某船高速?gòu)椥月?lián)軸器防反轉(zhuǎn)裝置故障原因與改進(jìn)措施

謝最偉　譚勇軍　曹永

摘? ? 要：本文詳細(xì)介紹了某船高速?gòu)椥月?lián)軸器防反轉(zhuǎn)裝置的工作原理及故障原因;結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)故障原因進(jìn)行深入分析，并針對(duì)性地提出了改進(jìn)方案。實(shí)船使用情況，證明了改進(jìn)方案的合理性與有效性。該故障的處理，為后續(xù)類似問(wèn)題的解決提供了參考。

關(guān)鍵詞：防反轉(zhuǎn)裝置;故障;改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TH132.4 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper introduces in detail the working principle and failure causes of the anti-reversing device for high-speed elastic coupling of a ship. Combined with the verification test， analyze the cause of the failure， a improvement schemes are proposed. The treatment of the fault provides a useful reference for the subsequent solution of similar problems.

Key words： Anti-reversing device; Fault; Improvement

1? ? ?前言

燃?xì)廨啓C(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性，一般不具備反轉(zhuǎn)的功能，內(nèi)部氣封結(jié)構(gòu)只允許其輸出軸朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，氣封件會(huì)受到不可逆的損傷，造成平衡腔體壓力泄露，引起部分軸承受力發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪軸承損壞。因此，在燃?xì)廨啓C(jī)輸出端設(shè)有防反轉(zhuǎn)裝置，防止燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)輸以及使用過(guò)程中反轉(zhuǎn)。某船采用燃?xì)廨啓C(jī)作為主動(dòng)力裝置，防反轉(zhuǎn)裝置作為高速?gòu)椥月?lián)軸器的一部分，布置于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪輸出端，并通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與之連接，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2? ? ?防反轉(zhuǎn)裝置工作原理

防反轉(zhuǎn)裝置采用棘輪棘爪內(nèi)嚙合式機(jī)構(gòu)止動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，棘爪頭部依靠彈簧彈力彈起，棘爪嵌入外部棘輪位置。當(dāng)燃機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在低轉(zhuǎn)速情況下，棘爪與棘輪滑動(dòng)嚙合;當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速時(shí)，棘爪尾部離心力大于棘爪彈簧彈力，棘爪尾部飛起，此時(shí)棘爪頭部收起，棘爪位于圖4中a）的位置，棘爪和棘輪不會(huì)發(fā)生任何碰撞和摩擦;當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下降至低于棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速時(shí)，棘爪頭部靠彈簧彈力重新抬起，棘輪棘爪重新嚙合。燃機(jī)在正轉(zhuǎn)的情況下，如受外部作用力發(fā)生反轉(zhuǎn)的趨勢(shì)時(shí)，必將先經(jīng)過(guò)正轉(zhuǎn)低速階段，此時(shí)棘輪與棘爪嚙合，如圖4中b）所示，從而有效阻止反向轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)生。

3? ? ?防反轉(zhuǎn)裝置故障現(xiàn)象

該船主動(dòng)力布置相對(duì)于常規(guī)船舶有所區(qū)別，燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)高速?gòu)椥月?lián)軸器驅(qū)動(dòng)減速器經(jīng)過(guò)減速后，再帶動(dòng)2臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)以及螺旋槳等設(shè)備。因該船軸系上齒輪箱并不具備離合功能，無(wú)法按實(shí)際使用需要脫開(kāi)減速器后的所有軸系設(shè)備（含墊升風(fēng)機(jī)、減速器以及螺旋槳等），一舷燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，必然會(huì)帶動(dòng)此舷連接的墊升風(fēng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。墊升風(fēng)機(jī)通過(guò)船體底部風(fēng)道與另一舷聯(lián)通，當(dāng)一側(cè)墊升風(fēng)機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)的氣流會(huì)通過(guò)風(fēng)道反作用于另一舷墊升風(fēng)機(jī)葉輪。理論上，未工作側(cè)的墊升風(fēng)機(jī)葉輪雖受到氣流影響，但由于燃?xì)廨啓C(jī)具備防反轉(zhuǎn)功能，未工作燃?xì)廨啓C(jī)不會(huì)被帶動(dòng)反轉(zhuǎn)。但該船在進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)防反轉(zhuǎn)效用試驗(yàn)時(shí)，單舷主機(jī)啟動(dòng)，觀察到另一舷主機(jī)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。經(jīng)初步分析，判定燃?xì)廨啓C(jī)防反轉(zhuǎn)裝置失效。拆開(kāi)相關(guān)部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)防反轉(zhuǎn)裝置棘爪彈簧已斷裂損壞，對(duì)拆檢后的棘爪彈簧故障形式進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1所列。

