某柴油機輔助驅動系統失效分析

李陽 韓麗麗 趙允昊 尹建 趙維學

摘要： 針對公司某柴油機在工業性試驗中出現風扇脫落、風扇固定螺栓斷裂、風扇軸承損壞、磁電機漲緊輪固定螺栓斷裂、皮帶異常磨損等故障，從裝配工藝、輪系設計、結構設計等方面進行分析，并制定解決方案。分析結果表明，優化輪系結構，減小皮帶傳動系統的整體振動，改進風扇支架結構，制定合理的裝配工藝，能有效提高輔助驅動系統的可靠性，進而提高整機可靠性。

Abstract： In view of the failures of a diesel engine in the industrial test， such as fan falling off， fan fixing bolt fracture， fan bearing damage， magneto tension-wheel fixing bolt fracture， belt abnormal wear， etc.， this paper analyzes the assembly process， gear train design， structural design and other aspects， and makes solutions. The results show that the reliability of the auxiliary drive system can be improved effectively by optimizing the gear train structure， reducing the overall vibration of the belt drive system， improving the fan support structure and formulating reasonable assembly process.

關鍵詞： 柴油機;輔助系統;失效分析

Key words： diesel engine;auxiliary system;failure analysis

中圖分類號：U664.121.3? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ?? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0072-02

0? 引言

柴油機輔助驅動系統工作原理為，以柴油機曲軸輸出的扭矩為動力源，通過多楔帶摩擦力傳遞扭矩到達各個附件，帶動附件運行來保證柴油機整機正常工作。常見的附件包括風扇帶輪、發電機帶輪、自動漲緊輪和減振器帶輪。柴油機輔助驅動系統通過多楔帶驅動，關鍵是依靠自動調節張緊力的漲緊輪。柴油機輔助系統設計如圖1所示，系統分為兩套漲緊輪系，一套是由固定在主軸上的小皮帶輪通過漲緊輪系統帶動風扇支架皮帶輪，使其風扇按照設定轉速旋轉，對散熱器進行冷卻;另一套是由固定在主軸上的大皮帶輪通過漲緊系統帶動磁電機及空壓機。因此輔助系統的可靠性直接影響柴油機的正常運行。

1? 故障現象

1.1 風扇支架脫落及損壞光? 柴油發電機組現場運行時，發動機前端皮帶傳動系統整體振動較大，風扇皮帶晃動，有皮帶摩擦的聲音，風扇支架前端的皮帶輪下垂。多次出現風扇支架脫落，受拉伸力的兩個上方固定螺栓斷裂，下方一個螺栓脫落;風扇支架上的軸承出現損壞、脫落等故障。

1.2 磁電機磁電機漲緊輪螺栓斷裂? 柴油發電機組運行中，多次出現磁電機漲輪螺栓斷裂斷裂情況。

1.3 風扇皮帶異常磨損? 風扇皮帶磨損過快，部分皮帶僅100多小時就因過度延伸而需更換。

2? 故障分析

2.1 系統設計分析? 風扇輪系的靜態與動態計算結果表明：按初始的輪系布置位置，計算得到曲軸到風扇皮帶段對齊度最高要求為0.95mm，非常嚴格，在裝配時很難達到此要求。若輪系裝配對齊度超標，則會產生輪系振動過大，引起噪音、皮帶偏磨、皮帶磨損過快等一系列問題，因此對此輪系進行了重新設計。經過計算新的設計布局下，皮帶張力穩定性較好，系統振動較小;采用10PK聚酯皮帶，皮帶延伸率控制≤1%，皮帶設計初張力600N，皮帶有效驅動長度1113.52mm;漲緊輪輪名義工作扭矩39.72N·m;曲軸到風扇皮帶段對齊度要求最高偏差為1.42mm，裝配時較易控制。新輪系的動態布局結果：附件帶輪滑差率設計目標值≤2%，滿足要求;張緊輪搖臂抖動設計目標值≤5°，滿足要求;各帶輪皮帶段抖動段設計目標值≤10%，滿足要求。

2.2 皮帶傳動系統零部件設計可靠性不足? 柴油機運行過程中，即使我們優化了發動機的減振系統，優化了皮帶傳動系統輪系的設計，但一定程度的振動是不可避免的，因此皮帶傳動系統各零部件的設計一定要滿足抗振的可靠性要求。

2.2.1 風扇支架? 風扇支架的初始設計為三螺栓設計，上二下一。在發動機運行過程中受振動影響，上端固定螺栓受拉伸力，導致螺栓產生塑性變形，最終導致螺栓斷裂，支架脫落。通過對零部件的疲勞受力分析，螺栓計算等方法，更改了支架的結構，將其改為五螺栓結構，可有效提高風扇支架安裝的可靠性。

2.2.2 滾動軸承? 初始設計使用的是風扇支架常規雙列球軸承，其所受徑向承載能力較差，抗振動能力差，且去要長期潤滑維護。軸承內部潤滑脂失效，也會造成轉動異常，軸承損壞。更改為“二柱一球”軸連軸承，軸承兩端滾柱列承載全部徑向負載，中間鋼球列定位軸與外圈的相對位置，鋼球列只承載軸向負載，有效解決了風扇支架軸承早期損壞的問題，提高了軸承的使用壽命。且殼體加工簡單，只需一個圓柱孔，軸向定位方便。裝配工序簡單，只需壓入、定位即可，無需考慮潤滑等問題。

2.3 皮帶長度因素? 柴油機裝配過程中，皮帶的長度不一，差別較大，皮帶過長會造成初始裝配時，自動漲緊輪已到達或接近限位位置，使得皮帶的漲緊力不足，延伸率極小，大大影響了皮帶壽命。皮帶首次安裝，限位塊在較短的運行時間后就到了限位位置。皮帶在安裝運行后40-50小時內，會由于線繩的彈性而自動延伸，最大不會超過1%，而到達這個限值后，皮帶將在很長時間內不再延伸，直到因皮帶磨損造成皮帶變薄，造成皮帶長度再次增加。因此在設計輪系時要充分考慮皮帶的延伸率，在皮帶最大延伸后，限位塊仍要與限位位置保有一定的距離。皮帶長度比理論尺寸過長，也會造成皮帶剛裝上時立即達到漲緊輪的限位位置。經檢測，皮帶是按照GB13552生產的，但是國標的公差帶要求過松，不滿足我們的使用要求。風扇輪系皮帶長度1113mm，公差帶±6mm;磁電機輪系和氣體機水泵輪系分別為1517mm和1519mm，公差帶±8mm;如果按照上限生產，換算到我們的輪系上，大概要使輪系變化6-8°，而風扇輪系設計時從工作位置到自由臂位置一共18°，這樣一裝上就有可能接近限位位置。因此皮帶長度需要嚴格控制，1113mm皮帶公差帶±3mm，1517mm和1519mm皮帶公差帶±4mm。

2.4 總裝技術要求? 輪系裝配對齊度超標，則會產生輪系振動過大，引起噪音、皮帶偏磨、皮帶磨損過快等一系列問題，因此對齊度的檢測非常重要。

3? 結論

經過優化輪系結構，減小皮帶傳動系統的整體振動，改進風扇支架結構，制定合理的裝配工藝后，在現場工業型試驗中，沒有再發生風扇支架脫落、漲緊輪固定螺栓斷裂、漲緊輪脫落等故障，皮帶壽命由200h提高到2000h，提高了整機可靠性。

參考文獻：

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