某柴油機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失效分析

李陽(yáng) 韓麗麗 趙允昊 尹建 趙維學(xué)

摘要： 針對(duì)公司某柴油機(jī)在工業(yè)性試驗(yàn)中出現(xiàn)風(fēng)扇脫落、風(fēng)扇固定螺栓斷裂、風(fēng)扇軸承損壞、磁電機(jī)漲緊輪固定螺栓斷裂、皮帶異常磨損等故障，從裝配工藝、輪系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，并制定解決方案。分析結(jié)果表明，優(yōu)化輪系結(jié)構(gòu)，減小皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)的整體振動(dòng)，改進(jìn)風(fēng)扇支架結(jié)構(gòu)，制定合理的裝配工藝，能有效提高輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高整機(jī)可靠性。

Abstract： In view of the failures of a diesel engine in the industrial test， such as fan falling off， fan fixing bolt fracture， fan bearing damage， magneto tension-wheel fixing bolt fracture， belt abnormal wear， etc.， this paper analyzes the assembly process， gear train design， structural design and other aspects， and makes solutions. The results show that the reliability of the auxiliary drive system can be improved effectively by optimizing the gear train structure， reducing the overall vibration of the belt drive system， improving the fan support structure and formulating reasonable assembly process.

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī);輔助系統(tǒng);失效分析

Key words： diesel engine;auxiliary system;failure analysis

中圖分類號(hào)：U664.121.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0072-02

0? 引言

柴油機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理為，以柴油機(jī)曲軸輸出的扭矩為動(dòng)力源，通過(guò)多楔帶摩擦力傳遞扭矩到達(dá)各個(gè)附件，帶動(dòng)附件運(yùn)行來(lái)保證柴油機(jī)整機(jī)正常工作。常見(jiàn)的附件包括風(fēng)扇帶輪、發(fā)電機(jī)帶輪、自動(dòng)漲緊輪和減振器帶輪。柴油機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)多楔帶驅(qū)動(dòng)，關(guān)鍵是依靠自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊力的漲緊輪。柴油機(jī)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)分為兩套漲緊輪系，一套是由固定在主軸上的小皮帶輪通過(guò)漲緊輪系統(tǒng)帶動(dòng)風(fēng)扇支架皮帶輪，使其風(fēng)扇按照設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對(duì)散熱器進(jìn)行冷卻;另一套是由固定在主軸上的大皮帶輪通過(guò)漲緊系統(tǒng)帶動(dòng)磁電機(jī)及空壓機(jī)。因此輔助系統(tǒng)的可靠性直接影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行。

1? 故障現(xiàn)象

1.1 風(fēng)扇支架脫落及損壞光? 柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前端皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)整體振動(dòng)較大，風(fēng)扇皮帶晃動(dòng)，有皮帶摩擦的聲音，風(fēng)扇支架前端的皮帶輪下垂。多次出現(xiàn)風(fēng)扇支架脫落，受拉伸力的兩個(gè)上方固定螺栓斷裂，下方一個(gè)螺栓脫落;風(fēng)扇支架上的軸承出現(xiàn)損壞、脫落等故障。

1.2 磁電機(jī)磁電機(jī)漲緊輪螺栓斷裂? 柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，多次出現(xiàn)磁電機(jī)漲輪螺栓斷裂斷裂情況。

1.3 風(fēng)扇皮帶異常磨損? 風(fēng)扇皮帶磨損過(guò)快，部分皮帶僅100多小時(shí)就因過(guò)度延伸而需更換。

2? 故障分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析? 風(fēng)扇輪系的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果表明：按初始的輪系布置位置，計(jì)算得到曲軸到風(fēng)扇皮帶段對(duì)齊度最高要求為0.95mm，非常嚴(yán)格，在裝配時(shí)很難達(dá)到此要求。若輪系裝配對(duì)齊度超標(biāo)，則會(huì)產(chǎn)生輪系振動(dòng)過(guò)大，引起噪音、皮帶偏磨、皮帶磨損過(guò)快等一系列問(wèn)題，因此對(duì)此輪系進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算新的設(shè)計(jì)布局下，皮帶張力穩(wěn)定性較好，系統(tǒng)振動(dòng)較小;采用10PK聚酯皮帶，皮帶延伸率控制≤1%，皮帶設(shè)計(jì)初張力600N，皮帶有效驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度1113.52mm;漲緊輪輪名義工作扭矩39.72N·m;曲軸到風(fēng)扇皮帶段對(duì)齊度要求最高偏差為1.42mm，裝配時(shí)較易控制。新輪系的動(dòng)態(tài)布局結(jié)果：附件帶輪滑差率設(shè)計(jì)目標(biāo)值≤2%，滿足要求;張緊輪搖臂抖動(dòng)設(shè)計(jì)目標(biāo)值≤5°，滿足要求;各帶輪皮帶段抖動(dòng)段設(shè)計(jì)目標(biāo)值≤10%，滿足要求。