4? ? 防反轉(zhuǎn)裝置故障原因分析

4.1? ?疲勞斷裂原因分析

經(jīng)初步分析，認(rèn)為引起棘爪彈簧損壞的主要原因是防反轉(zhuǎn)裝置棘爪實(shí)際脫開(kāi)轉(zhuǎn)速過(guò)高，且防反轉(zhuǎn)裝置在未脫開(kāi)的情況下長(zhǎng)時(shí)間在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)棘爪彈簧所受沖擊力增大且循環(huán)次數(shù)急劇增加，加速了棘爪彈簧的破壞;同時(shí)，由于防反轉(zhuǎn)裝置受加工精度及運(yùn)行環(huán)境的影響，其脫開(kāi)轉(zhuǎn)速離散性較大，會(huì)存在不同防反轉(zhuǎn)裝置棘爪損壞數(shù)量不同的現(xiàn)象。為驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，對(duì)棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速進(jìn)行效用試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示：

由表2可知：各棘爪樣件脫開(kāi)轉(zhuǎn)速不盡相同但均在475 r/min以上，脫開(kāi)轉(zhuǎn)速，且棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速存在離散情況。

按照燃?xì)廨啓C(jī)使用程序設(shè)計(jì)，燃?xì)廨啓C(jī)在正常停機(jī)后，為防止燃?xì)廨啓C(jī) 排氣管中積存有未完全燃燒的油氣混合氣，停機(jī)后還需要進(jìn)行冷吹。通過(guò)監(jiān)測(cè)得知，燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)后由于慣性作用，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min降至0r/min約需1分鐘，冷吹階段轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min升至600 r/min約需2分鐘，停止冷吹后轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min降至0 r/min約需3分鐘，即燃?xì)廨啓C(jī)每一個(gè)完整的停機(jī)工作過(guò)程中，在0～600 r/min區(qū)間內(nèi)運(yùn)行總時(shí)間約為6分鐘。在這6分鐘內(nèi)，部分棘爪彈簧一直處于工作狀態(tài)。由于原防反轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)未考慮到燃?xì)廨啓C(jī)在低轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行這一實(shí)際情況，棘爪脫開(kāi)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速過(guò)高，導(dǎo)致棘爪彈簧動(dòng)作次數(shù)大大增加，降低了棘爪彈簧使用壽命;同時(shí)，棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致棘爪與棘輪接觸時(shí)線速度過(guò)大，彈簧承受的沖擊力變大，加速了棘爪彈簧的疲勞破壞。

4.2? ?敲擊斷裂原因分析

設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮棘爪彈簧與棘爪擋銷相對(duì)位置，在較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，棘爪受沖擊后的慣性力較大，易產(chǎn)生棘爪擋銷撞擊棘爪彈簧的情況，較高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致彈簧發(fā)生敲擊斷裂，見(jiàn)圖6與圖7。

4.3? ?彈簧卡滯原因分析

原設(shè)計(jì)棘爪彈簧依靠棘爪定位，棘爪與持環(huán)間隙為1～2 mm、棘爪彈簧直徑0.6 mm，如圖8所示。由于在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，棘爪彈簧扭轉(zhuǎn)次數(shù)及力度加大，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后會(huì)導(dǎo)致棘爪彈簧脫離棘爪定位面擠入棘爪與持環(huán)的間隙之中，從而出現(xiàn)彈簧卡滯現(xiàn)象。

5? ? 改進(jìn)方案

基于上述原因，可采取如下改進(jìn)方案：

5.1? ?彈簧改進(jìn)方案

（1）材料

由于彈簧存在疲勞斷裂現(xiàn)象，在保證彈簧所處的工作環(huán)境條件下，需重新選擇更高強(qiáng)度的材料。原彈簧材料為3Cr13，其特點(diǎn)是耐腐蝕、耐高低溫環(huán)境。通過(guò)對(duì)比選用強(qiáng)度等級(jí)較高的OCr18Ni9代替原材料，其同樣具備耐腐蝕及耐高溫的特性，滿足防反轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)行環(huán)境要求。原彈簧材料與改進(jìn)彈簧材料性能對(duì)比，見(jiàn)表3。

（2）結(jié)構(gòu)

對(duì)彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減少?gòu)椈傻陌惭b扭轉(zhuǎn)角，降低彈簧彈力，從而將棘爪的脫開(kāi)轉(zhuǎn)速降低。

