GC2000LAH型柴油發電機組軸系軸向竄動的危害及故障原因分析與排除

摘 要：本文是基于某陶瓷廠的GC2000LAH型柴油發電機組在運行大約400小時左右，機組軸系出現連續性軸向竄動故障現象的基礎上，對GC2000LAH型柴油發電機組軸系的軸向竄動故障原因進行分析與故障排除：借助軸系動力學行為表現特性，分析了軸系的軸向竄動對機組的工作性能、可靠性和使用壽命造成的影響；根據現場對軸向竄動原因的分析結果，說明故障排除的方法和步驟，并為柴油發電機組在制造、安裝和調試過程，提出了相應的建議。

關鍵詞：GC2000LAH型柴油發電機組；軸系；軸向竄動；故障；排除

Harm， Cause Analysis and Troubleshooting of Shafting Axial Displacement for GC2000LAH Diesel Generator Set

CHEN Zebin， LI Zhijun

( Guangzhou Diesel Engine Factory Co.， Ltd. Guangzhou 510371 )

Abstract: This paper analyzes the reasons for shafting axial displacement and removes the fault for GC2000LAH diesel generator set from a ceramic factory， that is the continuous axial displacement after the generator set running about 400 hours. With the help of shafting dynamics characteristics， it analyzes the effect of shafting axial displacement on the engine set working performance， reliability and service life， shows the troubleshooting methods and steps according to the displacement reason and also puts forward the corresponding proposal for generator set during manufacture， installation and debugging.

Key words: GC2000LAH diesel generator set; Shafting; Axial displacement; Fault; Troubleshooting

1 軸系軸向竄動故障的現象

1.1 GC2000LAH型柴油發電機組簡介

廣州柴油機廠股份有限公司生產的12V320ZD型柴油機是：V型、四沖程、水冷、直接噴射、廢氣渦輪增壓、進氣中間冷卻的中速柴油機，該柴油機作為發電機組的原動機使用。在配套RATO-S3412高彈性聯軸器、TF2000-14/1730 10500V發電機后組成GC2000LAH型柴油發電機組供某陶瓷廠發電使用，如圖1所示。

1.2 故障現象

2010年10月上旬，在GC2000LAH型柴油發電機組運行大約400小時左右時發現：機組在高負荷工況下運行時機組軸系出現連續性軸向竄動現象。經多次試驗驗證：軸系開始是往發電機方向竄動的，且竄動幅度隨加載負荷的升高而增大（機組運行在1 200kW負荷以下時，幾乎察覺不到軸系軸向竄動現象），目測最大值約為3～4 mm。

我們在不同時間段多次拆開柴油機曲軸箱蓋和發電機前端軸承蓋，對柴油發電機組各相應間隙值進行測量，軸系間隙示意圖見圖2，測量結果見表1：

①柴油發電機組軸系分中情況很不理想；

②柴油機曲軸止推間隙值較柴油機出廠間隙值增大0.04 mm；并且，在拆開發電機前端軸承端蓋后發現，軸瓦端面（靠近柴油機飛輪端）與轉子軸軸頸端面有明顯擠壓現象、轉子軸頸端面輕微發黑（見圖3）。

L1/L2.發電機前端軸瓦端面與轉子軸軸頸端面的間隙 L3. 柴油機曲軸止推軸承靠自由端間隙

L4. 柴油機曲軸止推軸承總間隙

圖2 機組軸系間隙示意圖

圖3 發電機前端軸瓦與軸頸端面擠壓摩痕

從現場故障現象看，柴油發電機組軸系的軸向竄動，已造成機組部分零部件的損傷。基于陶瓷廠對用電量的需求，我們提出維持機組在較低負荷下運行直至故障解決的建議。

經過對故障的進一步分析后，我們認為此次故障是由于機組內部力學不平衡所致。眾所周知，柴油發電機組在運轉過程中，存在著周期變化的不平衡力和力矩，假如這些力和力矩在機組內部不能相互抵消，就會引起機組振動，振動必將影響到柴油發電機組的工作性能、可靠性和使用壽命。試想倘若軸系的軸向竄動故障持續下去，其結果會是怎樣？

