某船用高速柴油機氣馬達打齒故障分析及解決方案

某船用高速柴油發(fā)電機組在船上進行了6次起動性能試驗(3次機旁起動停機、3次遙控起動停機)，均正常。隨后，在并車時，操作人員起動一臺柴油機組，按下起動按鈕后飛輪端發(fā)出異響。目測檢查發(fā)現(xiàn)：柴油機氣馬達齒輪輪齒全部損傷。飛輪齒圈輪齒出現(xiàn)不同程度磨損和損傷。截至故障發(fā)生時該機組累計運行130h。一、故障現(xiàn)場情況檢查故障發(fā)生后，現(xiàn)場服務工程師對該機組柴油機氣馬達打齒的情況進行檢查。檢查氣馬達齒輪與飛輪齒圈端面問隙、氣馬達起動空氣壓力值、起動管路上過濾器、安裝零部件、氣馬達起動電磁閥，均正常。檢查氣馬達的齒輪，13個輪齒全部損傷(如圖1a)所示)；飛輪齒圈非進給側(靠近發(fā)電機端)有輪齒受損(如圖1b)所示)。圖1齒輪、飛輪受損情況二、故障排查基于對故障柴油機的現(xiàn)場初步檢查，工廠對柴油機氣馬達的抱式支架、輔助支架、氣馬達齒輪、飛輪齒圈及緊固螺栓等相關零部件，從設計、工藝、實物質量和生產過程控制等方面逐一進行排查。1、設計首先從設計角度對可能存在問題的相關零部件進行排查。（1）抱式支架氣馬達抱式支架安裝形式如圖2所示。圖2氣馬達抱式支架安裝示意圖對抱式支架強度進行校核，有限元計算表明：抱式支架所受的最大應力為112.24MPa(圖3)。圖3抱式支架仿真計算抱式支架材料為Q235，屈服強度為235MPa?？梢姡罕街Ъ芩艿淖畲髴π∮谄淝姸?，滿足使用要求。（2）輔助支架前期對氣馬達安裝方式進行了優(yōu)化改進，在氣馬達端面位置增加了輔助支架，固定于機體上(圖4)。圖4氣馬達輔助支架安裝位置圖增加輔助支架，可以從設計上保證氣馬達軸向問隙在一定范圍內，同時可以提高氣馬達安裝強度。對輔助支架強度進行校核，有限元計算表明：輔助支架所受的最大應力為6.5MPa(圖5)。圖5輔助支架仿真分析輔助支架的材料選用Q235，屈服強度為235MPa?？梢姡狠o助支架所受的最大應力遠小于其屈服強度，滿足輔助支架的使用要求。（3）氣馬達與飛輪齒圈嚙合間隙根據(jù)氣馬達安裝使用說明書，氣馬達齒輪和飛輪齒圈嚙合間隙為0.7～1.2mm。對兩個齒輪的間隙設計尺寸進行排查：按照零件的極限偏差，兩個齒輪中心距最小為406.622mm，最大為407.11mm；用作圖法計算出設計嚙合間隙最小約為0.72mm，最大約為1.08mm(圖6)。圖6齒輪嚙合間隙示意圖設計的齒輪嚙合間隙在要求的范圍內，滿足使用要求。對影響氣馬達嚙合間隙的相關零部件極限尺寸進行排查：氣馬達抱式安裝極限偏差為±0.575mm，對應的嚙合間隙為0.72～1.08mm，滿足氣馬達說明書規(guī)定的0.7～1.2rnm要求；輔助支架安裝孔與機體螺紋孔的單邊間隙為1mm(>0.575mm)，滿足氣馬達在極限偏差安裝下，輔助支架安裝間隙的要求。氣馬達支架徑向裝配圖如圖7所示。圖7支架徑向裝配圖(4)氣馬達與飛輪齒圈軸向間隙設計由氣馬達圖紙可知，氣馬達齒輪和飛輪齒圈的軸向間隙設計理論值為5mm。排查影響氣馬達軸向間隙的相關零部件尺寸：氣馬達齒輪和飛輪齒圈的最小軸向間隙為4.516mm，最大軸向間隙為5.188mm，滿足氣馬達齒輪和飛輪齒圈軸向間隙6±1.5mm的要求。2、相關零部件質量故障件返廠后，工廠對氣馬達安裝涉及的相關零部件進行了相應的檢測。排查結果顯示：抱式支架、輔助支架、氣馬達、飛輪齒圈、緊固螺栓的質量均合格。3、氣馬達安裝工藝對照《柴油機氣馬達安裝作業(yè)指導書》，從安裝工藝的角度進行排查。氣馬達安裝時應先安裝氣馬達的輔助支架，擰緊與機體連接的輔助支架固定螺栓(步驟一)；然后將氣馬達安裝在抱式支架內(步驟二)，最后將氣馬達與輔助支架固定連接(步驟三)，安裝示意如圖8。圖8氣馬達安裝示意圖通過對氣馬達安裝工藝的排查，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：問題一，安裝順序上，南于機體與輔助支架連接處安裝螺栓M12與孔(Ф14)存在2mm間隙，安裝輔助支架時支架會產生徑向偏移。安裝輔助支架后再安裝氣馬達，輔助支架在徑向產生的偏移會使氣馬達齒輪和齒圈軸線不平行，引起齒輪與飛輪齒圈嚙合間隙變化，導致齒輪受力異常。問題二，氣馬達與輔助支架連接處留有8個孔，但按設計連接輔助支架與氣馬達的螺栓只需4個，安裝工藝上也未明確該4個螺栓應均布。三、故障原因分析對安裝工藝的排查表明：造成此次柴油機氣馬達齒輪和飛輪齒圈損壞的原因主要為氣馬達安裝工藝錯誤。在氣馬達裝配過程中，輔助支架與氣馬達之間產生了異常的作用力，影響了齒輪與飛輪齒圈的齒面平行度和嚙合間隙。由于齒面平行度不好，在柴油機起動時，相互作用的輪齒非完全線接觸，輪齒之間的有效受力面積減小，接觸應力增大，最終超出輪齒的承載極限導致齒輪損壞。此外，平行度不好也會導致氣馬達齒輪無法退出，而跟隨飛輪齒圈轉動，造成打齒。四、整改措施及驗證基于上述故障原因分析，提出安裝工藝改進方案。具體安裝步驟如下：(1)將帶輔助支架的氣馬達預裝在抱式支架上，手動預緊螺栓M10防止馬達掉落，并在螺栓M10上涂抹螺紋鎖固膠；(2)推動輔助支架，使輔助支架與機體面緊密貼合，用扳手預緊輔助支架與機體安裝面的3個螺栓M12，查看輔助支架與機體面貼合情況，后松開輔助支架安裝螺栓M12；(3)擰緊抱式支架螺栓M10，將氣馬達固定在抱式支架上，按規(guī)定擰緊力矩擰緊，劃線標記；(4)取下輔助支架與機體連接的3個螺栓M12，用塞尺檢驗輔助支架與機體之間的貼合度，要求輔助支架與機體之間間隙不大于0.10mm，滿足貼合要求后，用螺栓M12將輔助支架固定到機體上，按規(guī)定擰緊力矩擰緊，劃線標記。輔助支架與氣馬達相對位置如圖9所示。圖9輔助支架與氣馬達相對位置按照前期的安裝工藝進行故障復現(xiàn)：在100次氣馬達起動后，氣馬達齒輪發(fā)生了較為嚴重的磨損(圖10)。圖10故障復現(xiàn)后的飛輪