5.2? ? 棘爪結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

（1）方案一

棘爪彈簧與棘爪安裝方式改為內(nèi)嵌式（如圖9所示），杜絕彈簧在高轉(zhuǎn)速離心力作用下發(fā)生變形與棘輪發(fā)生刮蹭，避免彈簧擠壓到棘爪與持環(huán)縫隙之中;同時(shí)，棘爪彈簧改為單組彈簧，降低棘爪彈簧彈力，從而降低棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速。

該方案存在的不足：由于彈簧改為單組彈簧形式，彈簧扭轉(zhuǎn)剛度降低，長(zhǎng)期工作后彈簧彈力降低會(huì)導(dǎo)致彈簧無(wú)法有效彈起的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，由于棘爪與彈簧都需要進(jìn)行改進(jìn)，加工難度較大，加工周期難以保證。

（2）方案二

① 原棘爪凸臺(tái)直徑為φ14 mm、彈簧線圈直徑為φ14.5 mm，彈簧發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)會(huì)適當(dāng)減少線圈直徑，增大摩擦力。將外徑減小為φ12 mm，有利于降低棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速;

② 在外端面增加凹槽固定彈簧，同時(shí)將原棘爪彈簧位置環(huán)槽深度由1.5 mm增加至2 mm，防止棘爪彈簧擠入棘爪與持環(huán)的間隙中出現(xiàn)卡滯，如圖10所示;

③ 棘爪彈簧重新制作，頭部加長(zhǎng)。

結(jié)合棘爪的制作工藝，方案二的改動(dòng)量最小，整改進(jìn)度可控，故棘爪結(jié)構(gòu)改進(jìn)選用方案二。為此，棘爪彈簧結(jié)構(gòu)將相應(yīng)地進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)將彈簧材料按上述進(jìn)行優(yōu)化。

6? ? 改進(jìn)方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，對(duì)改進(jìn)方案二分別進(jìn)行了理論計(jì)算驗(yàn)證、試驗(yàn)驗(yàn)證與實(shí)船使用驗(yàn)證。

6.1? ?理論計(jì)算驗(yàn)證

改進(jìn)后棘爪重量約0.042 kg，棘爪與彈簧尺寸如圖11所示：

（3）摩擦系數(shù)與飛起轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

當(dāng)摩擦系數(shù)不同時(shí)，棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速變化如表4所示（不銹鋼滑動(dòng)摩擦無(wú)潤(rùn)滑情況下摩擦系數(shù)范圍為0.3～0.4）：

由計(jì)算結(jié)果可知，摩擦系數(shù)對(duì)棘爪的脫開(kāi)轉(zhuǎn)速影響較大：在潤(rùn)滑不良的情況下，棘爪與棘爪銷阻力較大，脫開(kāi)轉(zhuǎn)速變大。因此建議定期對(duì)棘爪銷進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)，以使棘爪處于較低的脫開(kāi)轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

6.2? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

在專用試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)改進(jìn)后的防反轉(zhuǎn)裝置的棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表5。由于計(jì)算是基于理論模型，實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的脫開(kāi)轉(zhuǎn)速與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，但理論計(jì)算對(duì)整個(gè)改進(jìn)工作具有指導(dǎo)意義。試驗(yàn)結(jié)果顯示，防反轉(zhuǎn)裝置均在400 r/min以內(nèi)全部脫開(kāi)，且多組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定;通過(guò)分析轉(zhuǎn)速變化情況，可知停機(jī)與冷吹階段，燃?xì)廨啓C(jī)在0～400 r/min區(qū)間內(nèi)運(yùn)行總時(shí)間約為3分鐘。

綜上所述，防反轉(zhuǎn)裝置改進(jìn)后，有效降低了棘爪脫開(kāi)轉(zhuǎn)速，使棘爪彈簧承受的沖擊力大大減小，同時(shí)縮短了棘爪與棘輪在嚙合狀態(tài)下的工作時(shí)間，可顯著提高彈簧的使用壽命。

6.3? 實(shí)船驗(yàn)證

防反轉(zhuǎn)裝置按照前述改進(jìn)方案進(jìn)行整改后，經(jīng)系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)以及實(shí)船近兩年的實(shí)際使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，充分證明了改進(jìn)方案的合理性與有效性。

7? ? 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)防反轉(zhuǎn)裝置工作機(jī)理、失效原因分析，提出了解決失效問(wèn)題的多種改進(jìn)方案，并通過(guò)理論分析確定了最終改進(jìn)方案。經(jīng)內(nèi)場(chǎng)以及實(shí)船驗(yàn)證，防反轉(zhuǎn)裝置失效問(wèn)題得到有效解決。該方案基于改動(dòng)量最小化原則，在不影響主動(dòng)力性能的情況下，有效解決了實(shí)船防反轉(zhuǎn)裝置失效故障，保證了裝備的可靠運(yùn)行。

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