□周振棟 張王超 金 戈 譚 勇

一、引言

某核電廠具有三臺應(yīng)急柴油機(jī)，其型號為16V240ZDA，均是大連機(jī)車車輛廠1989年制造出廠的產(chǎn)品，受限于當(dāng)時的設(shè)計(jì)和工業(yè)水平，氣門導(dǎo)管與氣門桿之間沒有設(shè)計(jì)氣門油封裝置[1]。由于應(yīng)急柴油機(jī)需要具備隨時可以啟動的功能，機(jī)油系統(tǒng)處于24小時運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)油將持續(xù)滲漏到燃燒室中，運(yùn)行人員通過“甩車”排出機(jī)油，操作不及時可能造成“油錘”現(xiàn)象[2]，影響核電廠的安全狀態(tài)。

近年來，柴油機(jī)故障模式被廣泛研究[3]，并通過相應(yīng)的優(yōu)化手段進(jìn)行處理。王玉彬等[4]通過理論計(jì)算,完成對核電廠PC型柴油機(jī)高溫水泵機(jī)械密封泄漏故障的根本原因分析。劉曉潔[5]基于Kriging元模型，對柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得連桿質(zhì)量減小7.2%。

針對核電廠應(yīng)急柴油機(jī)原始設(shè)計(jì)不足造成的機(jī)油滲漏缺陷，本文將在不改變柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)主體部件的基礎(chǔ)上，對氣門導(dǎo)管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加斜溝槽，并裝配上與氣門桿發(fā)生相對滑動的氣門油封，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急柴油機(jī)氣缸缸頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

二、氣缸缸頭結(jié)構(gòu)及優(yōu)化方案

柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的任務(wù)是保證柴油機(jī)的換氣過程按配氣正時的要求，準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行，即在規(guī)定的時刻，在一定的時間內(nèi)將氣缸內(nèi)的燃燒產(chǎn)物排出，將新鮮空氣引入，以保證工作循環(huán)的不斷進(jìn)行。配齊機(jī)構(gòu)主體部件為氣缸缸頭，缸頭的裝配圖及主要組成零件如圖1所示。

圖1 氣缸缸頭裝配圖

對于型號為16V240ZDA的應(yīng)急柴油機(jī)的原始設(shè)計(jì)，氣門導(dǎo)管與氣門需進(jìn)行相對運(yùn)動，兩者為間隙配合，但兩者之間缺少有效的油封裝置，不可避免地，機(jī)油將通過兩者間隙流入燃燒室?；谠瓪飧赘最^的主體結(jié)構(gòu)，對原氣門導(dǎo)管頂部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加倒角和斜溝槽，以便氣門油封的安裝及固定，優(yōu)化后的氣門導(dǎo)管及氣門油封結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。由于柴油機(jī)運(yùn)行時氣門溫度將達(dá)到80度，氣門油封采用氟橡膠材質(zhì)，并通過外置彈簧和骨架進(jìn)行緊固。

圖2 氣門導(dǎo)管及氣門油封結(jié)構(gòu)形式圖

對于進(jìn)行了氣門導(dǎo)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的氣缸缸頭裝配，其能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：在應(yīng)急柴油機(jī)熱備用時，氣門油封與氣門緊密貼合，形成靜密封結(jié)構(gòu)；在柴油機(jī)運(yùn)行時，氣門油封與氣門之間存在相對運(yùn)動，由于橡膠密封唇口彈性較大，形成動密封結(jié)構(gòu)，同時密封間隙基于潤滑劑的粘附力、內(nèi)聚力以及粘性，又形成了一個較薄的潤滑層，這樣在發(fā)生相對運(yùn)動時，有少量的機(jī)油可以流入氣門和氣門導(dǎo)管之間的間隙，起到減小磨損的作用。

三、單缸樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

對240型單缸機(jī)的氣門導(dǎo)管進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造并安裝氣門油封，完成其氣缸缸頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時采用72小時靜置和24小時運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證氣門油封安裝在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的氣缸缸頭上的密封效果。試驗(yàn)通過如圖3所示的試驗(yàn)臺架進(jìn)行，其組成設(shè)備主要包括：起動電機(jī)、扭矩儀、飛輪、單缸機(jī)、測試系統(tǒng)界面、操作臺。

圖3 試驗(yàn)臺架

該單缸樣機(jī)試驗(yàn)通過操作臺控制啟動電機(jī)提供初始扭矩，并通過扭矩儀、飛輪逐步傳遞到柴油機(jī)本體，從而啟動柴油機(jī)。之后，通過操作臺控制柴油機(jī)本體的轉(zhuǎn)速及輔機(jī)系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，通過測試系統(tǒng)界面觀察系統(tǒng)各參數(shù)。

