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導讀
船用齒輪箱按傳遞速度比不同分為減速和增速齒輪箱，減速齒輪箱廣泛用于近 / 遠海船舶、工程船、客貨船、漁業(yè)船以及警用艇、軍用艦船等，而增速齒輪箱多見于具有對外消防功能的多用途工作船、救助船、拖輪等，都是船舶工業(yè)的重要關鍵設備。
齒輪箱離合器失效故障主要發(fā)生在船舶動力順車及倒車合排過程中，常見故障現(xiàn)象主要分為摩擦片打滑、摩擦片燒壞、離合器不動作等 [1]。
一、故障現(xiàn)象
某多用途工作船，用于為近海海上石油鉆井平臺進行巡航守護值班并擁有FIFI 1級對外消防功能，其在配合某鉆井平臺進行消防應急演練時，由2#主機推進的對外消防泵增速齒輪箱多次遙控合排無果后采用強制手動合排出水，手動脫排后齒輪箱從動軸（即對外消防泵驅動軸）仍跟轉400 r/min左右，船舶機艙值班人員多次嘗試合/脫排操作，仍然無法成功脫開離合器。
后經(jīng)專業(yè)維修人員上船對該齒輪箱離合器結構進行解體拆檢，發(fā)現(xiàn)離合器盤鋼片及燒結青銅摩擦片均有明顯不同程度變形且有高溫過熱痕跡。
二、故障原因探尋分析與排除
1、船用齒輪箱概況綜述
該增速齒輪箱結構上主要包括前端1根輸入軸通過高彈與主機自由端連接，后端1根輸出驅動軸連接消防泵。
運行時，齒輪箱機帶油泵通過溢流閥向支撐軸承和齒輪嚙合處提供潤滑和冷卻用油，系統(tǒng)油經(jīng)過殼管式油冷卻器被海水循環(huán)冷卻；
合排時，系統(tǒng)油經(jīng)過調壓閥閥組向離合器提供工作壓力油使摩擦片嚙合從而驅動消防泵。
內置的離合器采用液壓濕式多片式，離合器盤由鋼鐵和燒結青銅制成，其冷卻油量通過離合器冷卻油流量計中的針型閥來調整。
離合器壓盤則采用代用鋼和高耐磨燒結金屬做成，離合器能夠根據(jù)離合器壓盤的磨損限度進行自我調節(jié)。
離合器的合 / 脫排操作由電磁控制閥組控制，而系統(tǒng)的工作油壓則由溢流閥和壓力控制閥調整和設定。
2、船用齒輪箱故障診斷現(xiàn)狀
船用齒輪箱作為船舶傳遞動力的關鍵設備，確保其工況長期穩(wěn)定正常運轉是船舶航行安全和有效發(fā)揮設備功能性的重要保障。
一般來講，船用齒輪箱離合器故障診斷主要從機理成因、信號處理、診斷方法 3 個方面進行研究 [2]。
1）機理成因。
任何故障診斷都需要進行機理成因分析，該分析方法能將故障在裝置設計階段初期就消除。
從設計制造角度對裝置故障現(xiàn)象及成因進行分析可知，導致齒輪箱離合器故障的主要因素有制造誤差、配合不當、過載運行等。
根據(jù)相關數(shù)據(jù)（見圖1）可知，我國船用齒輪箱中齒輪、軸承及離合器的失效占比分別為60%、19%、10%，由此可知，齒輪、軸承及離合器故障是導致船用齒輪箱失效故障的主要原因。
圖1 齒輪箱失效故障類型占比
2）信號處理。
隨著各類信號處理技術的發(fā)展，船用設備振動信號的分析與處理技術水平也在逐年提高。
隨著FFT分析方法的出現(xiàn)，船用設備運行參數(shù)等信號分析手段得到進一步發(fā)展。
船用設備檢維修技術人員開始采用分辨率較高的現(xiàn)代譜分析法代替?zhèn)鹘y(tǒng)分析法，小波分析法是目前船舶設備檢維修技術人員分析船用設備故障時較為常用的一種新型分析方法，該方法的優(yōu)點在于能對船用設備運行中某一特殊頻段信號進行去噪，消除干擾然后對該信號做出精準分析 [3]。
3）診斷方法。
船用齒輪箱離合器的工作狀態(tài)是影響齒輪箱運行工況的主要因素，在故障分析時需要對齒輪箱運行工況進行識別，按其規(guī)律對齒輪箱結構部件進行分類，也就是在分類過程中對齒輪箱運行工況進行識別。
常見的診斷方法主要有貝葉斯（Bayes）分類法、模型分析法、信息距離判別法等，上述方法均是從檢測齒輪箱運行工況為切入點，采用齒輪箱某一正常工況的特征矢量為標準，再將分類結果與之對比，即可完成對船用齒輪箱離合器的故障診斷。
3、船用齒輪箱失效原因探尋與排除
1）故障類型。