2.2 皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)可靠性不足? 柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，即使我們優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的減振系統(tǒng)，優(yōu)化了皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)輪系的設(shè)計(jì)，但一定程度的振動(dòng)是不可避免的，因此皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件的設(shè)計(jì)一定要滿足抗振的可靠性要求。

2.2.1 風(fēng)扇支架? 風(fēng)扇支架的初始設(shè)計(jì)為三螺栓設(shè)計(jì)，上二下一。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中受振動(dòng)影響，上端固定螺栓受拉伸力，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生塑性變形，最終導(dǎo)致螺栓斷裂，支架脫落。通過(guò)對(duì)零部件的疲勞受力分析，螺栓計(jì)算等方法，更改了支架的結(jié)構(gòu)，將其改為五螺栓結(jié)構(gòu)，可有效提高風(fēng)扇支架安裝的可靠性。

2.2.2 滾動(dòng)軸承? 初始設(shè)計(jì)使用的是風(fēng)扇支架常規(guī)雙列球軸承，其所受徑向承載能力較差，抗振動(dòng)能力差，且去要長(zhǎng)期潤(rùn)滑維護(hù)。軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂失效，也會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)異常，軸承損壞。更改為“二柱一球”軸連軸承，軸承兩端滾柱列承載全部徑向負(fù)載，中間鋼球列定位軸與外圈的相對(duì)位置，鋼球列只承載軸向負(fù)載，有效解決了風(fēng)扇支架軸承早期損壞的問(wèn)題，提高了軸承的使用壽命。且殼體加工簡(jiǎn)單，只需一個(gè)圓柱孔，軸向定位方便。裝配工序簡(jiǎn)單，只需壓入、定位即可，無(wú)需考慮潤(rùn)滑等問(wèn)題。

2.3 皮帶長(zhǎng)度因素? 柴油機(jī)裝配過(guò)程中，皮帶的長(zhǎng)度不一，差別較大，皮帶過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成初始裝配時(shí)，自動(dòng)漲緊輪已到達(dá)或接近限位位置，使得皮帶的漲緊力不足，延伸率極小，大大影響了皮帶壽命。皮帶首次安裝，限位塊在較短的運(yùn)行時(shí)間后就到了限位位置。皮帶在安裝運(yùn)行后40-50小時(shí)內(nèi)，會(huì)由于線繩的彈性而自動(dòng)延伸，最大不會(huì)超過(guò)1%，而到達(dá)這個(gè)限值后，皮帶將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不再延伸，直到因皮帶磨損造成皮帶變薄，造成皮帶長(zhǎng)度再次增加。因此在設(shè)計(jì)輪系時(shí)要充分考慮皮帶的延伸率，在皮帶最大延伸后，限位塊仍要與限位位置保有一定的距離。皮帶長(zhǎng)度比理論尺寸過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)造成皮帶剛裝上時(shí)立即達(dá)到漲緊輪的限位位置。經(jīng)檢測(cè)，皮帶是按照GB13552生產(chǎn)的，但是國(guó)標(biāo)的公差帶要求過(guò)松，不滿足我們的使用要求。風(fēng)扇輪系皮帶長(zhǎng)度1113mm，公差帶±6mm;磁電機(jī)輪系和氣體機(jī)水泵輪系分別為1517mm和1519mm，公差帶±8mm;如果按照上限生產(chǎn)，換算到我們的輪系上，大概要使輪系變化6-8°，而風(fēng)扇輪系設(shè)計(jì)時(shí)從工作位置到自由臂位置一共18°，這樣一裝上就有可能接近限位位置。因此皮帶長(zhǎng)度需要嚴(yán)格控制，1113mm皮帶公差帶±3mm，1517mm和1519mm皮帶公差帶±4mm。

2.4 總裝技術(shù)要求? 輪系裝配對(duì)齊度超標(biāo)，則會(huì)產(chǎn)生輪系振動(dòng)過(guò)大，引起噪音、皮帶偏磨、皮帶磨損過(guò)快等一系列問(wèn)題，因此對(duì)齊度的檢測(cè)非常重要。

3? 結(jié)論

經(jīng)過(guò)優(yōu)化輪系結(jié)構(gòu)，減小皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)的整體振動(dòng)，改進(jìn)風(fēng)扇支架結(jié)構(gòu)，制定合理的裝配工藝后，在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)型試驗(yàn)中，沒(méi)有再發(fā)生風(fēng)扇支架脫落、漲緊輪固定螺栓斷裂、漲緊輪脫落等故障，皮帶壽命由200h提高到2000h，提高了整機(jī)可靠性。

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