柴油機發電機軸承高溫故障分析

柴油站4臺：燃料發生器，配備三個室外系統，重量6tr2lne，電力23000千瓦，轉速720rmin。該裝置由法國制造，規格為ams630l10，電壓為440v，頻率為60hz，功率為2900kv，配備三個室外系統。正常航行期間常用功率1250～1550KW,使用一臺發電機;機動航行使用2臺發電機;使用船艏側推器期間3臺發電機供電。船舶出廠約三年半,發電機前端軸承高溫故障,原因是發電機輪轂在軸頭上滑移。故障原因少見,且涉及高彈性膠圈聯軸器(雖日漸廣泛應用但實際經驗不足),耗時近兩年半,走了不少彎路。事后反思,總結出一些教訓,寫出來請指正。1發電機軸向間隙的設置柴油機通過高彈性膠圈聯軸器(見圖1)向發電機轉子傳遞扭矩并起緩沖、減振作用。高彈性膠圈聯軸器(見圖2),由飛輪、兩個高彈性膠圈、鋼圈、連接螺栓、發電機輪轂等組成。發電機輪轂與發電機軸過盈配合,有鍵。柴油機曲軸飛輪端,安裝有前、后推力軸承,軸向間隙即曲軸移動量0.25～0.45mm(見圖3)。發電機軸,有前(原動機端)和后(自由端)兩個支撐軸承;前軸承上、下軸瓦的軸向兩端面與軸上的兩個推力環組成前、后推力軸承(見圖4);推力軸承軸向間隙(發電機軸移動量)范圍,前0.25～0.5mm,后0.1～0.5mm。發電機軸設置前、后推力軸承,是因為發電機軸的軸向推力大:發電機功率高,則其運轉的電磁力大,且隨發機負荷增減。發電機轉子質量大,則隨船舶縱搖產生的軸向力大。該發電機的電磁力指向自由端,正常情況下通過飛輪聯軸器全部由原動機前推力軸承承受,發電機推力軸承不承受。2發電機轉速受制No.3發電機前端軸承滑油高溫:誗2007年9月(新船出廠三年半)起,超過80℃,比其它3臺發電機同等條件高出約10℃,自由端軸承滑油溫度和發電機三相繞組溫度都正常,其他部件也無異常,一直找不到原因,只好盡量少用;誗2008年12月,超過報警值90℃,不敢再用,報告公司。3第一次審查和糾正3.1發電機軸故障排除2008年12月14日,根據公司機務指示,船員檢查No.3柴油發電機組。(1)確認軸承滑油牌號與說明書一致,并更換了滑油,排除滑油不良引發故障的可能;(2)測量柴油機曲軸,拐檔差參數正常;軸徑向跳動正常(0.15mm),排除原動機曲軸不良引發故障的可能。(3)測量發電機軸,軸徑向跳動0.15mm,軸向跳動0.97mm,聯軸器開口偏差0.6mm,確認無異常,排除發電機軸不良引發故障的可能。(4)檢查柴油發電機組柴油機和發電機的機架、地腳、彈性底座等,確認無異常,排除機組機架、地腳、底座等不良引發故障的可能。(5)拆下發電機前端軸承上、下軸瓦檢查(下軸瓦卡住拆不出來,十天后再次解體該前端軸承,先旋松一圈軸承座固定螺栓,才拆出):軸承滑油內有金屬屑。支撐軸承,軸頸無異常;上軸瓦內圓面光亮如新,好像沒有接觸磨擦過;下軸瓦狀態正常。后推力軸承,推力環面及軸承摩擦面狀態良好。前推力軸承(飛輪側),推力環面有發熱變色跡象;上、下軸瓦推力面磨損嚴重,四周有毛邊,軸承油箱內有白色金屬屑。推力軸承間隙(推力環面與軸承推力面之間的間隙),拆解前塞尺測量,前0.00mm/后0.50mm。上、下軸瓦前推力面打磨,去除毛邊,裝復。裝復下軸瓦時很困難,必須強制發電機軸向前(飛輪側)移動約1mm才能安裝;裝復上軸瓦時不很困難,因下軸瓦已裝復。推力軸承間隙數據、前推力軸承推力環面有發熱跡象和軸瓦推力面磨損嚴重、裝復下軸瓦時必須強制發電機軸前移等,都表明發電機運行時向后的軸向力很大,且全部由發電機前推力軸承承受,但沒有找到原因。3.2發電機的安裝制造廠“WARTSILA”工程人員,分析其現場檢查、測量以及公司機務與船員反映的情況,也認為No.3發電機前軸承發熱、前推力軸承磨損變形,是因為前推力軸承承受過大軸向推力,但也不知軸向推力從何而來。不知發電機軸所受的軸向推力從何而來,當然也不可能消除這個軸向推力。退而求其次,若發電機軸被人為地向柴油機側移動,能減小運行時前推力軸承的壓力嗎?經反復考慮,“WARTSILA”工程人員決定在高彈性膠圈5與鋼圈3之間加裝墊片(墊片套裝在連接螺栓4上,見圖2所示),把發電機軸整體(含前推力環)拉向柴油機方向,加大前推力軸承與推力環的間隙。