離合器是船用齒輪箱中的主要部件，也是容易出現(xiàn)故障的零部件，根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，船用齒輪箱離合器常見故障分類情況及其占比，如表1所示。
可知，在導致齒輪箱離合器失效的故障類型中，離合器不動較為常見，摩擦片打滑和磨損故障出現(xiàn)的概率相近，摩擦片燒損變形故障則較為少見，而離合器摩擦片的燒損變形故障會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失，必須要引起船用齒輪箱主管人員足夠的重視。
2）失效原因。
船用齒輪箱是船舶動力系統(tǒng)的主要組成部分，因此其性能的好壞直接影響到船舶機械能否正常運行。
船用齒輪箱離合器正常運行時，能反映其工況狀態(tài)的信息較多，與故障診斷相關聯(lián)的信息量也較大。
由拆解出來的離合器盤片燒損痕跡和變形狀態(tài)的故障現(xiàn)象，可推斷其嚙合不到位導致摩擦片本體溫度急劇升高，因過熱膨脹致鋼片和摩擦片變形而相互咬合，離合器鋼片和摩擦片無法完全分離從而使消防泵跟轉。
3）船用齒輪箱離合器的故障分析方式
①系統(tǒng)油油品油質分析。
船舶推進裝置所用的離合器傳遞功率較大，隨著船舶主機向高、中速柴油機發(fā)展，轉速提高，以及船舶航行工況多變（如頻繁靠離碼頭、緊急倒車等），離合器的工作狀態(tài)較為惡劣 [4]。
若該齒輪箱系統(tǒng)油在使用過程中被污染而變質，致使其在離合器上的摩擦系數(shù)不合適，可能會造成離合器打滑燒損變形。
根據(jù)設備說明書要求，該液壓濕式多片式摩擦離合器所用系統(tǒng)油要擁有良好極壓抗磨性能、熱氧化安定性，正常工作溫度時對銅質、鐵質材料無腐蝕，還應具有良好冷卻能力和抗泡沫性能。
該齒輪箱離合器故障后對其系統(tǒng)油取樣送檢化驗，化驗報告中除了銅元素略偏高外其他理化性能指標均處于正常范圍，排除了系統(tǒng)油品變質致離合器摩擦片打滑燒損變形的可能。
②齒輪箱結構部件排查分析。
主機輸出軸與齒輪箱輸入軸中心線曲折、偏移值記錄表如表2所示，數(shù)值滿足說明書中相應規(guī)范要求，排除了軸線失中而致離合器摩擦片打滑燒損變形的可能。
齒輪箱拆解后，盤車對主從動齒輪各齒嚙合狀態(tài)及接觸面外觀檢查正常，對齒輪軸的彎曲度、不平衡度、軸承孔的圓度及同軸度進行檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，排除了齒輪及其軸系失效變形致離合器合排時負載過大的可能。
檢查離合器盤片冷卻油通道，吹通正常，排除了因冷卻油道阻塞致摩擦片冷卻不良的可能。
對液壓系統(tǒng)機帶齒輪油泵解體，檢查主從動齒嚙合工作表面并測量端面間隙，未見異常，排除了油泵內漏致工作油壓偏低使離合器片嚙合不到位的可能。
對工作活塞密封性膠圈檢查，未見明顯老化磨損現(xiàn)象，排除了活塞工作油內漏致油壓偏低使離合器片嚙合不到位的可能。
通過詢問出現(xiàn)故障時的現(xiàn)場操作人員了解到，合排時系統(tǒng)潤滑油壓壓降大且恢復正常油壓時間周期較以往延長，合排后離合器工作油壓偏低 16 bar 左右（正常值 24 bar）且波動大。
于是對電動控制閥組件進行解體，檢查閥芯及其油路通道密封配合面，未見明顯磨損痕跡；
對壓力控制閥進行柴油浸泡活絡清潔，當時排除了因控制閥件故障致工作油壓偏低使離合器片嚙合不到位的可能。
③齒輪箱液壓系統(tǒng)維保過程分析。
在新離合器盤片及相應的密封膠圈備件到達船舶后，進行齒輪箱的裝配恢復，更換新系統(tǒng)油及其過濾器濾芯，隨后啟動主機試合 / 脫排，工作油壓及運轉工況恢復正常。
但好景不長，在按維保周期對外消防泵出水進行校驗時，再次出現(xiàn)了合排工作油壓偏低且波動大的現(xiàn)象，吸取之前教訓并遵循說明書要求“連續(xù) 2 次合排間隔時間不少于10 min”，當時未進行離合器強制手動合排操作，未對設備造成損壞。
