TBD234V12柴油機(jī)泵傳動機(jī)構(gòu)螺栓斷裂故障分析

導(dǎo)讀2017年以來，公司售后部門陸續(xù)接到TBD234V12柴油機(jī)(功率373kW，轉(zhuǎn)速1500r／min)噴油泵傳動機(jī)構(gòu)齒輪緊固螺栓(以下簡稱“螺栓”)發(fā)生斷裂故障的報告[1]。據(jù)統(tǒng)計，此類故障共發(fā)生12次。TBD234V12柴油機(jī)為國產(chǎn)化機(jī)型，與其噴油泵傳動機(jī)構(gòu)匹配的噴油泵為國產(chǎn)PW2000泵。一、零部件拆檢情況對相關(guān)零部件進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)螺栓呈現(xiàn)不同程度的斷裂，如圖1所示;圖1斷裂的螺栓螺栓斷裂部分均留在傳動軸螺紋孔內(nèi)，如圖2所示。圖2留在軸孔中的斷裂螺栓對部分故障泵傳動軸進(jìn)行切割，切割后的泵傳動斷裂螺釘如圖3所示。圖3切割后的泵傳動斷裂螺釘二、初步排查1、螺栓對斷裂的螺栓進(jìn)行多次機(jī)械性能及化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果均滿足圖紙要求。為了確保檢測結(jié)論的準(zhǔn)確性，將斷裂的螺栓送至第三方機(jī)構(gòu)做機(jī)械性能及化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果滿足技術(shù)要求[2]。對所有故障螺栓的生產(chǎn)批次進(jìn)行逐一排查。排查結(jié)果顯示，螺栓各項機(jī)械性能及化學(xué)成分均滿足要求[3-4]。2、傳動機(jī)構(gòu)TBD234V12柴油機(jī)的噴油泵傳動機(jī)構(gòu)如圖4所示。圖4TBD234V12柴油機(jī)噴油泵傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖噴油泵傳動齒輪通過內(nèi)六角螺栓固定在驅(qū)動軸上，將齒輪系的扭矩傳遞給片式聯(lián)軸節(jié)，帶動噴油泵轉(zhuǎn)動供油。排查噴油泵傳動機(jī)構(gòu)主要零部件的加工質(zhì)量、技術(shù)狀態(tài)與過程控制，結(jié)果均滿足要求。三、噴油泵傳動機(jī)構(gòu)仿真分析1、有限元模型建立通過仿真軟件建立傳動機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸節(jié)及噴油泵軸的幾何模型，如圖5所示。圖5傳動機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸節(jié)及噴油泵軸幾何模型有限元模型采用自由網(wǎng)格劃分，最終得到的軸系有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。圖6軸系有限元網(wǎng)格模型2、模態(tài)計算與分析自由模態(tài)是指在不受任何內(nèi)外力作用，沒有任何約束限制，處于自由狀態(tài)下計算得到的模態(tài)，對其進(jìn)行分析可得出軸系結(jié)構(gòu)振動強(qiáng)弱分布以及抗振薄弱區(qū)。軸系各階自由模態(tài)固有頻率見表1。軸系各階模態(tài)對應(yīng)的振型如圖7。圖7軸系各階模態(tài)振型從圖7可以看出:前6階模態(tài)主要表現(xiàn)為軸系整體的剛性運動，整個軸系作為一個整體振動;從第7階模態(tài)開始表現(xiàn)為軸系各零件之間的相對關(guān)系，各階固有頻率為144.910~598.400Hz，遠(yuǎn)大于TBD234V12柴油機(jī)（額定轉(zhuǎn)速為1500r/min)的固有頻率（25Hz)。因此，系統(tǒng)不會發(fā)生共振。