某船減搖鰭搖臂斷裂故障分析

曾曉華，金 全，彭利坤，呂幫俊

(1.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430033;2.海軍青島裝備機動修理隊，山東青島 266011)

某船在小修期間，適逢減搖鰭油源和控制系統改裝，試航中未發現問題。第一次正常出海訓練中，風浪5級，由于風浪使船產生的橫搖影響船員的正常工作和設備的正常工作，為此啟動減搖鰭工作，船舶的平均殘余橫搖角度不大于3°，工作3 h后，在海況基本相同的情況下，船的橫搖加大且角度不均，控制系統顯示右后減搖鰭鰭角處于自由狀態、油源系統工作正常。經檢查為右后減搖鰭搖臂耳環與油缸活塞桿連接處斷裂，右后減搖鰭停止工作，實際只有3套減搖鰭正常工作。

1 減搖鰭搖臂受力分析

搖臂除開有銷孔和槽外，耳環與搖臂本體之間存在結構突變，因此存在應力集中σ1;由于搖臂與鰭軸為過渡配合，因此在安裝維修時還會產生安裝動應力σ2

［1］;如圖1所示，在油缸驅動搖臂帶著鰭轉動的過程中，搖臂與驅動油缸活塞桿結合部會產生交變應力σ3;當油缸運動超限時，驅動油缸帶著搖臂撞擊機械限位塊產生沖擊應力σ4。

圖1 減搖鰭傳動機構示意圖

2 原因分析

2.1 結構缺陷產生應力集中

搖臂在靠近耳環處結構發生突變，而在結構突變處就會產生應力集中，應力集中的存在，對于塑性材料承受靜載荷的能力沒有什么影響。而鑄鐵對應力集中也并不敏感，但在交變應力作用下的構件，疲勞裂紋總是從構件內應力最大處首先形成，有應力集中的構件，局部應力很大，在較低的動載荷下出現疲勞裂紋，從而發生疲勞損壞。

2.2 維修保養產生動應力

1)減搖鰭維修時，機械部分的鰭軸與搖臂應分解保養，而鰭軸與搖臂通過鍵進行過渡配合，如果不施以輔助手段直接拆解，則用50 t的液壓千斤頂也難以分解。從拆下的搖臂上留有大錘印痕說明，在以前的裝拆過程中，曾經使用大錘對搖臂進行過敲擊，每次大錘對搖臂的碰撞所產生的沖擊載荷能使搖臂內的應力較之靜載荷應力大幾倍甚至幾十倍，這種由動力效應引起的載荷稱為動載荷，在動載荷作用下構件內所產生的應力稱為動應力，當動應力達到一定數量級時，構件就會產生裂紋。

2)在實際的裝配過程中，因為減搖鰭的基座與水平面有一定的夾角，而且鰭座蓋板將搖臂、油缸的大部分遮蓋，油缸活塞桿聯軸節與搖臂耳環連接時很難準確對正裝配，因此每次裝拆時難免對搖臂耳環等進行敲擊、撬動，這樣都會使搖臂產生動應力而加速裂紋的產生。

2.3 運動超限產生動應力

1)機械限位塊是限制搖臂在一定角度內轉動，當驅動油缸運動超限時，就會帶著搖臂一起撞向限位塊產生動應力，因此，每次維修調試期間，一定要控制驅動油缸的運動幅度，使搖臂在規定的角度內轉動，避免搖臂撞擊機械限位塊產生動應力，影響搖臂的使用壽命。

2)平時工作中，一旦控制系統失靈，驅動油缸運動超限時，搖臂會隨著驅動油缸一起撞擊機械限位塊產生動應力而影響搖臂的使用壽命，嚴重時使搖臂產生裂紋甚至斷裂。一般來說，短時間、小量過載不能引發材料內部裂紋的產生或發展，對材料的疲勞極限也沒有什么影響，但長時間、多次發生撞擊，將會降低材料的疲勞極限，甚至產生裂紋并不斷發展直至最后斷裂的嚴重事故。

2.4 疲勞損傷

從圖1可知，鰭軸通過滑鍵與搖臂連接，搖臂兩端通過柱銷與轉鰭油缸的活塞桿連接，系統通過控制油缸的運動來驅動鰭軸轉動，為了限制最大鰭角不超出允許范圍，設有機械限位和電液限位機構。當減搖鰭正常工作時，驅動油缸通過搖臂、鰭軸帶動舷外的鰭不斷轉動，以產生足夠的穩定力矩去反抗波浪力矩。在此情況下，搖臂上各點 (除中性層)的應力將隨時間做周期性的改變。更為嚴重的是大海中的風浪變化是無規則的，當更大的風浪來襲時，風浪對鰭的作用力通過鰭軸傳給搖臂，而油源則會給油缸提供足夠的反作用力來保持鰭的平衡，此時在搖臂與油缸活塞桿交接處就會產生沖擊力，在交變應力和不規則的沖擊力作用下，搖臂中應力最大處或材料有缺陷的地方就會產生很細的裂紋，在交變應力的反復作用下導致裂紋的擴展，裂紋兩邊的材料在交變正應力作用下時而分離，時而壓緊，在交變剪應力作用下時而正向，時而反向地相互錯動。經過長期運轉，隨著裂紋的不斷擴展，有效截面不斷減小，當截面削弱到一定程度時，在偶然的震動和沖擊下，搖臂突然斷裂。

3 應對措施

1)改進設計，改進后的搖臂耳環與搖臂中心圓柱體之間采用整體平直結構，從設計制造上避免構件產生應力集中。

2)在拆裝減搖鰭過程中，對于那些過渡配合、過盈配合等結構件一定要采取正確的拆解方法，即首先對構件進行加熱，對于一般鑄鐵構件加熱至500～600℃，兩構件由過渡配合或過盈配合變成間隙配合后即可進行正常的裝配或分解。

3)控制油缸超限運動的時間和次數。

4)該減搖鰭已經服役20多年，搖臂長期在交變應力條件下工作，其間經過多次檢修，但對其機構均沒有探傷檢查報告，因此建議在修理中，加強對鰭軸、搖臂等重要零部件的探傷檢查，盡早發現構件疲勞損傷。

4 結束語

通過以上分析可知，減搖鰭搖臂斷裂故障發生的原因是多方面的，除設計方面有一定的缺陷外，檢修、安裝、維護保養減搖鰭操作不規范，特別是對使用已久的構件應用多種儀器設備進行科學的檢查也是必不可少的。因此減搖鰭正常工作的關鍵是優化機械構件的設計，加強維修保養人員的技術培訓，規范設備檢修操作程序和制度，同時建議船方加強使用管理，合理操作。

［1］單輝祖，謝傳峰.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.