燃?xì)廨啓C(jī)傳動(dòng)箱超扭保護(hù)器故障分析

胡盼， 唐瑞， 曹云鵬， 徐志強(qiáng)， 王偉影, 李淑英

（1.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，哈爾濱150078）

0 引 言

燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)點(diǎn)火過程復(fù)雜，是燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中最易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)[1]。起動(dòng)失敗故障不僅會(huì)影響正常工作計(jì)劃，降低燃?xì)廨啓C(jī)的備用應(yīng)急能力，而且容易造成燃?xì)廨啓C(jī)零部件損傷，降低使用壽命。張旋洲[2]對(duì)MS6001型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)失敗的原因及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)一些故障類型進(jìn)行分析，并提出了檢查處理方法。施學(xué)軍[3]對(duì)MS6001型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程故障進(jìn)行分析，主要從起動(dòng)系統(tǒng)故障、壓氣機(jī)壓縮效率下降、燃油控制系統(tǒng)故障和霧化系統(tǒng)故障四方面進(jìn)行介紹。魏昌淼等[4]從起動(dòng)設(shè)備故障、點(diǎn)火失敗、起動(dòng)懸掛、喘振等4個(gè)方面分析了燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)失敗等典型故障，并結(jié)合案例給出了具體的解決措施。從當(dāng)前研究可以看出，起動(dòng)過程的故障現(xiàn)象多種多樣，影響因素眾多，有必要加強(qiáng)對(duì)起動(dòng)故障案例的分析和研究。

文中針對(duì)一次起動(dòng)超扭保護(hù)器故障，通過對(duì)故障現(xiàn)象的分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化特征的分析，以及積累的燃?xì)廨啓C(jī)排故經(jīng)驗(yàn)，逐步排查，最終找到該次起動(dòng)失敗的故障原因，給出行之有效的解決措施并得到驗(yàn)證。

1 啟動(dòng)系統(tǒng)介紹

某型三軸燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、傳動(dòng)箱、底架、起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)支承及排氣管等構(gòu)成。圖1為該型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該型燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)給3臺(tái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，由控制柜（A、B、C）控制3臺(tái)交流起動(dòng)電動(dòng)機(jī)（#1、#2、#3）按一定順序，逐次投入工作，輸出轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

起動(dòng)電動(dòng)機(jī)不直接帶動(dòng)低壓壓氣機(jī)，兩者之間由兩個(gè)齒輪箱連接，分別為外置傳動(dòng)齒輪箱（外傳動(dòng)箱）和下部傳動(dòng)齒輪箱（下傳動(dòng)箱）。外傳動(dòng)箱安裝在燃?xì)廨啓C(jī)的底架上，下傳動(dòng)箱固定在壓氣機(jī)前機(jī)匣上，下傳動(dòng)箱通過中央傳動(dòng)軸和錐齒輪與低壓壓氣機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)。外傳動(dòng)箱和下傳動(dòng)箱之間由傳動(dòng)軸相連，超扭保護(hù)器安裝在傳動(dòng)軸上，用以防止轉(zhuǎn)矩過大造成傳動(dòng)軸斷裂或者電動(dòng)機(jī)燒壞等故障。

表1 起動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2 故障現(xiàn)象及初步檢查

某日，該型燃?xì)廨啓C(jī)參加某試驗(yàn)任務(wù)。冷態(tài)起動(dòng)約12 s，機(jī)艙內(nèi)突然出現(xiàn)炸裂般的脆斷聲。此后10 s內(nèi)，持續(xù)出現(xiàn)較大的刮碰聲，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降。然后，機(jī)組低壓轉(zhuǎn)速低報(bào)警停機(jī)。

讀取狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備中記錄的故障下的低壓轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并與正常起動(dòng)過程中低壓轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

正常起動(dòng)過程（虛線表示）依據(jù)低壓轉(zhuǎn)速的變化軌跡，劃分為3個(gè)階段[5-6]：階段A為冷態(tài)加速階段，該階段分為一速階段和二速階段，在該階段起動(dòng)電動(dòng)機(jī)分別以不同的電流投入使用。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)依據(jù)控制系統(tǒng)指令，依次投入運(yùn)行，持續(xù)帶動(dòng)低壓轉(zhuǎn)子逐步升速。階段B為點(diǎn)火加速階段，由燃燒室噴油點(diǎn)火開始，直至起動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫扣，此階段機(jī)組自身渦輪和起動(dòng)電動(dòng)機(jī)共同作功，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)持續(xù)升速。階段C為自升速階段，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)已脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)由渦輪做功驅(qū)動(dòng)，繼續(xù)升速直至慢車工況。

