水下航行器发动机漏水故障的分析研究

张 涛 ， 黄凤军

（海军装备部，山西 侯马 043000）

0 引言

水下航行器能在水中自动推进，是依靠其动力推进系统的作用，而水下航行器动力推进系统是由能量供应系统、动力装置和推进器组成[1]。某水下航行器热动力装置是一种结构紧凑、体积小而质量轻的动力机械装置[2-3]，其中，凸轮发动机是热动力装置的主要组成部分，也是成功进行功率试验、实航试验的关键结构。凸轮发动机结构简单但机械运动较复杂，在功率试验、实航试验中易发生故障。一旦出现故障，机械性能可能损坏，严重时造成产品报废、沉雷等重大事故[4]。目前，国内很多学者对水下航行器热动力装置、发动机等进行了一系列故障分析。史小锋[5]、王红红等[6]综述了水下航行器热动力装置故障诊断技术的研究意义、研究现状，并提出了振动故障诊断的研究方案；靳登攀等[7]对水下航行器发动机汽缸套锈蚀的产生因素分4个方面进行了分析，并提出淬火时增加氮气浓度、增加电解抛光、实施双层镀镍等防锈蚀措施，可以减小水下航行器发动机的故障发生率；温秀峰等[8]分析得到了贮存环境中的温湿度因素对水下航行器发动机各部件失效的影响大小，预测出水下航行器发动机在各种环境因素下的失效模式。因此，为了提高水下航行器动力装置的可靠性，更好地具备远程精确的打击能力，就必须要求水下航行器发动机能够可靠地运行，降低故障发生的可能性。

水下航行器的动力装置在进行功率试验准备时，发现冷却水充填过程中，隔板和凸轮发动机主动齿轮之间有水漏出。一方面，该故障很有可能会造成凸轮发动机工作异常以致于损坏，进而直接造成经济损失；另一方面，不仅功率试验是检验水下航行器热动力装置性能的重要条件，而且水下航行器的化学燃料有害，属于危险工作，人员在准备功率试验时既费时又费力。因此，要尽可能保证准备功率试验时不出现故障异常，减少人员反复的拆装工作并且尽可能少地接触有害燃料。针对这一问题，本研究拟采用实验方法对该故障进行定位，详细分析故障成因并进行实验验证，最后提出改进措施以避免该故障再现。研究对固定螺钉的可靠性设计具有一定实际意义，也为工厂、部队等使用单位完善相应的技术工艺提供了必要依据。

1 故障原因分析

在冷却水充填过程中，凸轮发动机（包括主动齿轮）装配在隔板上，水经隔板流到主动齿轮上的冷却剂入口处，最后进入发动机水道内。故障发生时，冷却水从主动齿轮和隔板之间流出（图1），之后迅速拆卸凸轮发动机、主动齿轮等零部件，进行故障检查。

1.1 故障定位

如图2所示，主动齿轮和凸轮发动机通过5个固定螺钉连接[9]，螺钉上带有垫圈，固定螺钉和垫圈按图示依次编号（螺钉为小写字母，垫圈为大写字母）。为了准确定位故障发生的位置，设计了一套实验装置，主要有三角支架、压力试验台、精密压力表等，如图3所示。首先用固定螺钉将主动齿轮和凸轮发动机连接，然后将发动机固定在三角支架上，往主动齿轮的水道内倒入少许清水，用气瓶对发动机的气腔进行加压（加至0.15 MPa），通过观察气泡的位置来准确定位漏水的位置。实验流程如图4所示。

实验中发现b、e处固定螺钉有气泡出现，重新更换b、e处固定螺钉后，再进行气密检查，没有气泡泄漏现象。由此可知，故障位置发生在b、e两处，而此处密封是依靠固定螺钉挤压垫圈，垫圈挤压变形后对连接孔处起到了密封作用。因此，漏水故障是由于密封失效所引起，而影响该处密封的因素有3个，即垫圈、人员操作及固定螺钉。