四、螺栓強(qiáng)度校核排查發(fā)現(xiàn)：自TBD234V12柴油機(jī)引進(jìn)以來，此噴油泵傳動機(jī)構(gòu)螺栓的扭緊力矩(85+5N·m)未做過更改。按照90N·m的擰緊力矩計算，螺栓應(yīng)力為1088．05MPa。螺栓基本參數(shù)如表2所示。據(jù)調(diào)查，螺栓布氏硬度HB要求為365~413,即洛氏硬度HRC為39~44。螺栓在調(diào)質(zhì)時其硬度值控制在合格范圍的上限，因此螺栓的實際屈服強(qiáng)度大于1100MPa。以上分析可知，螺栓強(qiáng)度不是導(dǎo)致故障的因素。五、噴油泵傳動機(jī)構(gòu)可靠系數(shù)計算噴油泵傳動機(jī)構(gòu)可靠系數(shù)指齒輪和傳動軸結(jié)合面的總摩擦力矩與實際驅(qū)動噴油泵所需力矩的比值。齒輪和傳動軸結(jié)合面的總摩擦力矩由螺栓預(yù)緊力F、螺栓數(shù)量和螺栓安裝孔距旋轉(zhuǎn)中心的距離d決定。TBD234進(jìn)口機(jī)型的噴油泵傳動機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)速小于2200r/min的機(jī)型時，匹配進(jìn)口P1000噴油泵;用于轉(zhuǎn)速大于2200r/min的機(jī)型時，匹配進(jìn)口P7100噴油泵。出現(xiàn)故障的國產(chǎn)化TBD234V12柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，因此，將其配套的國產(chǎn)PW2000噴油泵與進(jìn)口P1000噴油泵進(jìn)行對比分析。為對比分析進(jìn)口P1000噴油泵和國產(chǎn)PW2000噴油泵的驅(qū)動扭矩,在試驗臺上進(jìn)行相關(guān)測試，扭矩曲線如圖8、圖9所示。圖8進(jìn)口P1000噴油泵驅(qū)動扭矩曲線(750r／min)圖9國產(chǎn)PW2000噴油泵驅(qū)動扭矩曲線(750r／min)影響噴油泵傳動機(jī)構(gòu)整體可靠性的關(guān)鍵因素是驅(qū)動扭矩峰值。從測試數(shù)據(jù)可以看出：進(jìn)口P1000噴油泵的驅(qū)動扭矩峰值為241N·m，小于國產(chǎn)PW2000噴油泵的驅(qū)動扭矩峰值304N·m。兩種噴油泵傳動機(jī)構(gòu)對比如表3所示。從表3可知，采用國產(chǎn)PW2000噴油泵時，噴油泵傳動機(jī)構(gòu)的可靠系數(shù)偏低。調(diào)查顯示，國產(chǎn)PW2000噴油泵因故未基于進(jìn)口P1000噴油泵開發(fā)，而是基于進(jìn)口P7100噴油泵開發(fā)，兩者驅(qū)動扭矩值接近，如表4所示。進(jìn)口P7100噴油泵用于轉(zhuǎn)速2200r／min以上的TBD234柴油機(jī)，其噴油泵傳動機(jī)構(gòu)與進(jìn)口P1000噴油泵傳動機(jī)構(gòu)不同，具體如表5所示。對比計算PW2000噴油泵分別使用P1000噴油泵傳動機(jī)構(gòu)和P7100噴油泵傳動機(jī)構(gòu)時的可靠系數(shù)，結(jié)果顯示前者的可靠系數(shù)為1.68，后者的可靠系數(shù)為3.0。因此，進(jìn)口P7100噴油泵傳動機(jī)構(gòu)可靠系數(shù)較高，不應(yīng)是造成故障的原因。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn):2016年開展噴油泵國產(chǎn)化工作時，國產(chǎn)PW2000噴油泵雖是基于進(jìn)口P7100噴油泵開發(fā)的，但進(jìn)口P7100噴油泵有專用的噴油泵傳動機(jī)構(gòu)，開發(fā)人員未選擇專用的噴油泵傳動機(jī)構(gòu)，而是選擇了P1000噴油泵傳動機(jī)構(gòu)，從而導(dǎo)致噴油泵傳動機(jī)構(gòu)整體可靠系數(shù)偏低。六、整改措施針對故障原因制定了相應(yīng)的整改方案。因國