齿轮箱输出端轴承温度高故障分析与排除

　　摘　要：本文对齿轮箱输出端支点轴承温度高原因进行了分析，并制定合理的修理方案排除之。
　　关键词：齿轮箱；输出端轴承；温度高原因；分析；解决
　　某舰装备主柴油机两台，减速齿轮箱两台，呈左右舷布置。柴油机型号为12PA6V-280，额定转速1000转/分。齿轮箱型号为GWH6066，传动比为4.0962:1。其中，齿轮箱输入端两个支点轴承采用滚动轴承，而输出端两个支点轴承采用滑动轴承。在较长一段时间内，左机齿轮箱输出端轴承一直处于温度偏高的状态，导致主机加不上转速，直接影响部队执行任务及装备使用安全。经分析研究，我们对原输出端轴承结构进行了局部改进性维修，比较好地解决了这个问题。现将分析、排除故障的过程综述如下。
　　一、故障现象
　　该型齿轮箱接排转速为450转/分，在低转速情况下，齿轮箱润滑压力、工作压力、滑油温度、推力轴承温度、输出端支点轴承温度均处于正常状态。比较左右两台齿轮箱相同转速下的各个参数，在负荷450转/分、600转/分、760转/分工况时，左右齿轮箱工作诸参数基本一致，在转速加至930转/分时，齿轮箱本身工作参数正常，但在反映齿轮箱输出端轴承温度参数时出现差异，右机齿轮箱两个输出端支点轴承温度保持在42℃、43℃左右，左机的齿轮箱两个输出端支点轴承则温度上升至50℃、52℃左右，980转/分时，右机齿轮箱输出端轴承温度为44℃、45℃，而左机齿轮箱输出端轴承温度逐渐上升至63℃、65℃后基本稳定。而齿轮箱输出端轴承允许的工作温度为不超过60℃。
　　二、故障分析
　　GWH6066齿轮箱的润滑系统是独立于主机润滑系统之外的，本身单独设计一个齿轮泵及冷却器。对此类温度高的问题，一般也就是如下思路，一是关注热量是如何产生的，是不是属于正常工作状况下产生的；二是关注热量的消除有无问题，一般滑动轴承的散热包括两个途径，一是由专门设置的冷却介质带走，冷却介质如滑油、淡海水或空气等。其次通过摩擦付轴瓦与瓦窝的紧密接触向外散热。三是仪表的指示是否有误，象滑动轴承的温度传感器都是由热敏电阻制成，再经信号传输、处理后显示在仪表上，其如果有故障或长期工作产生误差也会产生误报。
　　按照由简至繁的原则，我们首先对输出端轴承的温度传感器及仪表进行校核，发现左右齿轮箱温度显示基本准确。其次，检查海水冷却系统，其海水冷却系统由主机海水系统相通，主机一旦启动，从主机机带海水泵出口分出一个支流流向齿轮箱滑油冷却器，然后再排出舷外。检查左机齿轮箱海水冷却系统相关的阀门及冷却器，都开启到位，冷却器也无堵塞现象。观察左右舷相关冷却管路舷外阀出口的排水量，均相差无几。另外，检查滑油的动态及静态油量，均在正常范围，滑油系统的滤芯也十分洁净。说明：两个齿轮箱的滑油系统是正常的，海水冷却系统工作也是正常的。
　　从原理上讲，工作中的摩擦付是在不断地产生热量，而很大一部分热量是无益的，需要借助专门的冷却系统将其消除。齿轮箱输出端轴承工作中产生的热量，一部分经过滑动轴承的下瓦通过瓦窝传到齿轮箱构架而向船体及四周空间传递，大部分是由滑油带走，到滑油冷却器卸掉。当产生的热量与被携带走的热量达到一个平衡时，输出端轴承的温度就表现为一个稳定值。当主机转速提高或降低，以前所建立的平衡就会被打破，温度会持续上升或下降，直至新的建平衡立后，温度值才会稳定。在主机运转过程中，通过检查滑油冷却器的进出口温差，就会判断冷却相关组成部分工作是否处于正常状态。正常滑油冷却器进出口的温差一般在4℃－7℃左右，如果温差小，就要怀疑海水的流量有问题，同样，海水的进出口一般温差不是那么明显，由于海水流量一般较大，温度的升高不是那么明显，用手触摸略有温度上升的感觉。如果海水温度变化明显，那海水冷却系统必定有问题。另外，现代舰船的冷却系统除了单个设备外，许多系统都是共用的，即一个水泵给多个设备供给冷却水，这时，根据负载使用的实际情况，对冷却管系的阀门进行调整，负荷大的设备，供给较多的冷却水，负荷小的设备关小阀门开度以减少冷却水供给量。但在该故障上，很明显，齿轮箱的滑油冷却器、海水供给系统均处于正常的状态。
