王明峰

(廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725)

技術(shù)交流

船舶柴油機(jī)燃油凸輪故障分析

王明峰

(廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725)

凸輪機(jī)構(gòu)在船舶柴油機(jī)中起著重要作用，文章從某船舶副機(jī)發(fā)生的一起故障引入，介紹了船舶柴油機(jī)凸輪常見(jiàn)故障產(chǎn)生的原因及預(yù)防策略進(jìn)行闡述，并對(duì)本次故障進(jìn)行分析解決，為以后同類故障的檢測(cè)與解決提供參考。

船舶柴油機(jī)；燃油凸輪；故障

某船于2012年3月12日下水，在2015年5月11日上午從南非滿載至臺(tái)灣途中，由于大副需要更換壓載水而要啟動(dòng)壓載泵，于是當(dāng)班輪機(jī)員按照程序啟動(dòng)了備用的2#發(fā)電動(dòng)機(jī)組并正常并入電網(wǎng)系統(tǒng)。在運(yùn)行了一段時(shí)間后，該輪機(jī)員在機(jī)艙巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的2#副機(jī)的No.1和No.4缸排氣溫度偏高，比其他缸高出約65 ℃和70 ℃左右。本船的船舶副機(jī)是日本產(chǎn)YANMAR M220L-UX型柴油機(jī)，主要參數(shù)為6缸、汽缸直徑220 mm、行程260 mm、額定功率530 kW，采用傳統(tǒng)缸頭啟動(dòng)閥，配置有ABB VTR161-2系列廢氣增壓器。當(dāng)班輪機(jī)員將該情況告知主管輪機(jī)員二管輪，二管輪經(jīng)過(guò)外觀檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，于是就在常用負(fù)荷下將No.1和No.4缸的供油齒條進(jìn)行了調(diào)整，使得2個(gè)缸排氣溫度與其他缸基本持平。

當(dāng)天下午大副換水完畢，通知機(jī)艙停壓載泵后，二管輪按照卸載程序?qū)?#發(fā)電動(dòng)機(jī)組解列，并運(yùn)行約10 min后準(zhǔn)備停車時(shí)，二管輪發(fā)現(xiàn)No.1和No.4缸排氣溫度再次偏高。這現(xiàn)象引起了二管輪的注意，他停車后進(jìn)行了詳細(xì)檢查，各缸油頭剛剛檢驗(yàn)調(diào)整沒(méi)多久、各燃油系統(tǒng)也沒(méi)有問(wèn)題，可是在檢查洗清滑油濾器的時(shí)候發(fā)現(xiàn)濾芯上附有明顯的鐵屑，這也引起了輪機(jī)長(zhǎng)的注意，于是打開(kāi)曲軸箱道門(mén)并經(jīng)過(guò)一些列仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)No.1和No.4缸的燃油凸輪有明顯磨損現(xiàn)象。

1 船舶柴油機(jī)中凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著船舶柴油機(jī)功率的不斷提高，噴油泵的循環(huán)供油量相應(yīng)增加，為了改善燃燒過(guò)程和供油規(guī)律以保證良好的經(jīng)濟(jì)性，需要燃油噴射系統(tǒng)在較短的時(shí)間內(nèi)噴入汽缸，因此，目前柴油機(jī)的噴油泵的柱塞直徑不斷增加，同時(shí)，平均有效壓力Pe、爆發(fā)壓力Pz也隨之提高，造成燃油凸輪的接觸應(yīng)力大大提高；另一方面為了排氣能量的充分利用和改善缸內(nèi)工作循環(huán)的熱效率，采用了大張角的排氣凸輪，這意味著排氣凸輪承受的工作負(fù)載的作用時(shí)間延長(zhǎng)，造成凸輪對(duì)外界因素(例如滑油清潔度等)十分敏感，對(duì)滾輪、滾輪襯套、凸輪的材料和表面質(zhì)量、零件的加工尺寸控制、安裝的準(zhǔn)確性等的影響也十分嚴(yán)重。

