一種油底殼破裂故障的問題分析和解決方案

□李際剛 □付吉臣 □王磊

濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司 濟(jì)南 250306

1 工件結(jié)構(gòu)和故障的介紹

油底殼部件是潤滑油容器，安裝在柴油機(jī)的下方，以保證各運(yùn)動副的潤滑。本文介紹的是一種中大功率柴油機(jī)的油底殼，殼體采用厚3 mm的低碳鋼板沖壓成形，中間隔板采用厚6 mm的低碳鋼板與殼體焊接為一體。由于殼體太大，中間設(shè)4道隔板，對殼體起到剛度加強(qiáng)作用。隔板下方開口，其作用是既防止了油底殼內(nèi)的機(jī)油整體晃動太過劇烈，又保證了隔板之間的機(jī)油在下部相互聯(lián)通為一體。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

▲圖1 油底殼隔板結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)試驗(yàn)之初沒有問題，問題出現(xiàn)在耐久試驗(yàn)到第40多個(gè)小時(shí)之時(shí)，油底殼出現(xiàn)裂紋，機(jī)油泄露。經(jīng)過拆檢，發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)在油底殼隔板與殼體底部焊接處（如圖2所示），裂縫以隔板焊縫內(nèi)側(cè)端點(diǎn)“B”和“C”為切點(diǎn)，沿殼體縱向（與隔板焊縫方向垂直）在殼底母材上擴(kuò)展形成裂縫。

▲圖2 油底殼裂縫示意

這種裂縫發(fā)生的特點(diǎn)是：一旦出現(xiàn)微裂紋，就會迅速擴(kuò)展為大裂縫，而且在幾道隔板的B、C點(diǎn)處相繼出現(xiàn)。問題出現(xiàn)之初，設(shè)計(jì)者分析是焊接工藝方面的原因。更換了電焊工，采用更加規(guī)范的焊接工藝和更加嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果油底殼經(jīng)過試驗(yàn)之后，問題依舊沒有改善。

2 裂縫形成的原因

由于中大功率柴油機(jī)的振動較大，油底殼內(nèi)裝的機(jī)油量也大，機(jī)油隨機(jī)器振動，呈上下顫動趨勢，施加在殼體底面上的作用力也就很大。如圖2所示的隔板，較短的A-B段和C-D段分別與殼底焊接，而很長的B-C段懸空，未與殼底焊接，成為殼底剛度最薄弱部位。這個(gè)薄弱部位隨機(jī)油上下振動，形成了以B、C為支點(diǎn)，類似重槌敲擊鼓面般的顫動。柴油機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速為1 000～1 500 r/m in，殼底鋼板也會依此頻率顫動，且以B、C為支點(diǎn)作微量的交變彎曲，使鋼板首先在此處疲勞變脆，從而出現(xiàn)裂紋，裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致殼底鋼板破裂。筆者認(rèn)為，這種破壞主要與殼體的剛度和隔板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，與焊接工藝、焊接質(zhì)量以及焊接應(yīng)力的去除等因素關(guān)系不大。

3 改進(jìn)隔板結(jié)構(gòu)

經(jīng)過以上分析，解決問題思路應(yīng)從提高油底殼殼底剛度方面考慮，有以下3種方案可供選擇：

1）增加殼體材料厚度；

2）在殼體底面壓制起伏筋，以增加殼底剛度；

3）合理改進(jìn)油底殼隔板形狀。

增加殼體材料厚度法，會使工件重量和成本大大增加；底面壓制起伏筋法，對小批量多品種產(chǎn)品，設(shè)備和模具投入費(fèi)用較大。鑒于前兩種不理想方案，筆者采用了第3種方案，設(shè)計(jì)了如圖3所示的隔板。將原來的一個(gè)大開口分成四個(gè)小開口，隔板與殼底的5個(gè)接觸點(diǎn)均采用焊接。隔板作改進(jìn)后，不但增強(qiáng)了油底殼底面的剛度，而且工件重量和成本增加很小，是一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的解決辦法。試驗(yàn)證明，如此改進(jìn)油底殼隔板結(jié)構(gòu)后，徹底解決了油底殼破裂問題，這種方案在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中沿用至今。

▲圖3 改進(jìn)后的油底殼隔板結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

隔板的設(shè)計(jì)在整個(gè)油底殼的設(shè)計(jì)乃至整個(gè)發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)上看似很簡單，可能不會引起設(shè)計(jì)者足夠的重視，而往往是在這些小地方會出現(xiàn)大故障。筆者認(rèn)為，此問題應(yīng)引起廣大機(jī)械設(shè)計(jì)和制造者認(rèn)真地思考。