從圖2可以看出，本次起動(dòng)故障（實(shí)線表示）發(fā)生在起動(dòng)過程冷態(tài)加速階段的一速階段，此時(shí)參與起動(dòng)的部件包括電源控制柜、起動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制柜、外傳動(dòng)箱、超扭保護(hù)器、下傳動(dòng)箱、低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪。因此，故障發(fā)生后，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員重點(diǎn)對(duì)參與起動(dòng)一速階段的部件展開了一系列的檢查。

首先，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行盤車檢查，發(fā)現(xiàn)盤車明顯變“輕”，像毫無負(fù)載，且伴有明顯的刮碰聲。其次，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行孔探檢查，發(fā)現(xiàn)葉片未發(fā)生斷裂，葉尖與機(jī)匣無摩擦現(xiàn)象。此后，檢查下傳動(dòng)箱和低壓壓氣機(jī)之間的中央傳動(dòng)軸，未發(fā)現(xiàn)明顯損傷。然后，對(duì)下傳動(dòng)箱進(jìn)行孔探檢查，并未發(fā)現(xiàn)齒輪脫扣或損傷等問題。最后，檢查下傳動(dòng)箱與外傳動(dòng)箱之間的傳動(dòng)軸及超扭保護(hù)器，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸無明顯損傷，但超扭保護(hù)器內(nèi)部軸斷裂。圖3為超扭保護(hù)器內(nèi)部軸斷裂情況。

3 故障分析與處理措施

對(duì)圖3中的超扭保護(hù)器軸斷裂層進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)斷裂面基本與軸線垂直，光滑平整，部分區(qū)域呈鏡面，說明軸是在受到大沖擊力的情況下造成的一次性切斷，斷口為典型的切斷斷口。將斷裂面放大如圖4所示。

由斷裂面的放大圖可以發(fā)現(xiàn)，斷層處有回旋狀塑性變形痕跡。該超扭保護(hù)器內(nèi)部軸材 料 為40CrNi-MoA，強(qiáng)度高、塑性好，因此，判斷造成軸斷裂的力為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[7]，由于轉(zhuǎn)矩過大導(dǎo)致超扭保護(hù)器軸切斷。

由于轉(zhuǎn)矩的來源為起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，因此進(jìn)一步分析3臺(tái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流數(shù)據(jù)，并與正常起動(dòng)下的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。3臺(tái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流在正常起動(dòng)（虛線表示）和此次故障起動(dòng)（實(shí)線表示）時(shí)的趨勢(shì)圖如圖5所示?？梢钥闯?，在10 s時(shí)本次起動(dòng)電流是正常情況的1.5～2.0倍左右。由于電流過大，外傳動(dòng)箱輸出軸轉(zhuǎn)矩隨之增大1.5～2.0倍左右，這是導(dǎo)致超扭保護(hù)器軸扭斷的主因。

為了進(jìn)一步調(diào)查起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流過大原因，詳細(xì)檢查了起動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制柜，發(fā)現(xiàn)設(shè)備均正常，絕緣滿足要求。

最后檢查電源控制柜和外部供電電纜，發(fā)現(xiàn)供電電纜絕緣電阻不滿足要求。根據(jù)要求，該電纜絕緣電阻應(yīng)不小于0.5 MΩ，而實(shí)測(cè)值僅為0.1 MΩ。查詢場(chǎng)地建設(shè)及安裝記錄，發(fā)現(xiàn)該電纜為臨時(shí)調(diào)用的舊電纜，此前已在其它場(chǎng)合使用超過5 a。并且在本次實(shí)驗(yàn)電纜安裝階段，該電纜絕緣電阻無明確記錄。由于該電纜使用多年，受高溫、潮濕或機(jī)械損傷的影響，不滿足使用要求，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流過大。

根據(jù)故障分析的結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)更換了電源控制柜外部供電電纜及超扭保護(hù)器。然后，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行多次起機(jī)驗(yàn)證，起動(dòng)全部成功，起動(dòng)過程中起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流均在正常水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，此次傳動(dòng)箱超扭保護(hù)起動(dòng)失敗的原因是電源控制柜供電電纜絕緣低。

4 結(jié) 論

燃?xì)廨啓C(jī)超扭保護(hù)器斷裂故障原因是起動(dòng)電動(dòng)機(jī)電纜絕緣電阻過低造成電動(dòng)機(jī)電流瞬間過大。因此，建議在燃?xì)廨啓C(jī)安裝階段按照安裝要求嚴(yán)格實(shí)施電纜絕緣性檢查等項(xiàng)目，形成明確記錄，并多級(jí)確認(rèn)通過。另外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)維過程中具有重要作用，尤其在排故過程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律的深入分析有助于故障分析及故障定位。