基于CAE的船用柴油机齿轮室故障分析及改进

0 引言

柴油机的齿轮室一般布置在自由端或飞轮端，起到支撑、防护齿轮系的作用。常见的齿轮室为铸铁或铸铝材料，其上安装有曲轴齿轮、中间大惰轮、凸轮轴齿轮、中间小惰轮、喷油泵齿轮和机油泵齿轮。齿轮室一旦出现故障，柴油机齿轮系将无法工作。某柴油机在流刺网渔船市场上出现了齿轮室裂纹的故障，本研究通过采集柴油机路谱对故障进行了分析，根据分析结果对齿轮室进行了改进，并通过CAE仿真进行计算及优化，有效地解决了柴油机齿轮室的可靠性问题。从而为解决相同类型的问题提供了可借鉴的方法。

1 齿轮室故障问题案例

某柴油机在流刺网渔船细分市场上运行至1000小时左右，齿轮室出现以下故障：齿轮室上固定传动轴座的螺栓处裂纹，造成喷油泵传动轴轴承座固定螺栓弯曲和断裂，继而引起喷油泵无法正常使用。齿轮室和喷油泵传动轴轴承座固定螺栓的具体故障信息如图1所示。

2 使用工况路谱采集分析

在排除了故障件本身的质量问题后，我们探究了该柴油机的具体使用工况。据悉，该柴油机在某流刺网渔船上使用，船长33米、宽6.5米，设计吃水深度为2.3米，柴油机功率为620马力，额定转速为1500转。为了充分了解配套流刺网渔船的柴油机实际运行工况，对该船的作业情况进行了为期15天的跟船测试。

2.1 测试数据

如图2所示，该船的负荷工况可以分为5类，分别是前往渔区、放网、抛锚、收网和返航。1)放网工况：此工况主要为流刺网船放网工况，船舶持续低速航行；2)收网工况：此工况柴油机处于怠速合排工况，为重点工况。为了保持航速和绞网速度相统一，合排/脱排频繁，由于低速时机油压力不稳定，持续时间长，转速突变频繁；3)前往航区、返航工况：此工况为柴油机高速运行工况，占总运行时间约50%，柴油机基本运行在65%额定转速，属于正常推进工况。

如图3所示的收网工况转速-功率船谱曲线图，柴油机频繁经受齿轮箱合排/脱排形成的大负荷突加和突减，频次高达每13-27秒1次，持续3-4小时，工作环境非常恶劣，作用在喷油泵传动轴上的交变扭转应力不断冲击，对喷油泵传动轴和齿轮系冲击比较大。

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

该机型的齿轮室和喷油泵传动轴布置如图5和图6所示，喷油泵传动轴轴承座安装在齿轮室上，通过3颗螺栓固定，传动轴与喷油泵齿轮通过M10螺栓连接，齿轮室材料为HT300，查询图纸得知，齿轮室传动轴壳体安装处壁厚较薄，在喷油泵受到不断冲击的交变扭转应力时，喷油泵传动轴轴承座容易在螺栓安装孔处撕裂。

2.2 分析结论

通过分析该柴油机的实际使用工况，得出以下结论：流刺网渔船频繁合排和脱排对喷油泵传动轴和齿轮系的冲击较大，喷油泵传动轴的扭转冲击造成了齿轮室裂纹。齿轮室安装喷油泵传动轴轴承座处的壁厚较薄，抗冲击负载能力弱，需要对齿轮室进行设计改进。

3 改进措施

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.

鉴于全市地质灾害防治项目实施进展相对滞后的实际情况，下阶段，建议着重开展项目实施进展情况督查工作，市局在督查的同时，要选派相关专业技术人员，加强对各县市区的项目管理业务指导工作，加快项目实施进度，确保在机构改革时不拖后退、不留尾巴。

4 CAE仿真优化

之后将传动轴轴承座受的螺栓预紧力、油泵驱动齿轮传递于其上的轴向力和径向力作用进行施加，各种力的大小均由齿轮动力学计算所得，各种力的明细如表1所示，各零部件的材料特性如表2所示示。

仿真模型模拟实际工程装配情况，将装配完成后的3D模型，在Simlab软件中完成网格处理(齿轮室和传动轴轴承座有限元模型如图9所示)，网格全部选用修正的二阶单元。在选择分析模型后，对模型的各个零部件进行网格离散化处理，形成能够进行计算的有限元网格模型。网格划分的原则:1)重点关注的区域(倒角、圆角、螺纹孔以及加强筋和结构过渡等易发生应力集中区域)，其网格尽量细化；2)其他区域或部件，可适当增大网格尺寸；3)对接触区域，尽量使用相同节点密度的网格，以达到容易收敛、提高计算精度的目的。结构模型接触关系的正确与否对静动力学分析结果具有十分重要的影响，因此需要对每项接触关系进行仔细检查和修正。