　　比较工作中两台齿轮箱的参数，对应每个实际工况，除了滑油温度左机比右机略高3℃－4℃（但都在40℃－60℃正常范围内）。我们查询了相关资料及以往的修理记录，发现，相同工况下，同一条舰船的左右主机的齿轮箱滑油温度总会出现一定的差异，我们认为3℃－4℃的温差应是正常的，也是允许的。这与设计、制造存在的误差，与配套系统的制作、安装等原因有关，从实际上讲，消除上述误差不可能也没有必要。
　　经研究，我们决定对该齿轮箱进行拆检，对齿轮箱输出轴、轴瓦进行外观检查及尺寸测量，从下瓦的磨合痕迹来看，下瓦合金出现局部“拉着”的迹象（齿轮箱输出轴轴颈无问题，光洁度很好），这与该船长期使用中出现输出端轴承温度高现象的结果是相吻合的，可以想象，如果继续长时间使用、并疏于管理，尽管主机未超负荷，输出端轴承是很可能会被烧毁的。
　　从测量的几何尺寸来看，圆度、圆柱度均在标准范围之内，配合间隙也正常，下瓦除了局部发黑外，轴与瓦的磨合痕迹也分布比较均匀、持中，轴与下瓦接触角大致在50度左右。输出轴轴颈的尺寸也很好，光洁度也无问题，原地测量输出轴轴颈跳动量也在范围之内。从硬件来看，基本未发现什么异常现象。考虑到左右齿轮箱是同属一个型号产品，右机为什么没有类似问题呢，我们查阅了其原始出厂记录，发现输出端轴承温度没有超标，但右机齿轮箱输出端轴承的温度就是比左机的温度要低7℃－8℃，当然左机输出端轴承温度也未超标。
　　结合船方使用及实际检查情况，经分析研究，我们认为应排除船方使用的问题，左机齿轮箱的故障一定有其它的原因。从轴瓦摩擦付的工作原理出发，左机输出端轴承温度高，说明该摩擦付工作中形成的油膜质量不合格或质量低。当主机接排后，原本静止的输出轴开始运转，轴承间隙在轴的两侧呈正确的楔形，其几何尺寸由输出轴的直径、瓦的形状及合理的间隙而定。这些要素已在检查工作中得以证实而排除。大家知道，摩擦付有效的油膜形成与许多因素有关，其中油楔的形成与之有决定性的关联，而油楔的建立必须具备如下条件：其一输出轴必须有一定的速度；其二，外界负荷不能过大；其三滑油的品质，如对粘度的要求；其四，足够的滑油量的供应。左机齿轮箱输出端轴承是在高负荷下出现的轴承温度高故障，考虑上述四个必要条件，首先排除速度因素，其次排除滑油品质问题。从实际功效上讲，两台齿轮箱滑油工作温度有3℃－4℃的温差可以忽略不计，这也符合舰船修理的常规。再其次，排除负荷的影响。由于两台齿轮箱设计完全一致，轴系设计也一样，相同转速下，两台主机的工况参数记录基本一致，并且推力轴承温度也基本一致。Z后，只剩下滑油供应量的问题。有人提出，两台齿轮箱的机带滑油泵型号完全一致，就是存在制造误差原因，也不可能导致高负荷下的输出端轴承温度高的故障。于是又进一步检查相关润滑系统，如壳体内油孔的通径与长度、相关油道的疏通等等，均未发现问题。但在对油道进行检查时，我们发现左机齿轮箱输出端轴承两块支点瓦的润滑油路进口均开在下瓦上，距剖分面空间角不到20度，如简图1所示。从图中可以发现（从后向前看），滑油从右侧油孔进入，但输出轴正车方向为逆时针方向，滑油是先被输出轴轴颈带出，在另一端左侧再被输出轴轴颈带入形成油楔。 　　这种布局与常规设计是不符的。正常的油路布局应是这样的，见简图2、简图3。简图2所展示的是中间进油方式。外界具有一定压力的滑油从上瓦中间部位进油，上瓦中间有一定深度、宽度的油槽，滑油进入轴瓦间隙后沿油槽向两侧分出，无论哪一种旋向，都可以保证油楔的形成。简图3所展示的是侧面进油方式。外界具有一定压力的滑油从正常剖分面一侧进入，但对轴颈的旋向有特殊要求，那就是轴颈必须冲着进油孔方向旋转，以便保证高质量油楔的形成。 　　可见，左机齿轮箱输出端轴承滑油进口的布置违背常规，直接导致了高负荷工况下输出端轴承出现温度高的故障。具体解释为：滑油进入工作腔（轴瓦间隙）后，由于输出轴正车的旋向是向外旋出的，滑油先被输出轴轴颈带出，然后飞溅到另一侧，再被输出轴轴颈带入，执行油楔形成的正常程序，这时的油量与初始进油量相比已大大减少，大部分的滑油已在飞溅过程中落入油底壳。