2 軸系動力學行為與故障危害

對于陸用柴油發電機組來說，軸系的受力情況是極其復雜的。因而，為了明確柴油發電機組軸系的軸向竄動故障所可能誘發的一系列危害，則必須正確了解軸系動力學的行為表現形式，并正確分析引起故障的振動力源。

2.1 軸系動力學行為表現形式及特性

GC2000LAH型柴油發電機組工作過程中軸系受力情況極其復雜的，例如：以曲柄連桿機構作為主要運動機構的柴油機曲軸直接或間接地受到周期性變化的氣體壓力、旋轉質量的離心力、大小及方向均交替變化的往復慣性力以及滑動軸承動壓油膜支撐力，此外，軸系還可能受到高彈性聯軸器在徑向和軸向上的交變應力以及發電機磁場力的共同作用。

無論機組軸系中受到何種作用力，其在動力學行為上均表現為：扭轉振動、彎曲振動（又稱回轉振動或橫向振動）、縱向振動以及三種振動形式的耦合。從理論上講，柴油發電機組軸系的振動，都是耦合振動，一種振動往往誘發其它一種甚至幾種振動的發生，加之曲軸屬于典型的非對稱結構，具有各向異性及各向耦合的特點。因此，軸系所出現的軸向竄動不僅能激起縱向振動，而且也可以激起扭轉振動、彎曲振動及三者的耦合振動。

由此可見，柴油發電機組運行過程中的內部力學是否平衡，對機組的工作性能、可靠性和使用壽命是極其重要的，因此，柴油發電機組的平衡特性是機器在設計階段的一個重要課題。正常情況下的柴油發電機組運行過程中其內部的各種不平衡應力和力矩是能夠相互抵消的，從而使機組處于力學平衡狀態的。但從現場的故障現象來看，機組顯然是在不平衡狀態下運行的，所以，可以肯定的是：當柴油發電機組軸系在軸向上存在一個無法抵消的應力F，打破了機組運行過程中原有的力學平衡狀態，從而引起軸系的軸向竄動。

2.2 軸系軸向竄動故障的危害

通過上述對柴油發電機組軸系動力學行為表現形式及特性的分析，使我們清楚地意識到軸系軸向竄動不僅能激起縱向振動，也可以激起扭轉振動、彎曲振動，特別是當縱向振動固有頻率與扭轉振動、彎曲振動固有頻率相同或相近時還會產生一系列的耦合振動現象，其對機組的安全運轉構成嚴重威脅。

一般來說，軸系的軸向竄動有下述幾方面的危害：

① 竄動過大將造成活塞連桿總成偏離氣缸中心，活塞受力不均后將側擊缸套，從而破壞活塞與缸套的潤滑油膜，使氣缸異常磨損、漏油甚至會導致連桿變形；

② 竄動所引起的縱向振動會導致相關零件如主軸承螺栓等因剪切力疲勞而發生斷裂，乃至曲軸本身的斷裂也與此有關；

③ 竄動所引起的縱向振動會使一些重要的傳動機構，如：高壓油泵齒輪和配氣齒輪的相位發生變化，從而改變機組的運行工況，使缸內壓力震蕩劇烈；

④ 當竄動所引起振動的振幅或附加應力大于高彈性聯軸節的許用值時，也會造成高彈性聯軸器損傷或斷裂；

⑤ 竄動會造成軸系中承受推力軸承的異常磨損（或松動）；

⑥ 竄動會激發機組表面及其安裝附件的振動，從而會使整機的噪聲聲壓級升高；

⑦ 以及其他不良的后果。

3 軸系軸向竄動故障分析與排除

經過前面對故障現象的介紹和軸系動力學分析，對故障的排除從根本上講即消除軸系的軸向力F，重新實現機組內部的力學平衡，為此需要對誘發軸向力F的因素逐一進行排查，具體的排除過程如下。

