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(xué)動力工程學(xué)院，湖北武漢 430033;2.海軍青島裝備機(jī)動修理隊(duì)，山東青島 266011)

某船在小修期間，適逢減搖鰭油源和控制系統(tǒng)改裝，試航中未發(fā)現(xiàn)問題。第一次正常出海訓(xùn)練中，風(fēng)浪5級，由于風(fēng)浪使船產(chǎn)生的橫搖影響船員的正常工作和設(shè)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(tǒng)顯示右后減搖鰭鰭角處于自由狀態(tài)、油源系統(tǒng)工作正常。經(jīng)檢查為右后減搖鰭搖臂耳環(huán)與油缸活塞桿連接處斷裂，右后減搖鰭停止工作，實(shí)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(huán)與搖臂本體之間存在結(jié)構(gòu)突變，因此存在應(yīng)力集中σ1;由于搖臂與鰭軸為過渡配合，因此在安裝維修時(shí)還會產(chǎn)生安裝動應(yīng)力σ2

［1］;如圖1所示，在油缸驅(qū)動搖臂帶著鰭轉(zhuǎn)動的過程中，搖臂與驅(qū)動油缸活塞桿結(jié)合部會產(chǎn)生交變應(yīng)力σ3;當(dāng)油缸運(yùn)動超限時(shí)，驅(qū)動油缸帶著搖臂撞擊機(jī)械限位塊產(chǎn)生沖擊應(yīng)力σ4。

圖1 減搖鰭傳動機(jī)構(gòu)示意圖

2 原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中

搖臂在靠近耳環(huán)處結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，而在結(jié)構(gòu)突變處就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)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(yīng)力集中也并不敏感，但在交變應(yīng)力作用下的構(gòu)件，疲勞裂紋總是從構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力最大處首先形成，有應(yīng)力集中的構(gòu)件，局部應(yīng)力很大，在較低的動載荷下出現(xiàn)疲勞裂紋，從而發(fā)生疲勞損壞。

2.2 維修保養(yǎng)產(chǎn)生動應(yīng)力

1)減搖鰭維修時(shí)，機(jī)械部分的鰭軸與搖臂應(yīng)分解保養(yǎng)，而鰭軸與搖臂通過鍵進(jìn)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(jīng)使用大錘對搖臂進(jìn)行過敲擊，每次大錘對搖臂的碰撞所產(chǎn)生的沖擊載荷能使搖臂內(nèi)的應(yīng)力較之靜載荷應(yīng)力大幾倍甚至幾十倍，這種由動力效應(yīng)引起的載荷稱為動載荷，在動載荷作用下構(gòu)件內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為動應(yīng)力，當(dāng)動應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)量級時(shí)，構(gòu)件就會產(chǎn)生裂紋。

2)在實(shí)際的裝配過程中，因?yàn)闇p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(lián)軸節(jié)與搖臂耳環(huán)連接時(shí)很難準(zhǔn)確對正裝配，因此每次裝拆時(shí)難免對搖臂耳環(huán)等進(jìn)行敲擊、撬動，這樣都會使搖臂產(chǎn)生動應(yīng)力而加速裂紋的產(chǎn)生。

2.3 運(yùn)動超限產(chǎn)生動應(yīng)力

1)機(jī)械限位塊是限制搖臂在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，當(dāng)驅(qū)動油缸運(yùn)動超限時(shí)，就會帶著搖臂一起撞向限位塊產(chǎn)生動應(yīng)力，因此，每次維修調(diào)試期間，一定要控制驅(qū)動油缸的運(yùn)動幅度，使搖臂在規(guī)定的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，避免搖臂撞擊機(jī)械限位塊產(chǎn)生動應(yīng)力，影響搖臂的使用壽命。

2)平時(shí)工作中，一旦控制系統(tǒng)失靈，驅(qū)動油缸運(yùn)動超限時(shí)，搖臂會隨著驅(qū)動油缸一起撞擊機(jī)械限位塊產(chǎn)生動應(yīng)力而影響搖臂的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)使搖臂產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。一般來說，短時(shí)間、小量過載不能引發(fā)材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生或發(fā)展，對材料的疲勞極限也沒有什么影響，但長時(shí)間、多次發(fā)生撞擊，將會降低材料的疲勞極限，甚至產(chǎn)生裂紋并不斷發(fā)展直至最后斷裂的嚴(yán)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(zhuǎn)鰭油缸的活塞桿連接，系統(tǒng)通過控制油缸的運(yùn)動來驅(qū)動鰭軸轉(zhuǎn)動，為了限制最大鰭角不超出允許范圍，設(shè)有機(jī)械限位和電液限位機(jī)構(gòu)。當(dāng)減搖鰭正常工作時(shí)，驅(qū)動油缸通過搖臂、鰭軸帶動舷外的鰭不斷轉(zhuǎn)動，以產(chǎn)生足夠的穩(wěn)定力矩去反抗波浪力矩。在此情況下，搖臂上各點(diǎn) (除中性層)的應(yīng)力將隨時(shí)間做周期性的改變。更為嚴(yán)重的是大海中的風(fēng)浪變化是無規(guī)則的，當(dāng)更大的風(fēng)浪來襲時(shí)，風(fēng)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(shí)在搖臂與油缸活塞桿交接處就會產(chǎn)生沖擊力，在交變應(yīng)力和不規(guī)則的沖擊力作用下，搖臂中應(yīng)力最大處或材料有缺陷的地方就會產(chǎn)生很細(xì)的裂紋，在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，裂紋兩邊的材料在交變正應(yīng)力作用下時(shí)而分離，時(shí)而壓緊，在交變剪應(yīng)力作用下時(shí)而正向，時(shí)而反向地相互錯(cuò)動。經(jīng)過長期運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，有效截面不斷減小，當(dāng)截面削弱到一定程度時(shí)，在偶然的震動和沖擊下，搖臂突然斷裂。

3 應(yīng)對措施

1)改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的搖臂耳環(huán)與搖臂中心圓柱體之間采用整體平直結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)制造上避免構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)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(jié)構(gòu)件一定要采取正確的拆解方法，即首先對構(gòu)件進(jìn)行加熱，對于一般鑄鐵構(gòu)件加熱至500～600℃，兩構(gòu)件由過渡配合或過盈配合變成間隙配合后即可進(jìn)行正常的裝配或分解。

3)控制油缸超限運(yùn)動的時(shí)間和次數(shù)。

4)該減搖鰭已經(jīng)服役20多年，搖臂長期在交變應(yīng)力條件下工作，其間經(jīng)過多次檢修，但對其機(jī)構(gòu)均沒有探傷檢查報(bào)告，因此建議在修理中，加強(qiáng)對鰭軸、搖臂等重要零部件的探傷檢查，盡早發(fā)現(xiàn)構(gòu)件疲勞損傷。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知，減搖鰭搖臂斷裂故障發(fā)生的原因是多方面的，除設(shè)計(jì)方面有一定的缺陷外，檢修、安裝、維護(hù)保養(yǎng)減搖鰭操作不規(guī)范，特別是對使用已久的構(gòu)件應(yīng)用多種儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的檢查也是必不可少的。因此減搖鰭正常工作的關(guān)鍵是優(yōu)化機(jī)械構(gòu)件的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)維修保養(yǎng)人員的技術(shù)培訓(xùn)，規(guī)范設(shè)備檢修操作程序和制度，同時(shí)建議船方加強(qiáng)使用管理，合理操作。

［1］單輝祖，謝傳峰.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.