2009年3月8日,第一次加裝墊片,厚4.5mm,發現柴油機推力軸承前間隙為零,即曲軸無向后移動;但發電機后推力軸承間隙為零,表明發電機軸后移過多,可能引起發電機后推力軸承過熱。3月31日,第二次,改用厚3.1mm墊片,測得發電機推力軸承間隙,前0.15mm/后0.35mm,“WARTSILA”工程人員認為不理想。5月1日,第三次,改用厚3.4mm墊片,推力軸承間隙,前0.45mm/后0.05mm。修理后的No.3發電機,5月份使用10天,軸承溫度正常;6月份使用了14天,軸承溫度逐漸升高至高出正常溫度6-7℃,但可短時間(靠離碼頭)或環境溫度低時使用;7月份僅使用了3天,前軸承溫度又超過90℃報警。僅使用640小時軸承又發熱了。2009年7月18日,船員拆檢發電機前軸承時,前推力軸承間隙又變為零,推力環表面有過熱變色跡象,且推力軸承與推力環接觸面貼得非常緊以致上、下軸瓦被卡死很難拆出;而后推力軸承間隙又增大到0.56mm。似乎一切又回到原點。4第二次檢查發現傾斜軸向滑動4.1機組運行時前推力軸受影響2009年9月2日,船員又一次拆檢發電機前軸承有重要發現:輪轂后端面與軸頭突肩有6.4mm間隙(見圖5)。輪轂后端面與軸頭突肩之間,從工作原理、設計、制造、安裝等任何角度考慮,都不應該有間隙,其它3臺柴油發電機組也都是緊貼的;現在有6.4mm間隙,顯然是輪轂在軸頭上向柴油機方向滑移。輪轂在軸頭上向柴油機方向滑移,加大了發電機軸突肩與鋼圈之間的長度:向前,鋼圈推壓高彈性膠圈導致其向柴油機方向突起變形,可能傷損。向后,高彈性膠圈的彈性恢復力推壓發電機軸導致其前推力軸承受力過大而過熱。船員認為這是該故障的根本原因,迅速以《No.3發電機運行時前軸承溫度偏高原因分析報告》上報公司尋求岸基支持。2009年10月20日,“WARTSILA”工程人員再次到船檢查,認可船方關于故障原因和機理的判斷;拆出高彈性膠圈和鋼圈送岸檢測,結果鋼圈正常,兩個高彈性膠圈圖6標示部位原設計尺寸146±0.5mm變為現在的143.7mm,向柴油機方向變形約2.3mm。4.2發電機軸向后配合配比不符合設計值的原因分析輪轂與軸頭配合的功能,一是傳遞扭矩,一是防止它們軸向移動。防止軸向移動,主要依靠過盈;傳遞扭矩,主要依靠鍵。過盈作用的大小取決于過盈量,作用于發電機軸的軸向力并不很大,所以過盈量不必很大。輪轂在軸頭上滑移的原因,一是發電機軸向后的實際軸向力超過設計值,二是輪轂與軸頭配合公差加工失誤。(1)發電機軸向后的實際軸向力如前所述,該軸向力包括發電機運轉產生的電磁力和船舶縱搖產生的慣性力。該船66433總噸,縱搖不會劇烈,產生的慣性力也不會過大;發電機運轉產生的電磁力,有關記錄表明發電機沒有過超負荷,但不排除突加大載荷產生瞬間沖擊電磁力。(2)輪轂與軸頭配合公差若配合公差不當,二者緊固力不足,輪轂在軸頭上滑移的過程可能是:(1)發電機運轉突加大載荷產生瞬間沖擊電磁力,拉發電機軸向自由端,而輪轂受高彈性膠圈限制不能隨軸頭移動致在軸頭上微量滑移;(2)高彈性膠圈的彈力推輪轂后移,但彈力不及輪轂與軸頭的緊固力,輪轂不能復位;(3)如此反復,輪轂在軸頭上的微量滑移集少成多,達到6.4mm。至于輪轂與軸頭配合公差不當的原因,要么實際值不符合設計值,屬于加工失誤;要么實際值符合設計值,屬于設計失誤。4.3高彈性膠圈發電機組2.2—對第一次糾正效果的理解5月1日第一次糾正,在高彈性膠圈與鋼圈之間加裝厚度3.4mm的墊片后,發電機推力軸承間隙:靜態,前0.45mm/后0.05mm;機組運轉640小時后,前0.00mm/后0.56mm。高彈性膠圈與鋼圈之間加裝墊片厚3.4mm,超過高彈性膠圈向柴油機方向突起變形2.3mm約1.1mm,相當于高彈性膠圈的彈力向柴油機方向拉鋼圈和輪轂,作用于發電機軸的推力(向自由端)應該減少,發電機前推力軸承不應該發熱。使用640小時后,發電機前推力軸承間隙再次消失且又發熱,只能理解為高彈性膠圈向柴油機方向拉鋼圈和輪轂導致輪轂又被拉出一段距離。5第二次更正2009年12月8日,“WARTSILA”工程人員第3次到船處理No.3發電機前端軸承滑油高溫故障。