3.1 12V320型柴油機分析與檢查

我們知道對于柴油機而言，其氣缸內氣體力和往復慣性力通過連桿作用在曲柄銷上的法向力是軸系縱向振動的激勵源。然而，320系列柴油機作為一種成熟機型，其性能穩定，我司迄今為止已生產1 000多臺，并廣泛應用于船舶、大型發電廠等多個領域。根據我司對該系列柴油機多年的研究經驗和從本次出現故障的GC2000LAH機組的12V320型柴油機的出廠臺架試驗記錄數據參數情況，可以斷定該臺柴油機是具有良好的平衡特性的，柴油機在運轉過程中，所產生的周期變化的不平衡力和力矩，在柴油機內部是能夠被相互抵消的。在整個故障處理過程中，我們認為無需將12V320型柴油機列為故障檢查優先考慮的對象，而故障處理結果也證明我們的判斷是正確的。

3.2 TF型發電機分析與檢查

現場的實際情況告訴我們，對于所配套的TF2000-14/1730 10 500 V發電機作為誘發軸向力F的因素從而導致柴油發電機組軸系出現軸向竄動故障的可能性是存在的，因此，我們認為有必要對發電機進行全面分析檢查。

正如我們所知的，發電機在起勵后其定、轉子磁勵線將自動尋找對中，以保證磁場穩定。機組軸系的軸向力F是否來源于發電機以及F的特性均取決于在加載運行中發電機內部定、轉子磁勵線的相對位置。由于無法通過發電機外型對其定、轉子對中情況進行檢查，我們預設了兩種可能出現的情況：

① 發電機在靜態下定、轉子磁勵線出現錯位，導致機組運行后，軸系出現軸向的連續性竄動。

由于在起勵過程中為確保發電機運行中磁場的穩定性，磁場在軸向上勢必會產生一個磁場力迫使發電機轉子軸在軸向上發生移動至系統穩定后消失，加之磁場對中后將不再隨著加載負荷而變化。這顯然與現場故障現象不符合。

分析結果顯示，發電機在靜態下定、轉子磁勵線在軸向上存在一定量的間隙這與機組的故障沒有必然聯系。而從拆檢測量的軸系間隙數據上看，又不能完全排除這種可能，故唯有通過試驗對其進行驗證。

經計算轉子軸向位置往柴油機方向移動了2.7 mm，故將定子軸向位置往柴油機方向移動了相同距離。起動機組在高負載下運行了1小時后，發現未能消除故障。

② 發電機在定、轉子磁勵線對中良好情況下運行時，對轉子軸上施加一個大小周期性變化的軸向外力，其將迫使轉子軸在軸向上產生一定位移量，從而破壞磁場穩定引起機組軸系軸向的連續性竄動。

由于發電機為確保磁場的穩定性，磁場在軸向上將產生一個與軸向外力大小、方向均相反的磁場力迫使發電機轉子軸軸向位置恢復到正常狀態。

分析結果顯示，若存在一個大小周期性變化的軸向外力，在作用力的交變作用下，機組軸系將出現軸向竄動，發電機上的軸向外力很可能來自于高彈，到此故障的癥結所在也逐漸清晰化了。

另外，在發電機的檢查過程中，我們也多次對發電機進行起勵、空載，觀察其在不同負載情況下的運行參數，均未發現異常。

3.3 RATO-S型高彈性聯軸器分析與檢查

RATO-S3412高彈性聯軸器是一種扭轉彈性橡膠聯軸器，作為動力傳動元部件用于GC2000LAH型柴油發電機組的傳動軸系中，起到減小軸系扭轉振動的危害，補償徑向、軸向和角向對中誤差，補償旋轉動量的振蕩和調整系統的扭振性能等作用。