根据齿轮室螺栓孔处裂纹的分析情况，需要对齿轮室传动轴轴承座安装位置壁厚进行加强，加强前后对比如图7所示，将螺栓安装孔外圆进行局部加厚3mm，同时将固定传动轴轴承座的螺栓分布圆加大，将M10螺栓更改为M12，改进前后对比如图8所示。

本研究通过遥感技术、环境调查分析技术以及空气质量监测技术等多种现代科学技术协同运用，以解析城市发展过程中与体育运动有关生态环境指标为出发点，构建一套生态体育城市指标体系，对不同区域的生态环境现状进行定量和定性研究，为同一类产品和项目进行比较分析，客观界定生态体育城市发展和实施的水平状况提供依据。该研究方法也可以为城市管理者和体育行政部门对大众体育运动的发展方向提供政策依据和行动指南。

通过CAE仿真计算方法，对齿轮室进行建模和仿真计算，利用计算机辅助求解分析齿轮室及喷油泵传动轴的结构力学性能，并根据计算结果找出齿轮室的薄弱点，提出改进和优化的方向。

首先，成立高校经费管理专门小组，并以推进科研活动发展及经费管理精细化为双重主导，组建专门的管理人员团队。在管理人员构成上面，应遵循放管服所要求的服务性、科学性与精细化要求，将财务管理负责人、科研活动负责人都纳入管理团队当中，同时也要积极邀请这方面的专家学者共同参与管理，实现管理效能均衡，发挥管理团队作用。

4.1 疲劳安全系数

此处齿轮室与传动轴轴承座之间的间隙不足4mm，考虑到铸造公差，已无加厚空间，可以从以下两个方向去进行改进加强。

通过计算，传动轴轴承座与齿轮室螺栓连接位置螺纹最小疲劳安全系数为0.87，小于1.1的安全系数要求，位置在二、三螺牙间根部，如图10所示。

疲劳是金属材料在交变应力或应变力作用下产生裂纹或失效。AVL规范中定义疲劳安全系数大于1.1的情况为满足设计的放行指标，小于1.1的情况需要试验验证及需要整改的方案。

4.2 改进及优化方向

一是从更改齿轮室材料，目前应用较多的铸造材料为QT400，在对齿轮系材料进行更改后，我们对螺栓处的最小疲劳安全系数再一次进行了校核，校核结果为全部位置最小疲劳安全系数为1.12，大于1.1的限值要求，如图11所示。

二是增加传动轴轴承座螺栓数量，根据整机布置情况，发现传动轴轴承座的固定螺栓仅有3个，数量偏少，无法很好的均布和释放扭转载荷，综合考虑布置空间和可维修性，将螺栓数量由原来的3个增加为5个，如图12所示。增加螺栓数量后，对螺栓处的最小疲劳安全系数再一次进行了仿真校核，校核结果为全部位置最小疲劳安全系数为1.59，远大于1.1限值要求，如图13所示。

他人的现在或许就是我们的明天，善待别人，其实就是善待自己。世间没有一个人是孤岛，我们无形中会跟许多人发生联系。你待人冷漠，别人遭受了伤害，说不定他日后也会变得冷血，当大家都自私自利，你遇了事也就无人相帮；你待人热情，别人得到了温暖，他内心也会变得温热，你遇上急难，别人也会自然而然地帮助你，我们出门在外就有了基本的安全感。

5 试验验证和市场验证

根据公司《大缸径发动机耐久考核规范》里的要求，将经过优化改进后的齿轮室样件安装到柴油机上进行耐久考核，耐久台架采用的是电力测功机，耐久工况模拟终端用户的实际脱/合排使用频次和功率，对齿轮室进行了为期500小时的耐久考核，如图14所示。

耐久完成后最终拆机，仔细检查未发现齿轮室与传动轴轴承座固定螺栓处有裂纹或断裂的情况，因此可以判断该齿轮室的设计变更满足耐久条件下强度和疲劳等的技术要求。

之后向流刺网渔船细分市场投放了累计10台套的改进后样机，通过售后追踪，目前终端用户使用时长均超过2000h，故障未再复现，至此，该故障得到圆满解决。

6 结论

以某船用发动机的齿轮室裂纹故障为例，通过对柴油机实际使用工况测试，并对产生故障的原因进行分析，确定为流刺网渔船频繁合排和脱排对喷油泵传动轴和齿轮系的冲击较大引起的齿轮室裂纹。针对该船的使用工况，提出了解决方案。通过CAE仿真计算，对修改方案进行了评估并提出了改进方向，最后对改进的方案进行了试验验证和市场验证，齿轮室的全部区域满足疲劳强度要求，故障得到封闭。

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