5.1發電機的軸向固定(1)軸轂在軸頭上復位方法是用專門車制的液壓工具頂壓輪轂,液壓450bar,壓力達18噸,再加上大銅棒敲擊振動,“嘣”一聲響,輪轂恢復到正常位置。軸端面中心鉆孔、攻絲,用新車制的M36螺栓壓緊圓盤,軸向固定輪轂(見圖7),防止其再次滑移。18噸壓力再加銅棒敲擊,輪轂恢復正常位置,說明輪轂與軸頭配合的過盈量仍然很大;再加螺栓和圓盤軸向固定,應該不會再有任何移位了。這個修復工藝安全且比換新輪轂省錢。(2)調整發電機推力軸承間隙軸轂在軸頭上復位后,測得推力軸承間隙前0.6mm/后0.03mm;而總間隙因磨損已超過原始值(0.5mm),希望調整為前0.35mm/后0.25mm。調整方法三種選一:更換高彈性膠圈,最安全,但備件需定制,費用高,交貨期長,No.3發電機組不能及時恢復使用。軸轂再從端頭上拉出0.3mm,或鋼圈厚度車削0.3mm,使發電機前后推力軸承間隙都調整為0.3mm左右,然后固定輪轂。但鋼圈改變尺寸強度減弱可能容易損壞;而高彈性膠圈恢復原形可能增加發電機軸的軸向推力而再次導致軸承高溫。保持現有狀態,一邊使用一邊觀察。前推力軸承靜態間隙0.6mm,說明高彈性膠圈將發電機軸向前拉而不會向后推;發電機運行中電磁軸向力將發電機軸連同高彈性膠圈向發電機側拉動,轉子軸后移,使后推力軸承間隙不會減小只會增加,前推力軸承間隙不會加大只會減小。此時軸向力由原動機前推力軸承承受,發電機前后推力軸承不承受軸向力,都不會發熱。12月19日,“WARTSILA”工程人員與公司機務及船方溝通后,決定采用第三種方法。5.2發電機運行測試程序重新拆檢No.3發電機前端軸承,相應檢查柴油機相關部件,80%負荷試車,No.3發電機前端軸承溫度:啟動到運轉3小時,軸承溫度由38℃逐漸升高到71℃;運行20小時后,溫度61℃;連續運行190小時,12月30日拆開軸承上蓋及上軸瓦,測量推力環軸承前、后間隙,測量數據與12月8日所測的數據一致,軸瓦內圓面狀態正常,推力表面沒有磨損發熱跡象,柴油機的拐檔差正常。2010年2月20日,CCS上船檢驗,審查了No.3發電機前軸承修理措施、工藝等,并測試發電機高負荷運行參數,認為符合檢驗要求,簽署檢驗報告。從2009年12月19日修復后,至此文初稿,No.3發電機已經運行了3958小時,功率1464KW、環境溫度36℃,前端軸承溫度76℃;功率1300KW、環境溫度38℃,前端軸承溫度77℃(其它發電機在同樣條件下運行溫度為74℃),稍偏高,但在正常范圍內,且狀態穩定,可以正常使用。6故障原因分析事后反思,總結出一些教訓。(1)消除故障原因比消除故障現象更重要不找到原因就想消除現象,一切糾正措施都是盲目的,無針對性。第一次檢查和糾正,就是沒分清原因和現象,不重視探究原因(軸向推力),加墊片只是著眼于糾正故障現象(推力軸承間隙),只是權宜之計,不可能徹底消除故障。若第一次檢查不急于糾正推力軸承間隙不當,而是重視查找原因,列出軸向推力全部可能的來源,并不難發現輪轂在軸頭上滑移。因為發電機軸所受軸向力并不復雜,除電磁力和船舶縱傾時自身重力的分力外,唯一外力來源是輪轂,而輪轂受力依次來自鋼圈、高彈性膠圈、飛輪、柴油機曲軸輸出端。當然,某些情況,找不到故障原因,只好從消除現象角度制定糾正措施,可以理解,有時也短期有效,但必須清醒地意識到那只是臨時措施,還要繼續探究故障原因。(2)開闊思路,積累經驗處理這次故障花費那么長時間的原因,既有思維慣性限制思路,也有對高彈性膠圈聯軸器的經驗不足:沒想到發電機輪轂與軸頭配合會松動,未檢查,后來也是偶然發現,因為這種情況極為少見。沒想到高彈性膠圈可能損傷需要檢查,發現輪轂在軸頭上滑移后,只想恢復原狀,對“WARTSILA”工程人員拆出高彈性膠圈和鋼圈送岸檢測不理解。沒想到高彈性膠圈會有變形,見到高彈性膠圈送岸檢測報告才明白。(3)測取發電機推力軸承間隙的正確方法推力軸承間隙,指推力環面與軸承推力面之間的間隙。本文所討論的是雙向推力軸承,兩推力環工作面之間的距離一定,軸承兩工作面之間的距離一定,故前、后推力軸承間隙之和(總間隙)一定,限制發電機軸軸向竄動在允許范圍。這種雙向推力軸承的功能,