船舶柴油機燃油凸輪故障分析

王明峰

(廣州航海學院，廣東 廣州 510725)

技術交流

船舶柴油機燃油凸輪故障分析

王明峰

(廣州航海學院，廣東 廣州 510725)

凸輪機構在船舶柴油機中起著重要作用，文章從某船舶副機發(fā)生的一起故障引入，介紹了船舶柴油機凸輪常見故障產(chǎn)生的原因及預防策略進行闡述，并對本次故障進行分析解決，為以后同類故障的檢測與解決提供參考。

船舶柴油機；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灣途中，由于大副需要更換壓載水而要啟動壓載泵，于是當班輪機員按照程序啟動了備用的2#發(fā)電動機組并正常并入電網(wǎng)系統(tǒng)。在運行了一段時間后，該輪機員在機艙巡視過程中發(fā)現(xiàn)運行中的2#副機的No.1和No.4缸排氣溫度偏高，比其他缸高出約65 ℃和70 ℃左右。本船的船舶副機是日本產(chǎn)YANMAR M220L-UX型柴油機，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)缸頭啟動閥，配置有ABB VTR161-2系列廢氣增壓器。當班輪機員將該情況告知主管輪機員二管輪，二管輪經(jīng)過外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)問題，于是就在常用負荷下將No.1和No.4缸的供油齒條進行了調(diào)整，使得2個缸排氣溫度與其他缸基本持平。

當天下午大副換水完畢，通知機艙停壓載泵后，二管輪按照卸載程序?qū)?#發(fā)電動機組解列，并運行約10 min后準備停車時，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，他停車后進行了詳細檢查，各缸油頭剛剛檢驗調(diào)整沒多久、各燃油系統(tǒng)也沒有問題，可是在檢查洗清滑油濾器的時候發(fā)現(xiàn)濾芯上附有明顯的鐵屑，這也引起了輪機長的注意，于是打開曲軸箱道門并經(jīng)過一些列仔細檢查，發(fā)現(xiàn)No.1和No.4缸的燃油凸輪有明顯磨損現(xiàn)象。

1 船舶柴油機中凸輪機構的應用

近年來，隨著船舶柴油機功率的不斷提高，噴油泵的循環(huán)供油量相應增加，為了改善燃燒過程和供油規(guī)律以保證良好的經(jīng)濟性，需要燃油噴射系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)噴入汽缸，因此，目前柴油機的噴油泵的柱塞直徑不斷增加，同時，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載的作用時間延長，造成凸輪對外界因素(例如滑油清潔度等)十分敏感，對滾輪、滾輪襯套、凸輪的材料和表面質(zhì)量、零件的加工尺寸控制、安裝的準確性等的影響也十分嚴重。

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

在柴油機中，凸輪機構是重要的定時傳動機構，主要用于進、排氣閥的啟閉、噴油泵和空氣分配器的驅(qū)動等方面。凸輪在頂動滾輪或從動件過程中，由于點接觸或線接觸導致其工作表面上產(chǎn)生很高的接觸應力以及摩擦磨損，當接觸應力過高時其工作面會發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生麻點或金屬剝落現(xiàn)象。柴油機在平臺試車、出海試驗投入運行期間時有發(fā)生燃油凸輪或排氣凸輪咬毛等故障情況，直接影響整機運行的可靠性。燃油凸輪機構如果磨損嚴重，將會導致高壓油泵中柱塞的升程改變，從而嚴重影響供油正時的改變，主要表現(xiàn)在供油時間縮短、正時延遲，嚴重時會導致排氣高溫，而進排氣凸輪磨損會改變進排氣正時改變，使進排氣閥晚開早關，具體的現(xiàn)象表現(xiàn)為排氣溫度升高，這些結果會嚴重影響柴油機的工作性能。

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)中最重要的一個部件。噴油泵的功用是使燃油產(chǎn)生高壓，并根據(jù)柴油機工況的要求，將一定量的燃油在準確時間內(nèi)將燃油噴入燃燒室，噴油泵的供油量應滿足柴油機在各種工況下的需要，即負荷大時，供油量增多；負荷小時，供油量減少。

圖1 典型柱塞泵式噴射系統(tǒng)

