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，是依靠其動力推進系統(tǒng)的作用，而水下航行器動力推進系統(tǒng)是由能量供應(yīng)系統(tǒng)、動力裝置和推進器組成[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)量輕的動力機械裝置[2-3]，其中，凸輪發(fā)動機是熱動力裝置的主要組成部分，也是成功進行功率試驗、實航試驗的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。凸輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單但機械運動較復(fù)雜，在功率試驗、實航試驗中易發(fā)生故障。一旦出現(xiàn)故障，機械性能可能損壞，嚴重時造成產(chǎn)品報廢、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)動機等進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)動機汽缸套銹蝕的產(chǎn)生因素分4個方面進行了分析，并提出淬火時增加氮氣濃度、增加電解拋光、實施雙層鍍鎳等防銹蝕措施，可以減小水下航行器發(fā)動機的故障發(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)動機各部件失效的影響大小，預(yù)測出水下航行器發(fā)動機在各種環(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，更好地具備遠程精確的打擊能力，就必須要求水下航行器發(fā)動機能夠可靠地運行，降低故障發(fā)生的可能性。

水下航行器的動力裝置在進行功率試驗準(zhǔn)備時，發(fā)現(xiàn)冷卻水充填過程中，隔板和凸輪發(fā)動機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)動機工作異常以致于損壞，進而直接造成經(jīng)濟損失；另一方面，不僅功率試驗是檢驗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，屬于危險工作，人員在準(zhǔn)備功率試驗時既費時又費力。因此，要盡可能保證準(zhǔn)備功率試驗時不出現(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，本研究擬采用實驗方法對該故障進行定位，詳細分析故障成因并進行實驗驗證，最后提出改進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)計具有一定實際意義，也為工廠、部隊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（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，最后進入發(fā)動機水道內(nèi)。故障發(fā)生時，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、主動齒輪等零部件，進行故障檢查。

1.1 故障定位

如圖2所示，主動齒輪和凸輪發(fā)動機通過5個固定螺釘連接[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)計了一套實驗裝置，主要有三角支架、壓力試驗臺、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)動機連接，然后將發(fā)動機固定在三角支架上，往主動齒輪的水道內(nèi)倒入少許清水，用氣瓶對發(fā)動機的氣腔進行加壓（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。實驗流程如圖4所示。

實驗中發(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，即墊圈、人員操作及固定螺釘。

圖 1 機構(gòu)示意圖Fig.1 Structural scheme of mechanism

1.2 墊圈分析

從凸輪發(fā)動機上卸下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，其硬度實測值也符合GB/T 2059—2008中規(guī)定HV≤70的要求，可以暫時排除墊圈的影響因素。

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

圖 3 實驗裝置圖Fig.3 Diagram of experimental devices

圖 4 實驗流程圖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)動機的操作人員工作經(jīng)驗豐富，對連接主動齒輪和發(fā)動機的固定螺釘進行了力矩對角遞增擰緊，操作過程也嚴格按照工藝要求執(zhí)行，而且實驗也由同一人員進行操作，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），同時引用標(biāo)準(zhǔn)中要求的螺紋符合通止規(guī)檢驗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叽纭⑼ㄖ挂?guī)檢驗及垂直度進行檢查，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，致使墊圈被擰緊時受力不均勻，不能有效密封而產(chǎn)生局部泄漏，進而導(dǎo)致水下航行器動力裝置功率試驗準(zhǔn)備過程中，冷卻水充填時發(fā)生漏水故障。

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

1.5 實驗驗證

為了進一步驗證以上所分析的故障原因，利用設(shè)計的實驗裝置進行如下4種工況的氣密試驗，如表3所示。

實驗結(jié)果為：在工況一條件下，固定螺釘和墊圈均不進行更換，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，試驗中b、e兩處均有氣泡出現(xiàn)。

對比工況二和工況三的實驗結(jié)果，可以排除墊圈的影響因素；對比工況二和工況四的實驗結(jié)果，可以看出漏水故障主要由螺釘引起。同時依據(jù)上述3個故障因素的分析可知，導(dǎo)致隔板和凸輪發(fā)動機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

為了及時解決故障，進一步提高功率試驗的成功率，延長發(fā)動機的使用壽命，對固定螺釘?shù)臋z驗工序做出優(yōu)化改進：1）在原有進廠復(fù)驗技術(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)境的其他螺釘進行檢查，并且將進廠復(fù)驗技術(shù)條件也進行相應(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)動機在功率試驗準(zhǔn)備時漏水發(fā)生在隔板與凸輪發(fā)動機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廢。