GC2000LAH型柴油发电机组轴系轴向窜动的危害及故障原因分析与排除

摘 要：本文是基于某陶瓷厂的GC2000LAH型柴油发电机组在运行大约400小时左右，机组轴系出现连续性轴向窜动故障现象的基础上，对GC2000LAH型柴油发电机组轴系的轴向窜动故障原因进行分析与故障排除：借助轴系动力学行为表现特性，分析了轴系的轴向窜动对机组的工作性能、可靠性和使用寿命造成的影响；根据现场对轴向窜动原因的分析结果，说明故障排除的方法和步骤，并为柴油发电机组在制造、安装和调试过程，提出了相应的建议。

关键词：GC2000LAH型柴油发电机组；轴系；轴向窜动；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 轴系轴向窜动故障的现象

1.1 GC2000LAH型柴油发电机组简介

广州柴油机厂股份有限公司生产的12V320ZD型柴油机是：V型、四冲程、水冷、直接喷射、废气涡轮增压、进气中间冷却的中速柴油机，该柴油机作为发电机组的原动机使用。在配套RATO-S3412高弹性联轴器、TF2000-14/1730 10500V发电机后组成GC2000LAH型柴油发电机组供某陶瓷厂发电使用，如图1所示。

1.2 故障现象

2010年10月上旬，在GC2000LAH型柴油发电机组运行大约400小时左右时发现：机组在高负荷工况下运行时机组轴系出现连续性轴向窜动现象。经多次试验验证：轴系开始是往发电机方向窜动的，且窜动幅度随加载负荷的升高而增大（机组运行在1 200kW负荷以下时，几乎察觉不到轴系轴向窜动现象），目测最大值约为3～4 mm。

我们在不同时间段多次拆开柴油机曲轴箱盖和发电机前端轴承盖，对柴油发电机组各相应间隙值进行测量，轴系间隙示意图见图2，测量结果见表1：

① 柴油发电机组轴系分中情况很不理想；

② 柴油机曲轴止推间隙值较柴油机出厂间隙值增大0.04 mm；并且，在拆开发电机前端轴承端盖后发现，轴瓦端面（靠近柴油机飞轮端）与转子轴轴颈端面有明显挤压现象、转子轴颈端面轻微发黑（见图3）。

L1/L2.发电机前端轴瓦端面与转子轴轴颈端面的间隙 L3. 柴油机曲轴止推轴承靠自由端间隙

L4. 柴油机曲轴止推轴承总间隙

图2 机组轴系间隙示意图

图3 发电机前端轴瓦与轴颈端面挤压摩痕

从现场故障现象看，柴油发电机组轴系的轴向窜动，已造成机组部分零部件的损伤。基于陶瓷厂对用电量的需求，我们提出维持机组在较低负荷下运行直至故障解决的建议。

经过对故障的进一步分析后，我们认为此次故障是由于机组内部力学不平衡所致。众所周知，柴油发电机组在运转过程中，存在着周期变化的不平衡力和力矩，假如这些力和力矩在机组内部不能相互抵消，就会引起机组振动，振动必将影响到柴油发电机组的工作性能、可靠性和使用寿命。试想倘若轴系的轴向窜动故障持续下去，其结果会是怎样？

2 轴系动力学行为与故障危害

对于陆用柴油发电机组来说，轴系的受力情况是极其复杂的。因而，为了明确柴油发电机组轴系的轴向窜动故障所可能诱发的一系列危害，则必须正确了解轴系动力学的行为表现形式，并正确分析引起故障的振动力源。

2.1 轴系动力学行为表现形式及特性

GC2000LAH型柴油发电机组工作过程中轴系受力情况极其复杂的，例如：以曲柄连杆机构作为主要运动机构的柴油机曲轴直接或间接地受到周期性变化的气体压力、旋转质量的离心力、大小及方向均交替变化的往复惯性力以及滑动轴承动压油膜支撑力，此外，轴系还可能受到高弹性联轴器在径向和轴向上的交变应力以及发电机磁场力的共同作用。

无论机组轴系中受到何种作用力，其在动力学行为上均表现为：扭转振动、弯曲振动（又称回转振动或横向振动）、纵向振动以及三种振动形式的耦合。从理论上讲，柴油发电机组轴系的振动，都是耦合振动，一种振动往往诱发其它一种甚至几种振动的发生，加之曲轴属于典型的非对称结构，具有各向异性及各向耦合的特点。因此，轴系所出现的轴向窜动不仅能激起纵向振动，而且也可以激起扭转振动、弯曲振动及三者的耦合振动。