在機(jī)械傳動(dòng)中凸輪機(jī)構(gòu)隸屬于高副機(jī)構(gòu)，其凸輪部件常作連續(xù)的等速轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)其工作規(guī)律可知，由于凸輪輪廓與從動(dòng)件之間為點(diǎn)接觸或線接觸，這就造成其容易磨損的特點(diǎn)，所以凸輪機(jī)構(gòu)多用于傳動(dòng)力不太大的控制機(jī)構(gòu)中。

在柴油機(jī)中，凸輪機(jī)構(gòu)是重要的定時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要用于進(jìn)、排氣閥的啟閉、噴油泵和空氣分配器的驅(qū)動(dòng)等方面。凸輪在頂動(dòng)滾輪或從動(dòng)件過(guò)程中，由于點(diǎn)接觸或線接觸導(dǎo)致其工作表面上產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力以及摩擦磨損，當(dāng)接觸應(yīng)力過(guò)高時(shí)其工作面會(huì)發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生麻點(diǎn)或金屬剝落現(xiàn)象。柴油機(jī)在平臺(tái)試車、出海試驗(yàn)投入運(yùn)行期間時(shí)有發(fā)生燃油凸輪或排氣凸輪咬毛等故障情況，直接影響整機(jī)運(yùn)行的可靠性。燃油凸輪機(jī)構(gòu)如果磨損嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致高壓油泵中柱塞的升程改變，從而嚴(yán)重影響供油正時(shí)的改變，主要表現(xiàn)在供油時(shí)間縮短、正時(shí)延遲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致排氣高溫，而進(jìn)排氣凸輪磨損會(huì)改變進(jìn)排氣正時(shí)改變，使進(jìn)排氣閥晚開(kāi)早關(guān)，具體的現(xiàn)象表現(xiàn)為排氣溫度升高，這些結(jié)果會(huì)嚴(yán)重影響柴油機(jī)的工作性能。

1.1 燃油凸輪

在柱塞泵式燃油系統(tǒng)中，如圖1所示，噴油泵又稱高壓油泵，是燃油系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部件。噴油泵的功用是使燃油產(chǎn)生高壓，并根據(jù)柴油機(jī)工況的要求，將一定量的燃油在準(zhǔn)確時(shí)間內(nèi)將燃油噴入燃燒室，噴油泵的供油量應(yīng)滿足柴油機(jī)在各種工況下的需要，即負(fù)荷大時(shí)，供油量增多；負(fù)荷小時(shí)，供油量減少。

圖1 典型柱塞泵式噴射系統(tǒng)

同時(shí)還要保證各缸的供油量均勻相等。而根據(jù)柴油機(jī)的要求，噴油泵要保證各缸的供油時(shí)刻相同，即各缸供油提前角應(yīng)相同，而且供油應(yīng)迅速開(kāi)始，停油應(yīng)迅速結(jié)束，避免滴漏現(xiàn)象，其中對(duì)噴油規(guī)律和定時(shí)起決定性因素的就是圖2中的凸輪，整體式凸輪軸，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體式凸輪軸

當(dāng)高壓油泵底部襯套高負(fù)載時(shí)，此時(shí)燃油凸輪與排氣方面承受的負(fù)載相比較持續(xù)時(shí)間比較短。當(dāng)活塞上行至近壓縮終點(diǎn)時(shí)，燃油霧化和高壓氣體混合膨脹作功時(shí)，其高壓油管壓力達(dá)0.7～80.0 MPa(7～800 bar)左右，時(shí)間較短而負(fù)載較大，這樣甚至可能被壓塌。但是由于高負(fù)載時(shí)間持續(xù)較短，故油膜厚度相對(duì)于排氣凸輪要厚些。

