基于CAE的船用柴油機(jī)齒輪室故障分析及改進(jìn)

0 引言

柴油機(jī)的齒輪室一般布置在自由端或飛輪端，起到支撐、防護(hù)齒輪系的作用。常見的齒輪室為鑄鐵或鑄鋁材料，其上安裝有曲軸齒輪、中間大惰輪、凸輪軸齒輪、中間小惰輪、噴油泵齒輪和機(jī)油泵齒輪。齒輪室一旦出現(xiàn)故障，柴油機(jī)齒輪系將無法工作。某柴油機(jī)在流刺網(wǎng)漁船市場上出現(xiàn)了齒輪室裂紋的故障，本研究通過采集柴油機(jī)路譜對(duì)故障進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)齒輪室進(jìn)行了改進(jìn)，并通過CAE仿真進(jìn)行計(jì)算及優(yōu)化，有效地解決了柴油機(jī)齒輪室的可靠性問題。從而為解決相同類型的問題提供了可借鑒的方法。

1 齒輪室故障問題案例

某柴油機(jī)在流刺網(wǎng)漁船細(xì)分市場上運(yùn)行至1000小時(shí)左右，齒輪室出現(xiàn)以下故障：齒輪室上固定傳動(dòng)軸座的螺栓處裂紋，造成噴油泵傳動(dòng)軸軸承座固定螺栓彎曲和斷裂，繼而引起噴油泵無法正常使用。齒輪室和噴油泵傳動(dòng)軸軸承座固定螺栓的具體故障信息如圖1所示。

2 使用工況路譜采集分析

在排除了故障件本身的質(zhì)量問題后，我們探究了該柴油機(jī)的具體使用工況。據(jù)悉，該柴油機(jī)在某流刺網(wǎng)漁船上使用，船長33米、寬6.5米，設(shè)計(jì)吃水深度為2.3米，柴油機(jī)功率為620馬力，額定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)。為了充分了解配套流刺網(wǎng)漁船的柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)該船的作業(yè)情況進(jìn)行了為期15天的跟船測試。

2.1 測試數(shù)據(jù)

如圖2所示，該船的負(fù)荷工況可以分為5類，分別是前往漁區(qū)、放網(wǎng)、拋錨、收網(wǎng)和返航。1)放網(wǎng)工況：此工況主要為流刺網(wǎng)船放網(wǎng)工況，船舶持續(xù)低速航行；2)收網(wǎng)工況：此工況柴油機(jī)處于怠速合排工況，為重點(diǎn)工況。為了保持航速和絞網(wǎng)速度相統(tǒng)一，合排/脫排頻繁，由于低速時(shí)機(jī)油壓力不穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長，轉(zhuǎn)速突變頻繁；3)前往航區(qū)、返航工況：此工況為柴油機(jī)高速運(yùn)行工況，占總運(yùn)行時(shí)間約50%，柴油機(jī)基本運(yùn)行在65%額定轉(zhuǎn)速，屬于正常推進(jìn)工況。

如圖3所示的收網(wǎng)工況轉(zhuǎn)速-功率船譜曲線圖，柴油機(jī)頻繁經(jīng)受齒輪箱合排/脫排形成的大負(fù)荷突加和突減，頻次高達(dá)每13-27秒1次，持續(xù)3-4小時(shí)，工作環(huán)境非常惡劣，作用在噴油泵傳動(dòng)軸上的交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不斷沖擊，對(duì)噴油泵傳動(dòng)軸和齒輪系沖擊比較大。

y=-0.57×rdaccu2+0.47×rdcont1+0.25×rhmean1+0.22×sdcont1+0.3×sunday1-0.33×tndf041+0.32×tndf071+0.02

該機(jī)型的齒輪室和噴油泵傳動(dòng)軸布置如圖5和圖6所示，噴油泵傳動(dòng)軸軸承座安裝在齒輪室上，通過3顆螺栓固定，傳動(dòng)軸與噴油泵齒輪通過M10螺栓連接，齒輪室材料為HT300，查詢圖紙得知，齒輪室傳動(dòng)軸殼體安裝處壁厚較薄，在噴油泵受到不斷沖擊的交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，噴油泵傳動(dòng)軸軸承座容易在螺栓安裝孔處撕裂。

2.2 分析結(jié)論

通過分析該柴油機(jī)的實(shí)際使用工況，得出以下結(jié)論：流刺網(wǎng)漁船頻繁合排和脫排對(duì)噴油泵傳動(dòng)軸和齒輪系的沖擊較大，噴油泵傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)沖擊造成了齒輪室裂紋。齒輪室安裝噴油泵傳動(dòng)軸軸承座處的壁厚較薄，抗沖擊負(fù)載能力弱，需要對(duì)齒輪室進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

3 改進(jìn)措施

where I is the peak values of TTX-R sodium currents measured in given test potential,I max is the maximum of I,Vm is the corresponding conditional potential,K is the slope and V0.5 is the half-inactivation potential.