由此可见，柴油发电机组运行过程中的内部力学是否平衡，对机组的工作性能、可靠性和使用寿命是极其重要的，因此，柴油发电机组的平衡特性是机器在设计阶段的一个重要课题。正常情况下的柴油发电机组运行过程中其内部的各种不平衡应力和力矩是能够相互抵消的，从而使机组处于力学平衡状态的。但从现场的故障现象来看，机组显然是在不平衡状态下运行的，所以，可以肯定的是：当柴油发电机组轴系在轴向上存在一个无法抵消的应力F，打破了机组运行过程中原有的力学平衡状态，从而引起轴系的轴向窜动。

2.2 轴系轴向窜动故障的危害

通过上述对柴油发电机组轴系动力学行为表现形式及特性的分析，使我们清楚地意识到轴系轴向窜动不仅能激起纵向振动，也可以激起扭转振动、弯曲振动，特别是当纵向振动固有频率与扭转振动、弯曲振动固有频率相同或相近时还会产生一系列的耦合振动现象，其对机组的安全运转构成严重威胁。

一般来说，轴系的轴向窜动有下述几方面的危害：

① 窜动过大将造成活塞连杆总成偏离气缸中心，活塞受力不均后将侧击缸套，从而破坏活塞与缸套的油膜，使气缸异常磨损、漏油甚至会导致连杆变形；

② 窜动所引起的纵向振动会导致相关零件如主轴承螺栓等因剪切力疲劳而发生断裂，乃至曲轴本身的断裂也与此有关；

③ 窜动所引起的纵向振动会使一些重要的传动机构，如：高压油泵齿轮和配气齿轮的相位发生变化，从而改变机组的运行工况，使缸内压力震荡剧烈；

④ 当窜动所引起振动的振幅或附加应力大于高弹性联轴节的许用值时，也会造成高弹性联轴器损伤或断裂；

⑤ 窜动会造成轴系中承受推力轴承的异常磨损（或松动）；

⑥ 窜动会激发机组表面及其安装附件的振动，从而会使整机的噪声声压级升高；

⑦ 以及其他不良的后果。

3 轴系轴向窜动故障分析与排除

经过前面对故障现象的介绍和轴系动力学分析，对故障的排除从根本上讲即消除轴系的轴向力F，重新实现机组内部的力学平衡，为此需要对诱发轴向力F的因素逐一进行排查，具体的排除过程如下。

3.1 12V320型柴油机分析与检查

我们知道对于柴油机而言，其气缸内气体力和往复惯性力通过连杆作用在曲柄销上的法向力是轴系纵向振动的激励源。然而，320系列柴油机作为一种成熟机型，其性能稳定，我司迄今为止已生产1 000多台，并广泛应用于船舶、大型发电厂等多个领域。根据我司对该系列柴油机多年的研究经验和从本次出现故障的GC2000LAH机组的12V320型柴油机的出厂台架试验记录数据参数情况，可以断定该台柴油机是具有良好的平衡特性的，柴油机在运转过程中，所产生的周期变化的不平衡力和力矩，在柴油机内部是能够被相互抵消的。在整个故障处理过程中，我们认为无需将12V320型柴油机列为故障检查优先考虑的对象，而故障处理结果也证明我们的判断是正确的。

3.2 TF型发电机分析与检查

现场的实际情况告诉我们，对于所配套的TF2000-14/1730 10 500 V发电机作为诱发轴向力F的因素从而导致柴油发电机组轴系出现轴向窜动故障的可能性是存在的，因此，我们认为有必要对发电机进行全面分析检查。

正如我们所知的，发电机在起励后其定、转子磁励线将自动寻找对中，以保证磁场稳定。机组轴系的轴向力F是否来源于发电机以及F的特性均取决于在加载运行中发电机内部定、转子磁励线的相对位置。由于无法通过发电机外型对其定、转子对中情况进行检查，我们预设了两种可能出现的情况：

① 发电机在静态下定、转子磁励线出现错位，导致机组运行后，轴系出现轴向的连续性窜动。

由于在起励过程中为确保发电机运行中磁场的稳定性，磁场在轴向上势必会产生一个磁场力迫使发电机转子轴在轴向上发生移动至系统稳定后消失，加之磁场对中后将不再随着加载负荷而变化。这显然与现场故障现象不符合。

分析结果显示，发电机在静态下定、转子磁励线在轴向上存在一定量的间隙这与机组的故障没有必然联系。而从拆检测量的轴系间隙数据上看，又不能完全排除这种可能，故唯有通过试验对其进行验证。

经计算转子轴向位置往柴油机方向移动了2.7 mm，故将定子轴向位置往柴油机方向移动了相同距离。起动机组在高负载下运行了1小时后，发现未能消除故障。

② 发电机在定、转子磁励线对中良好情况下运行时，对转子轴上施加一个大小周期性变化的轴向外力，其将迫使转子轴在轴向上产生一定位移量，从而破坏磁场稳定引起机组轴系轴向的连续性窜动。