1.2 排氣凸輪

負(fù)載比燃油方面小，但由于排氣閥彈簧的作用，使其負(fù)載在一段較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持高的狀態(tài)，而開(kāi)啟的角度為約140°曲軸轉(zhuǎn)角(4沖程柴油機(jī))，因此排氣凸輪處的油膜厚度降低，并且產(chǎn)生較多摩擦熱量，故對(duì)其污染的滑油的敏感程度就大于燃油方面。正因?yàn)槿绱伺艢馔馆喴母怕时热加屯馆喐摺?/p>

2 船舶柴油機(jī)燃油凸輪、排氣凸輪故障產(chǎn)生的原因及對(duì)策

2.1 滑油系統(tǒng)清潔度

造成滑油系統(tǒng)臟污的原因主要是噴油泵和排氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的潤(rùn)滑系統(tǒng)、管路系統(tǒng)及滑油本身的清潔度等因素引起。大多數(shù)情況下由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零件在制造過(guò)程中含有鑄件型砂、加工零件毛刺等，在使用過(guò)程中細(xì)鐵屑落下形成磨粒磨損，同時(shí)各滑油管路系統(tǒng)及管子接頭和閥件等內(nèi)腔的焊渣、沙粒、雜質(zhì)及加油時(shí)外界雜物進(jìn)入滑油內(nèi)，也會(huì)直接造成燃油、排氣凸輪的咬毛，這就要求滑油系統(tǒng)的所有零件及附屬設(shè)備必須在安裝時(shí)清除內(nèi)部的焊渣、沙粒、雜質(zhì)、型砂等工藝雜物和外來(lái)塵埃、臟物進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。而在每次更換油底殼滑油后，在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)前，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的預(yù)沖洗程序，以確?；拖到y(tǒng)的清潔度，一定要做到油路通暢、零件清潔、修妥毛刺和去除型砂鐵屑等，同時(shí)保持油池清潔，濾器正常工作，并使用符合黏度性能要求的滑油。

2.2 油路暢通

油孔對(duì)齊，仔細(xì)防止回絲、紙團(tuán)等塞住油孔。

2.3 滾輪形狀和表面質(zhì)量

由于滾輪與凸輪的接觸特性，導(dǎo)致其接觸面上接觸應(yīng)力分布不均勻，尤其是在工作面的外側(cè)區(qū)接觸應(yīng)力明顯高于中部。除了外形加工因素外，凸輪、滾輪以及浮動(dòng)襯套的表面粗糙度影響也很突出。一般來(lái)說(shuō)要求其表面的表面粗糙度達(dá)到Ra0.4以降低對(duì)它們正常的工作狀態(tài)影響。對(duì)于浮動(dòng)襯套而言，在工作狀態(tài)時(shí)浮動(dòng)襯套一旦與相應(yīng)接觸零件發(fā)生任何阻滯都將會(huì)造成滾輪相對(duì)凸輪接觸面的滑移，然而一旦產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致凸輪與滾輪間接觸面的咬毛故障，因此浮動(dòng)襯套的表面粗糙度越高越好。

2.4 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙加工制造

燃油凸輪、排氣凸輪、銷軸、浮動(dòng)襯套、墊片等零件的加工尺寸和熱處理要求一定要按照?qǐng)D紙要求，裝配后得到合理的配合間隙，運(yùn)行時(shí)具有一定的油流和油膜厚度，滿足潤(rùn)滑要求，一般來(lái)說(shuō)具體要求如下。

1)零件的加工與裝配必須保證凸輪和滾輪之間位置正確，接觸良好，工作狀態(tài)下成線接觸狀態(tài)。凸輪和滾輪之間通過(guò)透光檢查以達(dá)到要求，但是往往由于凸輪與滾輪母線不平行或不在同一垂直平面上形成點(diǎn)接觸而產(chǎn)生高接觸應(yīng)力，凸輪型面(包括滾輪型面)在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重咬毛。在檢查滾輪導(dǎo)筒殼體安裝間隙時(shí)，一般要求其在盤(pán)車升程20 mm時(shí)，滿足A±0.1(A為標(biāo)準(zhǔn)值)間隙以符合要求。