鑒于全市地質(zhì)災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)展相對(duì)滯后的實(shí)際情況，下階段，建議著重開展項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)展情況督查工作，市局在督查的同時(shí)，要選派相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，加強(qiáng)對(duì)各縣市區(qū)的項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)指導(dǎo)工作，加快項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度，確保在機(jī)構(gòu)改革時(shí)不拖后退、不留尾巴。

4 CAE仿真優(yōu)化

之后將傳動(dòng)軸軸承座受的螺栓預(yù)緊力、油泵驅(qū)動(dòng)齒輪傳遞于其上的軸向力和徑向力作用進(jìn)行施加，各種力的大小均由齒輪動(dòng)力學(xué)計(jì)算所得，各種力的明細(xì)如表1所示，各零部件的材料特性如表2所示示。

仿真模型模擬實(shí)際工程裝配情況，將裝配完成后的3D模型，在Simlab軟件中完成網(wǎng)格處理(齒輪室和傳動(dòng)軸軸承座有限元模型如圖9所示)，網(wǎng)格全部選用修正的二階單元。在選擇分析模型后，對(duì)模型的各個(gè)零部件進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理，形成能夠進(jìn)行計(jì)算的有限元網(wǎng)格模型。網(wǎng)格劃分的原則:1)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域(倒角、圓角、螺紋孔以及加強(qiáng)筋和結(jié)構(gòu)過渡等易發(fā)生應(yīng)力集中區(qū)域)，其網(wǎng)格盡量細(xì)化；2)其他區(qū)域或部件，可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸；3)對(duì)接觸區(qū)域，盡量使用相同節(jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)格，以達(dá)到容易收斂、提高計(jì)算精度的目的。結(jié)構(gòu)模型接觸關(guān)系的正確與否對(duì)靜動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果具有十分重要的影響，因此需要對(duì)每項(xiàng)接觸關(guān)系進(jìn)行仔細(xì)檢查和修正。

根據(jù)齒輪室螺栓孔處裂紋的分析情況，需要對(duì)齒輪室傳動(dòng)軸軸承座安裝位置壁厚進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)前后對(duì)比如圖7所示，將螺栓安裝孔外圓進(jìn)行局部加厚3mm，同時(shí)將固定傳動(dòng)軸軸承座的螺栓分布圓加大，將M10螺栓更改為M12，改進(jìn)前后對(duì)比如圖8所示。

本研究通過遙感技術(shù)、環(huán)境調(diào)查分析技術(shù)以及空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)等多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)協(xié)同運(yùn)用，以解析城市發(fā)展過程中與體育運(yùn)動(dòng)有關(guān)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建一套生態(tài)體育城市指標(biāo)體系，對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行定量和定性研究，為同一類產(chǎn)品和項(xiàng)目進(jìn)行比較分析，客觀界定生態(tài)體育城市發(fā)展和實(shí)施的水平狀況提供依據(jù)。該研究方法也可以為城市管理者和體育行政部門對(duì)大眾體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展方向提供政策依據(jù)和行動(dòng)指南。

通過CAE仿真計(jì)算方法，對(duì)齒輪室進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，利用計(jì)算機(jī)輔助求解分析齒輪室及噴油泵傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果找出齒輪室的薄弱點(diǎn)，提出改進(jìn)和優(yōu)化的方向。

首先，成立高校經(jīng)費(fèi)管理專門小組，并以推進(jìn)科研活動(dòng)發(fā)展及經(jīng)費(fèi)管理精細(xì)化為雙重主導(dǎo)，組建專門的管理人員團(tuán)隊(duì)。在管理人員構(gòu)成上面，應(yīng)遵循放管服所要求的服務(wù)性、科學(xué)性與精細(xì)化要求，將財(cái)務(wù)管理負(fù)責(zé)人、科研活動(dòng)負(fù)責(zé)人都納入管理團(tuán)隊(duì)當(dāng)中，同時(shí)也要積極邀請(qǐng)這方面的專家學(xué)者共同參與管理，實(shí)現(xiàn)管理效能均衡，發(fā)揮管理團(tuán)隊(duì)作用。

