水下航行器發(fā)動機(jī)漏水故障的分析研究

張 濤 ， 黃鳳軍

（海軍裝備部，山西 侯馬 043000）

0 引言

水下航行器能在水中自動推進(jìn)，是依靠其動力推進(jìn)系統(tǒng)的作用，而水下航行器動力推進(jìn)系統(tǒng)是由能量供應(yīng)系統(tǒng)、動力裝置和推進(jìn)器組成[1]。某水下航行器熱動力裝置是一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小而質(zhì)量輕的動力機(jī)械裝置[2-3]，其中，凸輪發(fā)動機(jī)是熱動力裝置的主要組成部分，也是成功進(jìn)行功率試驗(yàn)、實(shí)航試驗(yàn)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。凸輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單但機(jī)械運(yùn)動較復(fù)雜，在功率試驗(yàn)、實(shí)航試驗(yàn)中易發(fā)生故障。一旦出現(xiàn)故障，機(jī)械性能可能損壞，嚴(yán)重時(shí)造成產(chǎn)品報(bào)廢、沉雷等重大事故[4]。目前，國內(nèi)很多學(xué)者對水下航行器熱動力裝置、發(fā)動機(jī)等進(jìn)行了一系列故障分析。史小鋒[5]、王紅紅等[6]綜述了水下航行器熱動力裝置故障診斷技術(shù)的研究意義、研究現(xiàn)狀，并提出了振動故障診斷的研究方案；靳登攀等[7]對水下航行器發(fā)動機(jī)汽缸套銹蝕的產(chǎn)生因素分4個(gè)方面進(jìn)行了分析，并提出淬火時(shí)增加氮?dú)鉂舛取⒃黾与娊鈷伖?、?shí)施雙層鍍鎳等防銹蝕措施，可以減小水下航行器發(fā)動機(jī)的故障發(fā)生率；溫秀峰等[8]分析得到了貯存環(huán)境中的溫濕度因素對水下航行器發(fā)動機(jī)各部件失效的影響大小，預(yù)測出水下航行器發(fā)動機(jī)在各種環(huán)境因素下的失效模式。因此，為了提高水下航行器動力裝置的可靠性，更好地具備遠(yuǎn)程精確的打擊能力，就必須要求水下航行器發(fā)動機(jī)能夠可靠地運(yùn)行，降低故障發(fā)生的可能性。

水下航行器的動力裝置在進(jìn)行功率試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷卻水充填過程中，隔板和凸輪發(fā)動機(jī)主動齒輪之間有水漏出。一方面，該故障很有可能會造成凸輪發(fā)動機(jī)工作異常以致于損壞，進(jìn)而直接造成經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，不僅功率試驗(yàn)是檢驗(yàn)水下航行器熱動力裝置性能的重要條件，而且水下航行器的化學(xué)燃料有害，屬于危險(xiǎn)工作，人員在準(zhǔn)備功率試驗(yàn)時(shí)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。因此，要盡可能保證準(zhǔn)備功率試驗(yàn)時(shí)不出現(xiàn)故障異常，減少人員反復(fù)的拆裝工作并且盡可能少地接觸有害燃料。針對這一問題，本研究擬采用實(shí)驗(yàn)方法對該故障進(jìn)行定位，詳細(xì)分析故障成因并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后提出改進(jìn)措施以避免該故障再現(xiàn)。研究對固定螺釘?shù)目煽啃栽O(shè)計(jì)具有一定實(shí)際意義，也為工廠、部隊(duì)等使用單位完善相應(yīng)的技術(shù)工藝提供了必要依據(jù)。

1 故障原因分析

在冷卻水充填過程中，凸輪發(fā)動機(jī)（包括主動齒輪）裝配在隔板上，水經(jīng)隔板流到主動齒輪上的冷卻劑入口處，最后進(jìn)入發(fā)動機(jī)水道內(nèi)。故障發(fā)生時(shí)，冷卻水從主動齒輪和隔板之間流出（圖1），之后迅速拆卸凸輪發(fā)動機(jī)、主動齒輪等零部件，進(jìn)行故障檢查。

1.1 故障定位

如圖2所示，主動齒輪和凸輪發(fā)動機(jī)通過5個(gè)固定螺釘連接[9]，螺釘上帶有墊圈，固定螺釘和墊圈按圖示依次編號（螺釘為小寫字母，墊圈為大寫字母）。為了準(zhǔn)確定位故障發(fā)生的位置，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，主要有三角支架、壓力試驗(yàn)臺、精密壓力表等，如圖3所示。首先用固定螺釘將主動齒輪和凸輪發(fā)動機(jī)連接，然后將發(fā)動機(jī)固定在三角支架上，往主動齒輪的水道內(nèi)倒入少許清水，用氣瓶對發(fā)動機(jī)的氣腔進(jìn)行加壓（加至0.15 MPa），通過觀察氣泡的位置來準(zhǔn)確定位漏水的位置。實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)b、e處固定螺釘有氣泡出現(xiàn)，重新更換b、e處固定螺釘后，再進(jìn)行氣密檢查，沒有氣泡泄漏現(xiàn)象。由此可知，故障位置發(fā)生在b、e兩處，而此處密封是依靠固定螺釘擠壓墊圈，墊圈擠壓變形后對連接孔處起到了密封作用。因此，漏水故障是由于密封失效所引起，而影響該處密封的因素有3個(gè)，即墊圈、人員操作及固定螺釘。