進(jìn)行靜置試驗(yàn)時，模擬16V240ZDA型柴油機(jī)現(xiàn)場的機(jī)油系統(tǒng)熱備狀態(tài)，油溫45℃～50℃，機(jī)油進(jìn)機(jī)壓力1.1bar，末端壓力0.8bar。在安裝氣缸缸頭前，在活塞頂上方放了一張測試紙，然后安裝氣缸蓋、搖臂箱、蓋罩，連接機(jī)油管路等，完成組裝。在持續(xù)循環(huán)潤滑但未起動柴油機(jī)的熱備狀態(tài)下，經(jīng)過72小時的靜置后，拆下氣缸缸頭觀察測試紙狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)測試紙上完全沒有油漬，試驗(yàn)對比結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)表明氣門油封在靜置狀態(tài)下具有良好的密封效果，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的氣缸缸頭在柴油機(jī)熱備用狀態(tài)下能夠有效避免機(jī)油從氣門與氣門導(dǎo)管的間隙進(jìn)入燃燒室。

圖4 靜置試驗(yàn)前后對比圖

進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)時，模擬16V240ZDA型柴油機(jī)的現(xiàn)場運(yùn)行工況，保持轉(zhuǎn)速為1,000r/min、功率為125kW，連續(xù)運(yùn)行24小時后拆下氣缸缸頭，觀察活塞頂、氣道、氣門等的狀態(tài)，均未發(fā)現(xiàn)機(jī)油痕跡，其中火力面狀態(tài)如圖5所示。試驗(yàn)表明氣門油封在運(yùn)動狀態(tài)下具有良好的密封效果，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的氣缸缸頭在柴油機(jī)運(yùn)行工況下能夠有效避免機(jī)油從氣門與氣門導(dǎo)管的間隙進(jìn)入燃燒室。

圖5 24h運(yùn)行試驗(yàn)后火力面狀態(tài)

經(jīng)過72h的靜置試驗(yàn)，測試紙上沒有機(jī)油滴落的跡象、活塞頂上方干凈如新、氣門桿上沒有機(jī)油順流而下的痕跡；經(jīng)過24h的運(yùn)行試驗(yàn)，活塞頂、氣門桿、氣道處均未發(fā)現(xiàn)機(jī)油痕跡，氣門油封的狀態(tài)良好?？梢?，氣缸缸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有良好的可實(shí)施性和有效性。

四、現(xiàn)場實(shí)施及驗(yàn)證

基于已經(jīng)通過單缸機(jī)試驗(yàn)完成驗(yàn)證的氣缸缸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對核電廠三臺16V240ZDA型應(yīng)急柴油機(jī)的48個氣缸缸頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改造后的氣缸缸頭裝配形式如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場氣缸缸頭裝配形式

在完成改造的3個月后，拆下2#應(yīng)急柴油機(jī)的13#缸的排氣支管波紋管，其內(nèi)部無油跡。對于未進(jìn)行缸頭改造的柴油機(jī)，每次拆下排氣支管波紋管，其內(nèi)部均存在大量積油。

氣缸缸頭優(yōu)化改造之前，電廠通過“甩車”操作將燃燒室的積油排出到污油箱，防止機(jī)油在燃燒室內(nèi)過量積聚，每12個月，在污油箱內(nèi)的機(jī)油積攢量大致為80L，在完成缸頭優(yōu)化改造的12個月后，觀察污油箱內(nèi)的機(jī)油積攢量大致為0.5L，而且其中積攢的主要是空氣中的冷凝水和從氣門油封處微量滲漏到燃燒室的機(jī)油，機(jī)油滲漏量減少了99.375%，這驗(yàn)證了加工氣門導(dǎo)管并且加裝氣門油封的氣缸缸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠有效地防止機(jī)油從氣門與氣門導(dǎo)管間隙流入燃燒室，并且說明了該優(yōu)化方案具有長期可靠性。

五、結(jié)語

本文提出的氣缸缸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠有效增加氣門與氣門導(dǎo)管之間的密封性，可以有效地減少甚至避免機(jī)油通過氣門與氣門導(dǎo)管的間隙流入燃燒室，能夠大大減少燃燒室內(nèi)機(jī)油積攢量，防止柴油機(jī)在突然啟動狀況下發(fā)生“油錘”現(xiàn)象。

通過模擬現(xiàn)場柴油熱備用和帶載運(yùn)行工況，進(jìn)行72小時靜置試驗(yàn)和24小時運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可行性和有效性，通過電廠為期1年的持續(xù)跟蹤，確認(rèn)污油箱積油量在柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造后得到顯著減少，驗(yàn)證了方案的長期可靠性?；谝陨向?yàn)證結(jié)論，電廠計(jì)劃逐步將甩車周期由每周兩次延長到每四周一次，并與應(yīng)急柴油機(jī)月度試驗(yàn)結(jié)合實(shí)施，從而避免了應(yīng)急柴油機(jī)由于甩車時不可用導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)入計(jì)劃性計(jì)時。

通過現(xiàn)場改造、安裝以及使用驗(yàn)證，本文提出的氣缸缸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法具有良好的可實(shí)施性和長期可靠性，可以為其他同類型柴油機(jī)解決因早期設(shè)計(jì)缺陷而存在的機(jī)油從氣門-氣門導(dǎo)管間隙滲漏問題提供技術(shù)指導(dǎo)。