其橡膠彈性元件為橡膠與鋼板粘合在一起的三明治結構，結構圖如圖4所示，左右分別為鋼質斜法蘭和直法蘭，中間部分為橡膠。

圖4 RATO-S3412高彈橡膠彈性元件結構圖

為了弄清楚柴油發電機組在運行過程中，高彈性聯軸器是否在軸向方向上存在一個軸向應力F，我們利用高彈性聯軸器配套商提供的參數信息以及對相關資料的了解分析對高彈進行故障檢查。

3.3.1 高彈橡膠彈性元件的分析

當橡膠彈性元件，在承受轉矩作用時，若高彈性聯軸器彈性元件的法蘭在軸向被約束住，彈性元件產生的軸向力將是很大的。在柴油發電機組中則表現為，向柴油機和發電機兩個方向同時施加軸向力F。

這將導致本文在3.2中所預設的“b”種情況的發生。

通常，在高彈性聯軸器的設計和安裝調試過程中，往往采取軸向位移補償措施（即，軸向位移補償的能力大于高彈橡膠彈性元件在加載最大允許轉矩時所產生的最大軸向位移量）來有效避免由于橡膠彈性元件受扭時所產生的軸向力產生的危害。正如，在柴油發電機組安裝調試中，通過正確調整RATO-S3412高彈性聯軸器的調整墊片厚度作為補償措施，才能確保機組在運轉過程中軸系的合理對中。

3.3.2 高彈檢查與故障排除

基于對高彈橡膠彈性元件的分析結果，在確認故障原因可能出在高彈調整墊片之后，我們拆下調整墊片并對機組軸系各間隙和墊片厚度（即，高彈輸出法蘭與發電機輸入法蘭的間隙）進行測量。

墊片厚度平均值為：20.23 mm；

軸系各間隙值：見表1，第3項。

經計算分析：若機組軸系間隙分中正常時，則高彈輸出法蘭與發電機輸入法蘭的間隙應在目前基礎上減少大約2.90 mm。考慮到測量結果受測量誤差以及其他因素的影響，決定先將墊片厚度加工至17.80 mm（允差±0.1）。

在安裝新加工的調整墊片后，起動柴油發電機組，并經不同工況的反復試驗跟蹤，運行至今（約3500小時）未出現過軸系的軸向竄動現象，我們確定該故障以得到有效解決。

為了安全起見在機組高彈故障的檢查排除過程中，同時對機組高彈的質量進行檢測（如：高彈外型尺寸、橡膠粉末顆粒、高負載工況下溫度、高彈性能等），檢測結果未見明顯異常。

4 軸系軸向竄動的預防措施

通過故障危害性的了解，并結合現場對實際問題的分析與處理，對預防柴油發電機組出現軸系軸向竄動故障提出相關建議：

① 制定了柴油發電機組安裝過程的技術指導文件，特別對高彈的安裝及調試作相應規定。即，在對中完成后依次安裝高彈過渡盤、橡膠件組件和膜盤座組件，調整機組軸系的軸向間隙，確保柴油機和發電機的軸向間隙分中，此后測量高彈輸出法蘭與發電機輸入法蘭的間隙（取上、下方向測量的平均值，并按此值確定調整墊片厚度）。

② 在預留發電機轉子軸膨脹空間的前提下，將原發電機前端轉子軸軸頸端面與軸承端面6mm間隙縮小至2 mm，軸瓦與軸承座間隙由原2 mm縮小至1 mm，已減小當機組發生軸系軸向竄動時竄動的幅度。

5 結束語

通過對此次柴油機發電機組軸系的軸向竄動故障的分析與排除，我們意識到機組安裝調試質量對機器的運行使用的重要性，作為設計人員應充分考慮這一環節的重要性與特殊性。

參考文獻

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