2)安裝前，進(jìn)行零件尺寸檢查，符合其間隙要求。

3)零件組裝后，滾輪能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有卡住和不靈活現(xiàn)象，換向連桿搖臂換向16.6°到位而不碰撞。

4)如果導(dǎo)筒襯套內(nèi)徑磨損過(guò)大，會(huì)使注入銷軸的油從襯套與銷軸之間的間隙中流失“逃脫”，而不是沿導(dǎo)筒上垂直油槽流入，這樣會(huì)加劇其摩擦磨損，因此必須嚴(yán)格保持襯套與導(dǎo)軌之間規(guī)定的配合間隙，油槽位置正確。

2.5 確保相關(guān)運(yùn)行參數(shù)正常

1)凸輪軸油壓、油溫要符合設(shè)計(jì)要求，一般而言，油壓保持在0.25～0.30 MPa(2.5～3.0 bar)，油溫約為40～50 ℃。

2)濾器工作正常。保持油清潔，濾器不失效，否則“污垢”會(huì)進(jìn)入滑油系統(tǒng)，這也通常是造成滑油不清潔的主要原因。

3)濾器要求絕對(duì)細(xì)度40 μm，工作溫度60 ℃左右。在50 ℃時(shí)滑油的黏度為75 cst，正常情況下，90%以上的大于20 μm的絕對(duì)細(xì)度顆粒要被保留而不通過(guò)。

3 故障解決

通過(guò)一系列仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)燃油凸輪出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象。本船共裝配了3臺(tái)發(fā)電副機(jī)，2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，而船上沒(méi)有燃油凸輪備件，為了不影響可能出現(xiàn)的備用組并車使用的情況發(fā)生，輪機(jī)長(zhǎng)決定對(duì)該柴油機(jī)燃油凸輪進(jìn)行修復(fù)。由于本船的副機(jī)是日本產(chǎn)YANMAR M220L-UX型柴油機(jī)，其燃油凸輪是整體式的，當(dāng)將其整體拆出后，要進(jìn)行堆焊修復(fù)處理。在對(duì)No.1和No.4缸燃油凸輪堆焊時(shí)，要對(duì)比其他缸的凸輪，使其比正常高度高至少0.5～1.0 mm，為后續(xù)打磨預(yù)留一定余量。在對(duì)堆焊部位打磨過(guò)程中要先使用砂輪、砂布盤(pán)等，由粗到細(xì)地加工，但是畢竟實(shí)船條件有限，輪機(jī)長(zhǎng)決定將修復(fù)后的機(jī)組只做短時(shí)間應(yīng)急使用，等靠港后對(duì)該凸輪軸進(jìn)行換新處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，不論是在柴油機(jī)設(shè)計(jì)制造、組裝、試驗(yàn)還是在日常運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的外表運(yùn)行狀態(tài)或相關(guān)影響因素一定要加以注意，尤其是當(dāng)發(fā)現(xiàn)排氣溫度發(fā)生變化時(shí)，不要一味從調(diào)整油門(mén)的慣性思維上著手，要有綜合的全局觀念，對(duì)故障要進(jìn)行全面細(xì)致地分析和檢查，才能使故障得以及時(shí)排除，保障船舶正常運(yùn)行。

Cam plays an important role in marine diesel engine.Taking the fault on an auxiliary engine as example,the cause for some usual faults on cam and the preventive tactics are introduced and expounded,analysis and resolvent to the faults are given for solving kindred ones.

marine diesel engine;fuel cam;fault

王明峰(1972-)，男，河南鄧州人，甲類一等輪機(jī)長(zhǎng)，大學(xué)本科，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)工程管理。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.002

2015-12-08