后續(xù)經(jīng)過左右增速齒輪箱的控制閥組及壓力控制閥對調比對分析，懷疑壓力控制閥可能存在問題，齒輪箱運轉時對該閥實施調大壓力操作，然而潤滑油壓力并沒有隨著調節(jié)的增大而變化，直到此時才鎖定了故障原因。
反思后發(fā)現(xiàn)當時操作人員在清潔該閥件時使用了線手套，輕柴油活絡閥芯后用壓縮空氣吹清殘余柴油。
雖然當時排除了卡阻閥芯的異物，但線手套表面的絨毛和壓縮空氣中的雜質重新附著在閥芯表面，合排操作時隨著油液的流動再次卡阻閥芯，使壓力控制閥不能維持工作油壓力穩(wěn)定。
徹底清潔該閥件，裝復后啟動主機效驗合 / 脫排，工作油壓正常穩(wěn)定，此后該齒輪箱離合器在近 2 年校驗合排操作期間，工作油壓再沒有出現(xiàn)波動而偏低現(xiàn)象。
分析可見，齒輪箱離合器摩擦片燒損變形原因為：
離合器合排工作油壓不穩(wěn)定且偏低，工作活塞行程變短，離合器盤鋼片與燒結青銅摩擦片間處于“半合半離”狀態(tài)，加之操作人員沒有嚴格遵守說明書要求，人為連續(xù)多次強制手動合 / 脫排操作，離合器摩擦片溫度急劇上升，致其過熱膨脹變形損壞。
三、故障預防措施
1、加強對船用齒輪箱運行工況各參數(shù)的監(jiān)控及可能出現(xiàn)故障的預判，比如系統(tǒng)油壓和工作油壓是否穩(wěn)定、油溫是否在正常范圍內、運行時是否有異常振動，發(fā)現(xiàn)異常要及時采取處置措施。
2、完善船用齒輪箱操作維保規(guī)程，明確操作注意事項和應急處置方案并強化人員操作培訓。
3、嚴格按照說明書要求定時對齒輪箱系統(tǒng)油濾器和潤滑油進行換新，以降低因油品性能變差致使離合器摩擦片失效的可能性。
4、定期或視情解體維護保養(yǎng)壓力控制閥和溢流閥，用輕柴油對閥芯組件進行浸泡清潔，組裝時徹底清潔雙手，光手組裝閥件，同時用 WD-40 除銹潤滑劑壓力罐吹掃閥件配合面，清除殘油及異物，同時更換失效密封件。
四、結語
本文所提及的故障案例，其原因是液壓系統(tǒng)限壓閥件故障導致離合器合排失效，加上操作人員操作不當，最終導致了摩擦片燒損變形。
這種故障的原因較為常見，包括操作不當、離合器傳遞能力不足、液壓系統(tǒng)故障等。
1）設備主管人員應加強對所管設備資料的研究學習，嚴格按照說明書規(guī)定的程序及注意事項對船舶設備進行管理和操作。
尤其在設備運行工況已經(jīng)出現(xiàn)異常的狀況下，切忌盲目操作，只有嚴格遵守安全工作卡程序才不會使故障擴大化。
2）對帶有離合器裝置的液壓系統(tǒng)，應使用滿足要求的系統(tǒng)油（高質量的礦物油，含有極壓添加劑，擁有良好的防摩擦性，低腐蝕性，抗氧化和發(fā)泡沫性能），并嚴格執(zhí)行定期更換系統(tǒng)油和油濾芯保養(yǎng)規(guī)定，以免油液變質致機械部件異常磨損產(chǎn)生碎屑，進而影響閥件控制。
3）液壓系統(tǒng)控制閥件對油質及維保操作環(huán)境的潔凈度要求極高，在進行日常維保拆檢清潔時，切忌使用可能產(chǎn)生毛屑、雜質等的工具，組裝閥件時盡量保證操作環(huán)境干凈無塵。
參考文獻：
[1]朱林華.船舶大功率齒輪傳動裝置的技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].科技與創(chuàng)新 ,2018(14):150-151.
[2] 于學寬 . 船舶動力設備狀態(tài)監(jiān)側與故障診斷技術研究 [D].武漢 : 武漢理工大學 ,2013.
[3] 楊潔明 , 熊詩波 . 小波包分析方法在齒輪早期故障特征提取中的應用 [J]. 振動測試與診斷 ,2000,20(4):269-272.
[4] 姚壽廣 , 肖民 . 船舶動力裝置 [M]. 北京 : 國防工業(yè)出版社 ,2006.
原創(chuàng)作者系：
中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司
楊 坤（輪機長）
·END·
船機幫/ShipTechHelper
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