4.1 疲勞安全系數(shù)

此處齒輪室與傳動(dòng)軸軸承座之間的間隙不足4mm，考慮到鑄造公差，已無加厚空間，可以從以下兩個(gè)方向去進(jìn)行改進(jìn)加強(qiáng)。

通過計(jì)算，傳動(dòng)軸軸承座與齒輪室螺栓連接位置螺紋最小疲勞安全系數(shù)為0.87，小于1.1的安全系數(shù)要求，位置在二、三螺牙間根部，如圖10所示。

疲勞是金屬材料在交變應(yīng)力或應(yīng)變力作用下產(chǎn)生裂紋或失效。AVL規(guī)范中定義疲勞安全系數(shù)大于1.1的情況為滿足設(shè)計(jì)的放行指標(biāo)，小于1.1的情況需要試驗(yàn)驗(yàn)證及需要整改的方案。

4.2 改進(jìn)及優(yōu)化方向

一是從更改齒輪室材料，目前應(yīng)用較多的鑄造材料為QT400，在對(duì)齒輪系材料進(jìn)行更改后，我們對(duì)螺栓處的最小疲勞安全系數(shù)再一次進(jìn)行了校核，校核結(jié)果為全部位置最小疲勞安全系數(shù)為1.12，大于1.1的限值要求，如圖11所示。

二是增加傳動(dòng)軸軸承座螺栓數(shù)量，根據(jù)整機(jī)布置情況，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸軸承座的固定螺栓僅有3個(gè)，數(shù)量偏少，無法很好的均布和釋放扭轉(zhuǎn)載荷，綜合考慮布置空間和可維修性，將螺栓數(shù)量由原來的3個(gè)增加為5個(gè)，如圖12所示。增加螺栓數(shù)量后，對(duì)螺栓處的最小疲勞安全系數(shù)再一次進(jìn)行了仿真校核，校核結(jié)果為全部位置最小疲勞安全系數(shù)為1.59，遠(yuǎn)大于1.1限值要求，如圖13所示。

他人的現(xiàn)在或許就是我們的明天，善待別人，其實(shí)就是善待自己。世間沒有一個(gè)人是孤島，我們無形中會(huì)跟許多人發(fā)生聯(lián)系。你待人冷漠，別人遭受了傷害，說不定他日后也會(huì)變得冷血，當(dāng)大家都自私自利，你遇了事也就無人相幫；你待人熱情，別人得到了溫暖，他內(nèi)心也會(huì)變得溫?zé)?，你遇上急難，別人也會(huì)自然而然地幫助你，我們出門在外就有了基本的安全感。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證和市場驗(yàn)證

根據(jù)公司《大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)耐久考核規(guī)范》里的要求，將經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后的齒輪室樣件安裝到柴油機(jī)上進(jìn)行耐久考核，耐久臺(tái)架采用的是電力測功機(jī)，耐久工況模擬終端用戶的實(shí)際脫/合排使用頻次和功率，對(duì)齒輪室進(jìn)行了為期500小時(shí)的耐久考核，如圖14所示。

耐久完成后最終拆機(jī)，仔細(xì)檢查未發(fā)現(xiàn)齒輪室與傳動(dòng)軸軸承座固定螺栓處有裂紋或斷裂的情況，因此可以判斷該齒輪室的設(shè)計(jì)變更滿足耐久條件下強(qiáng)度和疲勞等的技術(shù)要求。

之后向流刺網(wǎng)漁船細(xì)分市場投放了累計(jì)10臺(tái)套的改進(jìn)后樣機(jī)，通過售后追蹤，目前終端用戶使用時(shí)長均超過2000h，故障未再復(fù)現(xiàn)，至此，該故障得到圓滿解決。

6 結(jié)論

以某船用發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪室裂紋故障為例，通過對(duì)柴油機(jī)實(shí)際使用工況測試，并對(duì)產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行分析，確定為流刺網(wǎng)漁船頻繁合排和脫排對(duì)噴油泵傳動(dòng)軸和齒輪系的沖擊較大引起的齒輪室裂紋。針對(duì)該船的使用工況，提出了解決方案。通過CAE仿真計(jì)算，對(duì)修改方案進(jìn)行了評(píng)估并提出了改進(jìn)方向，最后對(duì)改進(jìn)的方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和市場驗(yàn)證，齒輪室的全部區(qū)域滿足疲勞強(qiáng)度要求，故障得到封閉。

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