同時還要保證各缸的供油量均勻相等。而根據(jù)柴油機的要求，噴油泵要保證各缸的供油時刻相同，即各缸供油提前角應相同，而且供油應迅速開始，停油應迅速結束，避免滴漏現(xiàn)象，其中對噴油規(guī)律和定時起決定性因素的就是圖2中的凸輪，整體式凸輪軸，其結構如圖2所示。

圖2 整體式凸輪軸

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

1.2 排氣凸輪

負載比燃油方面小，但由于排氣閥彈簧的作用，使其負載在一段較長的時期內(nèi)保持高的狀態(tài)，而開啟的角度為約140°曲軸轉角(4沖程柴油機)，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，故對其污染的滑油的敏感程度就大于燃油方面。正因為如此排氣凸輪咬毛的概率比燃油凸輪高。

2 船舶柴油機燃油凸輪、排氣凸輪故障產(chǎn)生的原因及對策

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)動機構中的潤滑系統(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)動機構的零件在制造過程中含有鑄件型砂、加工零件毛刺等，在使用過程中細鐵屑落下形成磨粒磨損，同時各滑油管路系統(tǒng)及管子接頭和閥件等內(nèi)腔的焊渣、沙粒、雜質(zhì)及加油時外界雜物進入滑油內(nèi)，也會直接造成燃油、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備必須在安裝時清除內(nèi)部的焊渣、沙粒、雜質(zhì)、型砂等工藝雜物和外來塵埃、臟物進入系統(tǒng)內(nèi)。而在每次更換油底殼滑油后，在開始運轉前，要經(jīng)過嚴格的預沖洗程序，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

油孔對齊，仔細防止回絲、紙團等塞住油孔。

2.3 滾輪形狀和表面質(zhì)量

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

2.4 嚴格按照設計圖紙加工制造

燃油凸輪、排氣凸輪、銷軸、浮動襯套、墊片等零件的加工尺寸和熱處理要求一定要按照圖紙要求，裝配后得到合理的配合間隙，運行時具有一定的油流和油膜厚度，滿足潤滑要求，一般來說具體要求如下。

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透光檢查以達到要求，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接觸而產(chǎn)生高接觸應力，凸輪型面(包括滾輪型面)在短時間內(nèi)就會產(chǎn)生嚴重咬毛。在檢查滾輪導筒殼體安裝間隙時，一般要求其在盤車升程20 mm時，滿足A±0.1(A為標準值)間隙以符合要求。

2)安裝前，進行零件尺寸檢查，符合其間隙要求。

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

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

2.5 確保相關運行參數(shù)正常

1)凸輪軸油壓、油溫要符合設計要求，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”會進入滑油系統(tǒng)，這也通常是造成滑油不清潔的主要原因。

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

3 故障解決

通過一系列仔細檢查后，發(fā)現(xiàn)燃油凸輪出現(xiàn)嚴重磨損的現(xiàn)象。本船共裝配了3臺發(fā)電副機，2臺運行1臺備用，而船上沒有燃油凸輪備件，為了不影響可能出現(xiàn)的備用組并車使用的情況發(fā)生，輪機長決定對該柴油機燃油凸輪進行修復。由于本船的副機是日本產(chǎn)YANMAR M220L-UX型柴油機，其燃油凸輪是整體式的，當將其整體拆出后，要進行堆焊修復處理。在對No.1和No.4缸燃油凸輪堆焊時，要對比其他缸的凸輪，使其比正常高度高至少0.5～1.0 mm，為后續(xù)打磨預留一定余量。在對堆焊部位打磨過程中要先使用砂輪、砂布盤等，由粗到細地加工，但是畢竟實船條件有限，輪機長決定將修復后的機組只做短時間應急使用，等靠港后對該凸輪軸進行換新處理。

4 結束語

總之，不論是在柴油機設計制造、組裝、試驗還是在日常運行過程中，對凸輪機構的外表運行狀態(tài)或相關影響因素一定要加以注意，尤其是當發(fā)現(xiàn)排氣溫度發(fā)生變化時，不要一味從調(diào)整油門的慣性思維上著手，要有綜合的全局觀念，對故障要進行全面細致地分析和檢查，才能使故障得以及時排除，保障船舶正常運行。

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，甲類一等輪機長，大學本科，研究方向為現(xiàn)代輪機工程管理。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.002

2015-12-08