图 1 机构示意图Fig.1 Structural scheme of mechanism

1.2 垫圈分析

从凸轮发动机上卸下5件垫圈，根据图纸资料，考察垫圈的硬度因素，结合故障现象对其表面外观、硬度进行检查，结果如表1所示。

从表1结果可以看出，5件垫圈外观没有明显的、贯穿的划痕等缺陷，其硬度实测值也符合GB/T 2059—2008中规定HV≤70的要求，可以暂时排除垫圈的影响因素。

图 2 发动机简图Fig.2 Schematic diagram of engine

图 3 实验装置图Fig.3 Diagram of experimental devices

图 4 实验流程图Fig.4 Flow diagram of experiment

表 1 垫圈测试结果Table 1 Gaskets test results

1.3 人员操作分析

本套凸轮发动机的操作人员工作经验丰富，对连接主动齿轮和发动机的固定螺钉进行了力矩对角递增拧紧，操作过程也严格按照工艺要求执行，而且实验也由同一人员进行操作，故人员操作影响因素的可能性十分微小，可以排除该因素。

1.4 固定螺钉分析

该固定螺钉是M8×16标准内六角螺钉[10]，按照GB/T 70.1—2000的规定，其主要尺寸为dk、k、t、l（图5），同时引用标准中要求的螺纹符合通止规检验以及螺纹垂直度满足要求。因此，对5件标准内六角螺钉的主要尺寸、通止规检验及垂直度进行检查，其测试结果如表2所示。

从表2可以看出，5件固定螺钉的主要尺寸均在标准范围内，螺纹也通过通止规测量，但螺钉b、e的螺纹母线与螺钉头部下端面的形位公差垂直度超差，超过国标规定的垂直度0.18（GB/T 3103.1—2016中规定该等级为A的内六角螺钉垂直度为0.18）。若将这2件固定螺钉连接主动齿轮和凸轮发动机后，由于螺钉的螺纹面和头部垂直度超差，致使垫圈被拧紧时受力不均匀，不能有效密封而产生局部泄漏，进而导致水下航行器动力装置功率试验准备过程中，冷却水充填时发生漏水故障。

图 5 固定螺钉示意图Fig.5 Illustration of set screw

1.5 实验验证

为了进一步验证以上所分析的故障原因，利用设计的实验装置进行如下4种工况的气密试验，如表3所示。

实验结果为：在工况一条件下，固定螺钉和垫圈均不进行更换，发现固定主动齿轮的b、e 螺钉处有少许气泡出现；在工况二条件下，更换b、e处的螺钉和B、E处垫圈，试验中b、e处没有气泡出现；在工况三条件下，更换b、e处的螺钉而B、E处垫圈不更换，试验中也无气泡出现；在工况四条件下，更换B、E处垫圈而b、e处的螺钉不更换，试验中b、e两处均有气泡出现。

对比工况二和工况三的实验结果，可以排除垫圈的影响因素；对比工况二和工况四的实验结果，可以看出漏水故障主要由螺钉引起。同时依据上述3个故障因素的分析可知，导致隔板和凸轮发动机主动齿轮之间有水漏出的原因是固定螺钉垂直度超出标准所致。

2 故障处理措施

为了及时解决故障，进一步提高功率试验的成功率，延长发动机的使用寿命，对固定螺钉的检验工序做出优化改进：1）在原有进厂复验技术条件基础上，增加对固定螺钉垂直度的要求，要求垂直度不低于0.18；2）对水下航行器产品上有类似工作环境的其他螺钉进行检查，并且将进厂复验技术条件也进行相应完善；3）要求生产厂家完善该类螺钉的技术条件，确保后续生产的螺钉符合标准要求；4）从已购螺钉产品中筛选出垂直度合格的固定螺钉并正常使用，其余不合格产品全部报废。

表 2 固定螺钉测试结果Table 2 Test results of set screws

表 3 气密试验的4种工况Table 3 Four conditions of air tight test

3 结论

1）水下航行器发动机在功率试验准备时漏水发生在隔板与凸轮发动机主动齿轮之间的固定螺钉连接处。

2）漏水故障是由于固定螺钉垂直度不符合标准而造成该处密封失效所致。

3）在技术条件中增加对固定螺钉垂直度的要求，垂直度不合格的固定螺钉全部报废。