由于发电机为确保磁场的稳定性，磁场在轴向上将产生一个与轴向外力大小、方向均相反的磁场力迫使发电机转子轴轴向位置恢复到正常状态。

分析结果显示，若存在一个大小周期性变化的轴向外力，在作用力的交变作用下，机组轴系将出现轴向窜动，发电机上的轴向外力很可能来自于高弹，到此故障的症结所在也逐渐清晰化了。

另外，在发电机的检查过程中，我们也多次对发电机进行起励、空载，观察其在不同负载情况下的运行参数，均未发现异常。

3.3 RATO-S型高弹性联轴器分析与检查

RATO-S3412高弹性联轴器是一种扭转弹性橡胶联轴器，作为动力传动元部件用于GC2000LAH型柴油发电机组的传动轴系中，起到减小轴系扭转振动的危害，补偿径向、轴向和角向对中误差，补偿旋转动量的振荡和调整系统的扭振性能等作用。

其橡胶弹性元件为橡胶与钢板粘合在一起的三明治结构，结构图如图4所示，左右分别为钢质斜法兰和直法兰，中间部分为橡胶。

图4 RATO-S3412高弹橡胶弹性元件结构图

为了弄清楚柴油发电机组在运行过程中，高弹性联轴器是否在轴向方向上存在一个轴向应力F，我们利用高弹性联轴器配套商提供的参数信息以及对相关资料的了解分析对高弹进行故障检查。

3.3.1 高弹橡胶弹性元件的分析

当橡胶弹性元件，在承受转矩作用时，若高弹性联轴器弹性元件的法兰在轴向被约束住，弹性元件产生的轴向力将是很大的。在柴油发电机组中则表现为，向柴油机和发电机两个方向同时施加轴向力F。

这将导致本文在3.2中所预设的“b”种情况的发生。

通常，在高弹性联轴器的设计和安装调试过程中，往往采取轴向位移补偿措施（即，轴向位移补偿的能力大于高弹橡胶弹性元件在加载最大允许转矩时所产生的最大轴向位移量）来有效避免由于橡胶弹性元件受扭时所产生的轴向力产生的危害。正如，在柴油发电机组安装调试中，通过正确调整RATO-S3412高弹性联轴器的调整垫片厚度作为补偿措施，才能确保机组在运转过程中轴系的合理对中。

3.3.2 高弹检查与故障排除

基于对高弹橡胶弹性元件的分析结果，在确认故障原因可能出在高弹调整垫片之后，我们拆下调整垫片并对机组轴系各间隙和垫片厚度（即，高弹输出法兰与发电机输入法兰的间隙）进行测量。

垫片厚度平均值为：20.23 mm；

轴系各间隙值：见表1，第3项。

经计算分析：若机组轴系间隙分中正常时，则高弹输出法兰与发电机输入法兰的间隙应在目前基础上减少大约2.90 mm。考虑到测量结果受测量误差以及其他因素的影响，决定先将垫片厚度加工至17.80 mm（允差±0.1）。

在安装新加工的调整垫片后，起动柴油发电机组，并经不同工况的反复试验跟踪，运行至今（约3500小时）未出现过轴系的轴向窜动现象，我们确定该故障以得到有效解决。

为了安全起见在机组高弹故障的检查排除过程中，同时对机组高弹的质量进行检测（如：高弹外型尺寸、橡胶粉末颗粒、高负载工况下温度、高弹性能等），检测结果未见明显异常。

4 轴系轴向窜动的预防措施

通过故障危害性的了解，并结合现场对实际问题的分析与处理，对预防柴油发电机组出现轴系轴向窜动故障提出相关建议：

① 制定了柴油发电机组安装过程的技术指导文件，特别对高弹的安装及调试作相应规定。即，在对中完成后依次安装高弹过渡盘、橡胶件组件和膜盘座组件，调整机组轴系的轴向间隙，确保柴油机和发电机的轴向间隙分中，此后测量高弹输出法兰与发电机输入法兰的间隙（取上、下方向测量的平均值，并按此值确定调整垫片厚度）。

② 在预留发电机转子轴膨胀空间的前提下，将原发电机前端转子轴轴颈端面与轴承端面6mm间隙缩小至2 mm，轴瓦与轴承座间隙由原2 mm缩小至1 mm，已减小当机组发生轴系轴向窜动时窜动的幅度。

5 结束语

通过对此次柴油机发电机组轴系的轴向窜动故障的分析与排除，我们意识到机组安装调试质量对机器的运行使用的重要性，作为设计人员应充分考虑这一环节的重要性与特殊性。

参考文献

[1] 张青雷.大功率低速船用柴油机曲轴转子―轴承系统动力学研究[D]上海, 2005

[2] 王小立.船舶推进轴系动态性能分析与研究[D]武汉,2008

[3] 黄少竹.船舶柴油机[M].大连.大连海事大学出版社,2006