时间齿轮箱运行于“工况一”或“工况二”,由于“工况一”下产生的水泵跟转,就只能运行于“工况二”,所以剩余99.5%-99.6%的时间,滚针轴承也处于工作状态,这就使滚针轴承的有效使用寿命大大缩减,这是导致滚针损坏的重要原因。

据核实首台故障齿轮箱滚针轴承损坏时,其主机运行时间约2900h,第二台齿轮箱发生故障时,其主机运行时间约5300h,从两个运行时间来看,应该尚未达到其额定寿命,因此滚针轴承的选型或材质也极有可能存在定缺陷,但由于受到生产厂家技术保密,一些关键数据智无法获取。

另外此齿轮箱在结构设计上也存在缺陷,例如本体上无检修口,发生故障时不便于检查;滑油双联油器不合理,无集油槽,每次清洗滤器时,都会导致大量滑油外泄;齿轮箱整体体型笨重,占用空间大等,这些问题虽不会直接导致上述故障发生,但给齿轮箱发生故障后维修拆检带来极大不便,造成维修时间和成本增加。


四、SBZ800C 型齿轮箱改进措施


增速齿轮箱作为消防拖轮采用主机带消防水泵形式必备的设备,起着重要的传递功率的作用,SBZ800C 型齿轮箱作为其中一种,虽然在一定程度上发挥了其主要功用,但是其存在的缺陷,给船舶带了极大的隐患,其故障产生的损失也是不可忽视的。

因此为避免此问题发生,将损失将至最小,有必要采取合理的办法解决此问题。

经过对系统结构及作用机理进行综合分析和讨论,提出以下两种解决方案供参考:

方案一:对齿轮箱内部进行改造。

本方案的主要思路是通过优化齿轮箱内部结构,简化传动部件,减少非工作状态下发生的磨损。

其主要结构原理为,输入轴进入齿轮箱后,首先经过一个多片离合器,离合器后端为一根传动轴, 轴上安装有一级齿轮,齿轮与轴为紧配合,一级齿轮通过啮合带动输出轴上的二级齿轮转动,二级齿轮与输出轴为紧配合,从而带动输出轴转动。

齿轮箱的润滑及工作油压供给有两种办法,一是由主机机带润滑油泵供给,二是设台 齿轮油泵供给。

该方案优点是去除了原设备的滚针轴承,使设备在非工作状态下,内部传动部件磨损极大减少,基本解决了齿轮因耗损过快而频发故障的问题,但该方案的缺点是改造成本较大,而且未能彻底解决非工作状态下输出轴跟转的问题。


方案二:对齿轮箱外部进行改造。

本方案的主要思路是将齿轮箱前端高弹联轴器拆除,替换为离合器,达到直接从齿轮箱输入轴进行控制的目的,在非工作状态时直接脱开离合器,从而使齿轮箱与主机彻底分离。

关于离合器的选型,考虑到实际安装空间限制、扭矩大小及工作需求,可以选择牙嵌式离合器,主机停车状态下进行合脱排,离合器控制方式按实际需求,可选择手动气动或电动控制。

该方案优点是改造成本小,无需对齿轮箱本身进行改动,彻底消除了齿轮箱非工作状态下发生的耗损,也解决了齿轮箱非工作状态下输出轴跟转问题,极大的延长了齿轮箱的工作寿命,但由于齿轮箱自身的问题仍然存在,不排除多年以后齿轮箱还会再次出现故障。


根据以上方案,经与相关设备制造厂家深入探讨,对两种方案的可行性都给予了肯定,但由于不同船舶安装空间和尺寸等方面存在的差异,仍需结合实际情况具体分析,在此仅希望能给同类型设备的生产者和使用者提供一些借鉴意义。

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本文原创作者系:

神华黄骅港务有限责任公司船务管理中心

马明轩

END

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来源:船机帮

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