在低负荷（低转速）情况下，它的滑油供应量尚能满足建立油膜的实际需要，并达成符合要求的热平衡；在高负荷（高转速）情况下，滑油供应量就捉襟见肘，对高负荷所要求油膜建立的条件就无法满足或降低质量的满足，进而只能达成超标准的热平衡，外观就体现输出端轴承温度高或超标，轴承局部便有“拉着”的痕迹存在。可见，这个滑油供应量的不足不是指齿轮箱机带滑油泵供给该位置的滑油量，而是指其中的有效部分，作为滑油泵初始提供的油量始终是充沛的。而右机齿轮箱温度为何正常的原因也可以得到合理地解释：由于左右齿轮箱结构是一样的，右机齿轮箱输出端轴承进油孔也在相应位置，但右主机在正车工况下输出轴旋向是顺时针方向（从后向前看），输出轴旋转是冲着进油孔方向，进入轴瓦间隙内的滑油直接供给形成油楔，没有左机齿轮箱在形成油楔过程中存在的一个飞溅油量损失。左右齿轮箱比较而言，输出端轴承形成油楔滑油量的供应是相差较大的。因此，高负荷工况下，左齿轮箱输出端轴承温度高、右齿轮箱输出端轴承温度正常是必然的结果。当然，右机齿轮箱倒车输出端轴承也存在类似问题，但由于转速低，承担的负荷也低，再加上时间短，所以温度也就保持正常。左机齿轮箱倒车输出端轴承的滑油供应量强于正车情形，就更不会出现正车那样轴承温度高的现象。现在回头看一下该舰出厂的相关情形，实际上齿轮箱存在的缺陷已在出厂记录上有所显示，只不过被新造舰船的“新”所掩盖罢了。考虑动力设备、系统以及船体都处在良好的状态，这个问题暂时没有爆发出来，但当舰船服役多年以后，动力设备、系统有一定的老化、污浊，船体也出现了不利的变形，齿轮箱输出端轴承下瓦的不正常磨损加重，这个先天缺陷就逐渐的暴露出来，左机齿轮箱输出端轴承曾烧毁一次就是很好的证明。
　　至此，左机齿轮箱输出端轴承温度高的原因已水落石出。
　　三、修复方案
　　综合上述分析，左机齿轮箱输出端轴承温度高故障的解决关键在于解决滑油供应量的问题。方案一是将齿轮箱机带滑油泵换新成大排量的型号。这是件难度较大的工作，不仅很难把握有效滑油量的计算，而且影响整个系统性能参数及接口安装问题。方案二是将进油口的位置改在输出端轴承上瓦中间位置。采用上瓦中间进油，齿轮箱输出端轴承无论正车或倒车工况，轴瓦均能得到充足的润滑油供正常使用。但这种方案须改变齿轮箱原始结构设计，即需要重新改变内部油路布置。受到施工工艺、结构强度等诸方面条件限制。可见，上述两个方案都存在较大风险。由此，我们经研究，决定借鉴柴油机主轴承油路的布置特点，采用“人工修路”方式，将滑油送到它该去的地方，消除输出端轴承原始设计的先天缺陷，增加左机齿轮箱输出轴承正车时滑油的有效供应量。基本方法就是沿着上瓦正中位置经人工处理出一道油道，输出轴正车时，进入轴瓦间隙内的滑油被输出轴轴颈带出后，有较多的一部分油量顺着油道继续前进，直接被输出轴轴颈带进形成油楔，进而形成了高质量油膜，保证了齿轮箱正常工作。这样既未改变齿轮箱主要结构，又符合节约经费、缩短周期的原则。
　　经归纳，修理工作内容如下：
　　1）对左机齿轮箱输出端两块轴承下瓦进行刮研修整，刮掉损伤部分。采用假轴看色，轴瓦的接触角为55度－60度，接触面内着色均匀，且25mm×25mm不少于3个油点，轴向接触程度应大于总长度的75﹪.瓦口处尺寸按规定要求刮研，保证形成合适的油楔。
　　2）上瓦油路刮研。刮研油路的位置：处于上瓦中间；其尺寸为：宽度为20－25mm，深度0.4－0.5mm。
　　3）安装。安装时用塞尺检查输出轴下方及左右位置的间隙，下方间隙为零，左、右间隙各为刮研后装配间隙的40%－60%，二者保持一致。
　　4）对左右齿轮箱滑油冷却器酸洗磅压。
　　5）对输出端轴承的温度传感器及仪表进行校核。
　　四、修后试验
　　综合上述情况，我们编制了齿轮箱试车大纲。按试车大纲进行了系泊试验及航行试验，两台主机顺利地加至980转/分，齿轮箱各性能参数正常，其中，左机齿轮箱两个输出端支点轴承温度为46℃、47℃，与右机齿轮箱输出端支点轴承温度基本一致。至此，该舰左机齿轮箱输出端轴承高转速温度高故障得到较圆满地解决。