圖 1 機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural scheme of mechanism

1.2 墊圈分析

從凸輪發(fā)動機(jī)上卸下5件墊圈，根據(jù)圖紙資料，考察墊圈的硬度因素，結(jié)合故障現(xiàn)象對其表面外觀、硬度進(jìn)行檢查，結(jié)果如表1所示。

從表1結(jié)果可以看出，5件墊圈外觀沒有明顯的、貫穿的劃痕等缺陷，其硬度實(shí)測值也符合GB/T 2059—2008中規(guī)定HV≤70的要求，可以暫時(shí)排除墊圈的影響因素。

圖 2 發(fā)動機(jī)簡圖Fig.2 Schematic diagram of engine

圖 3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Diagram of experimental devices

圖 4 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.4 Flow diagram of experiment

表 1 墊圈測試結(jié)果Table 1 Gaskets test results

1.3 人員操作分析

本套凸輪發(fā)動機(jī)的操作人員工作經(jīng)驗(yàn)豐富，對連接主動齒輪和發(fā)動機(jī)的固定螺釘進(jìn)行了力矩對角遞增擰緊，操作過程也嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，而且實(shí)驗(yàn)也由同一人員進(jìn)行操作，故人員操作影響因素的可能性十分微小，可以排除該因素。

1.4 固定螺釘分析

該固定螺釘是M8×16標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角螺釘[10]，按照GB/T 70.1—2000的規(guī)定，其主要尺寸為dk、k、t、l（圖5），同時(shí)引用標(biāo)準(zhǔn)中要求的螺紋符合通止規(guī)檢驗(yàn)以及螺紋垂直度滿足要求。因此，對5件標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角螺釘?shù)闹饕叽?、通止?guī)檢驗(yàn)及垂直度進(jìn)行檢查，其測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，5件固定螺釘?shù)闹饕叽缇跇?biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，螺紋也通過通止規(guī)測量，但螺釘b、e的螺紋母線與螺釘頭部下端面的形位公差垂直度超差，超過國標(biāo)規(guī)定的垂直度0.18（GB/T 3103.1—2016中規(guī)定該等級為A的內(nèi)六角螺釘垂直度為0.18）。若將這2件固定螺釘連接主動齒輪和凸輪發(fā)動機(jī)后，由于螺釘?shù)穆菁y面和頭部垂直度超差，致使墊圈被擰緊時(shí)受力不均勻，不能有效密封而產(chǎn)生局部泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致水下航行器動力裝置功率試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，冷卻水充填時(shí)發(fā)生漏水故障。

圖 5 固定螺釘示意圖Fig.5 Illustration of set screw

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上所分析的故障原因，利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行如下4種工況的氣密試驗(yàn)，如表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在工況一條件下，固定螺釘和墊圈均不進(jìn)行更換，發(fā)現(xiàn)固定主動齒輪的b、e 螺釘處有少許氣泡出現(xiàn)；在工況二條件下，更換b、e處的螺釘和B、E處墊圈，試驗(yàn)中b、e處沒有氣泡出現(xiàn)；在工況三條件下，更換b、e處的螺釘而B、E處墊圈不更換，試驗(yàn)中也無氣泡出現(xiàn)；在工況四條件下，更換B、E處墊圈而b、e處的螺釘不更換，試驗(yàn)中b、e兩處均有氣泡出現(xiàn)。

對比工況二和工況三的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以排除墊圈的影響因素；對比工況二和工況四的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出漏水故障主要由螺釘引起。同時(shí)依據(jù)上述3個(gè)故障因素的分析可知，導(dǎo)致隔板和凸輪發(fā)動機(jī)主動齒輪之間有水漏出的原因是固定螺釘垂直度超出標(biāo)準(zhǔn)所致。

2 故障處理措施

為了及時(shí)解決故障，進(jìn)一步提高功率試驗(yàn)的成功率，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，對固定螺釘?shù)臋z驗(yàn)工序做出優(yōu)化改進(jìn)：1）在原有進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)技術(shù)條件基礎(chǔ)上，增加對固定螺釘垂直度的要求，要求垂直度不低于0.18；2）對水下航行器產(chǎn)品上有類似工作環(huán)境的其他螺釘進(jìn)行檢查，并且將進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)技術(shù)條件也進(jìn)行相應(yīng)完善；3）要求生產(chǎn)廠家完善該類螺釘?shù)募夹g(shù)條件，確保后續(xù)生產(chǎn)的螺釘符合標(biāo)準(zhǔn)要求；4）從已購螺釘產(chǎn)品中篩選出垂直度合格的固定螺釘并正常使用，其余不合格產(chǎn)品全部報(bào)廢。

表 2 固定螺釘測試結(jié)果Table 2 Test results of set screws

表 3 氣密試驗(yàn)的4種工況Table 3 Four conditions of air tight test

3 結(jié)論

1）水下航行器發(fā)動機(jī)在功率試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)漏水發(fā)生在隔板與凸輪發(fā)動機(jī)主動齒輪之間的固定螺釘連接處。

2）漏水故障是由于固定螺釘垂直度不符合標(biāo)準(zhǔn)而造成該處密封失效所致。

3）在技術(shù)條件中增加對固定螺釘垂直度的要求，垂直度不合格的固定螺釘全部報(bào)廢。