0 引言

柴油機的齒輪室一般布置在自由端或飛輪端，起到支撐、防護齒輪系的作用。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、噴油泵齒輪和機油泵齒輪。齒輪室一旦出現(xiàn)故障，柴油機齒輪系將無法工作。某柴油機在流刺網(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路譜對故障進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果對齒輪室進行了改進，并通過CAE仿真進行計算及優(yōu)化，有效地解決了柴油機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

某柴油機在流刺網(wǎng)漁船細分市場上運行至1000小時左右，齒輪室出現(xiàn)以下故障：齒輪室上固定傳動軸座的螺栓處裂紋，造成噴油泵傳動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的具體使用工況。據(jù)悉，該柴油機在某流刺網(wǎng)漁船上使用，船長33米、寬6.5米，設(shè)計吃水深度為2.3米，柴油機功率為620馬力，額定轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)。為了充分了解配套流刺網(wǎng)漁船的柴油機實際運行工況，對該船的作業(yè)情況進行了為期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：此工況柴油機處于怠速合排工況，為重點工況。為了保持航速和絞網(wǎng)速度相統(tǒng)一，合排/脫排頻繁，由于低速時機油壓力不穩(wěn)定，持續(xù)時間長，轉(zhuǎn)速突變頻繁；3)前往航區(qū)、返航工況：此工況為柴油機高速運行工況，占總運行時間約50%，柴油機基本運行在65%額定轉(zhuǎn)速，屬于正常推進工況。

如圖3所示的收網(wǎng)工況轉(zhuǎn)速-功率船譜曲線圖，柴油機頻繁經(jīng)受齒輪箱合排/脫排形成的大負荷突加和突減，頻次高達每13-27秒1次，持續(xù)3-4小時，工作環(huán)境非常惡劣，作用在噴油泵傳動軸上的交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不斷沖擊，對噴油泵傳動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

該機型的齒輪室和噴油泵傳動軸布置如圖5和圖6所示，噴油泵傳動軸軸承座安裝在齒輪室上，通過3顆螺栓固定，傳動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，噴油泵傳動軸軸承座容易在螺栓安裝孔處撕裂。

2.2 分析結(jié)論

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

3 改進措施

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)害防治項目實施進展相對滯后的實際情況，下階段，建議著重開展項目實施進展情況督查工作，市局在督查的同時，要選派相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，加強對各縣市區(qū)的項目管理業(yè)務(wù)指導(dǎo)工作，加快項目實施進度，確保在機構(gòu)改革時不拖后退、不留尾巴。

4 CAE仿真優(yōu)化

之后將傳動軸軸承座受的螺栓預(yù)緊力、油泵驅(qū)動齒輪傳遞于其上的軸向力和徑向力作用進行施加，各種力的大小均由齒輪動力學(xué)計算所得，各種力的明細如表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，對模型的各個零部件進行網(wǎng)格離散化處理，形成能夠進行計算的有限元網(wǎng)格模型。網(wǎng)格劃分的原則:1)重點關(guān)注的區(qū)域(倒角、圓角、螺紋孔以及加強筋和結(jié)構(gòu)過渡等易發(fā)生應(yīng)力集中區(qū)域)，其網(wǎng)格盡量細化；2)其他區(qū)域或部件，可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸；3)對接觸區(qū)域，盡量使用相同節(jié)點密度的網(wǎng)格，以達到容易收斂、提高計算精度的目的。結(jié)構(gòu)模型接觸關(guān)系的正確與否對靜動力學(xué)分析結(jié)果具有十分重要的影響，因此需要對每項接觸關(guān)系進行仔細檢查和修正。

根據(jù)齒輪室螺栓孔處裂紋的分析情況，需要對齒輪室傳動軸軸承座安裝位置壁厚進行加強，加強前后對比如圖7所示，將螺栓安裝孔外圓進行局部加厚3mm，同時將固定傳動軸軸承座的螺栓分布圓加大，將M10螺栓更改為M12，改進前后對比如圖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)同運用，以解析城市發(fā)展過程中與體育運動有關(guān)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)為出發(fā)點，構(gòu)建一套生態(tài)體育城市指標(biāo)體系，對不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行定量和定性研究，為同一類產(chǎn)品和項目進行比較分析，客觀界定生態(tài)體育城市發(fā)展和實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大眾體育運動的發(fā)展方向提供政策依據(jù)和行動指南。

通過CAE仿真計算方法，對齒輪室進行建模和仿真計算，利用計算機輔助求解分析齒輪室及噴油泵傳動軸的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，并根據(jù)計算結(jié)果找出齒輪室的薄弱點，提出改進和優(yōu)化的方向。

首先，成立高校經(jīng)費管理專門小組，并以推進科研活動發(fā)展及經(jīng)費管理精細化為雙重主導(dǎo)，組建專門的管理人員團隊。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)性與精細化要求，將財務(wù)管理負責(zé)人、科研活動負責(zé)人都納入管理團隊當(dāng)中，同時也要積極邀請這方面的專家學(xué)者共同參與管理，實現(xiàn)管理效能均衡，發(fā)揮管理團隊作用。

4.1 疲勞安全系數(shù)

此處齒輪室與傳動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，可以從以下兩個方向去進行改進加強。

通過計算，傳動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)計的放行指標(biāo)，小于1.1的情況需要試驗驗證及需要整改的方案。

4.2 改進及優(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，在對齒輪系材料進行更改后，我們對螺栓處的最小疲勞安全系數(shù)再一次進行了校核，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。

二是增加傳動軸軸承座螺栓數(shù)量，根據(jù)整機布置情況，發(fā)現(xiàn)傳動軸軸承座的固定螺栓僅有3個，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個增加為5個，如圖12所示。增加螺栓數(shù)量后，對螺栓處的最小疲勞安全系數(shù)再一次進行了仿真校核，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，其實就是善待自己。世間沒有一個人是孤島，我們無形中會跟許多人發(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)心也會變得溫?zé)?，你遇上急難，別人也會自然而然地幫助你，我們出門在外就有了基本的安全感。

5 試驗驗證和市場驗證

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

耐久完成后最終拆機，仔細檢查未發(fā)現(xiàn)齒輪室與傳動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)計變更滿足耐久條件下強度和疲勞等的技術(shù)要求。

之后向流刺網(wǎng)漁船細分市場投放了累計10臺套的改進后樣機，通過售后追蹤，目前終端用戶使用時長均超過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)動機的齒輪室裂紋故障為例，通過對柴油機實際使用工況測試，并對產(chǎn)生故障的原因進行分析，確定為流刺網(wǎng)漁船頻繁合排和脫排對噴油泵傳動軸和齒輪系的沖擊較大引起的齒輪室裂紋。針對該船的使用工況，提出了解決方案。通過CAE仿真計算，對修改方案進行了評估并提出了改進方向，最后對改進的方案進行了試驗驗證和市場驗證，齒輪室的全部區(qū)域滿足疲勞強度要求，故障得到封閉。

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