船用高速柴油機(jī)的潤滑分析

趙普康

摘要：船用柴油機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)速或者活塞平均速度進(jìn)行劃分，通過分析船用高速柴油機(jī)的定義，討論船用高速柴油機(jī)潤滑技術(shù)的性能要求。由于不同工況下，柴油機(jī)潤滑性能不盡相同，對幾種特殊工況進(jìn)行分析。最后介紹了船用高速柴油機(jī)潤滑油的選用。

關(guān)鍵詞：高速柴油機(jī)；潤滑；主軸承；潤滑油

中圖分類號U6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0179-02

1406年鄭和下西洋以來，世界范圍內(nèi)船舶運輸?shù)玫娇焖侔l(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展無疑推動整個船舶運輸業(yè)的進(jìn)步。如何改善船用柴油機(jī)的性能，提高耐久性，是人們長期關(guān)注的重點，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。為了更好地討論高速柴油機(jī)潤滑性能，以9632大功率船用柴油機(jī)為例，討論其主軸頸的潤滑性能，對于其他類似船用高速柴油機(jī)均有借鑒意義。

1.船用高速柴油機(jī)概述

船用柴油機(jī)有多種形式，相應(yīng)的劃分方法很多，常見的是以下3種：1）根據(jù)工作循環(huán)特點不同，可以分為二沖程柴油機(jī)與四沖程柴油機(jī)；2）根據(jù)進(jìn)氣方式不同進(jìn)行劃分；3）根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或者活塞平均速度的不同進(jìn)行劃分。本文的討論對象是高速柴油機(jī)，可以依據(jù)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速或者活塞平均速度進(jìn)行界定，采用這種方式劃分，可以將船用柴油機(jī)劃分為低速柴油機(jī)、中速柴油機(jī)與高速柴油機(jī)。

高速柴油機(jī)在現(xiàn)代船舶中應(yīng)用越來越廣泛，并且逐漸采用了渦輪增加等設(shè)計。高速柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)更新?lián)Q代很快，經(jīng)濟(jì)性越來越高，氣缸數(shù)量不斷增多，轉(zhuǎn)速早已超過1200r/min，進(jìn)而保證了船舶更快的運行速度，提高航運效率。

2.船用高速柴油機(jī)潤滑油技術(shù)性能要求

船用柴油機(jī)每年消耗的潤滑油數(shù)量很大，全球每年消耗超過300萬噸，盡管如此，各個國家對于潤滑油技術(shù)性能并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，船用柴油機(jī)機(jī)油供應(yīng)商根據(jù)柴油機(jī)使用情況與工作特點，使得潤滑油具備一定規(guī)格，并開展大量船用機(jī)油研究與產(chǎn)品開發(fā)工作。盡管當(dāng)前國際范圍內(nèi)尚未在船用柴油機(jī)機(jī)油方面形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是各國對潤滑油性能的描述大體相同，因此，規(guī)格牌號與命名方法相差不大。

船用四沖程高速柴油機(jī)結(jié)構(gòu)以及工作循環(huán)特點和車用柴油機(jī)類似，在其潤滑系統(tǒng)中，曲軸箱、缸孔、主軸頸、連桿大小頭使用一套潤滑系統(tǒng)，采用相同潤滑油。所用潤滑油水層大于1，乳化層小于0.6，粘度指數(shù)大于95。

3.不同工況下主軸承潤滑性能

3.1全負(fù)荷各轉(zhuǎn)速下主軸承潤滑性能

依照GB/T3475進(jìn)行試驗，在全負(fù)荷情況下，取四個不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗，進(jìn)而獲得4個情況下的扭矩情況。GB/T3475規(guī)定選用標(biāo)定轉(zhuǎn)速的63%、80%、91%以及100%，因此對于9632高速柴油機(jī)而言，測試工況轉(zhuǎn)速分別為380、492、591、600（r/min），其主軸承的扭矩值以此為815、826、1024、1293（N·m）。主軸頸總共有10個，從前端往后端依次編號為MB1、MB2……、MB9、MBl0。10個主軸頸在不同工況下的最大負(fù)荷情況如表1所示。

從表1不難發(fā)現(xiàn)，在全負(fù)荷情況下，隨著轉(zhuǎn)速由600r/min下降到380r/min，主軸頸承受的最大負(fù)荷是不斷增加的，而且在380r/min時，各主軸頸均達(dá)到最大負(fù)荷的最大值，這符合柴油機(jī)受力情況。主軸頸所受的力由爆發(fā)壓力、往復(fù)慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力共同組成。對于某一特定轉(zhuǎn)速，主軸承所受最大負(fù)荷是急燃期，這個時候缸內(nèi)爆發(fā)壓力最大。慣性力與轉(zhuǎn)速成正比，因此，轉(zhuǎn)速降低的情況下，往復(fù)慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力會減小。之所以低轉(zhuǎn)速下，主軸承所受負(fù)荷最大，是因為柴油通過改變進(jìn)油量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小，轉(zhuǎn)速越小，扭矩越大，此時進(jìn)油量更大，氣缸壓力增大，隨著進(jìn)油量增加，缸內(nèi)壓力增大，使得主軸頸負(fù)荷更大。

為了分析主軸頸的潤滑情況，可以使用有限差分法，降低計算量。將表1所示的軸承負(fù)荷作為邊界條件，結(jié)合軸承參數(shù)獲得油膜壓力分布曲線，基于Holland法可以得到最小油膜厚度。

主軸承最小油膜厚度在不同轉(zhuǎn)速下差別很大，而且不同主軸承隨著轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律不同。其中MH1、MB3與MB4所受負(fù)荷雖然不是最大，但是油膜厚度小于臨界值，可見油膜厚度與軸頸運動直接相關(guān)。偏心角變化率等于0.5時，剪切流等于0，旋轉(zhuǎn)油膜力等于0，偏心率變化率大約等于0，油膜厚度很小。隨著轉(zhuǎn)速增大，最大油膜壓力呈現(xiàn)出上升趨勢，各主軸頸的最大油膜壓力分布和負(fù)荷分布大致相同，這也為預(yù)測危險部位提供方法。

3.2相同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷時主軸承潤滑性能

維持柴油機(jī)在380r/min的轉(zhuǎn)速下運動，改變負(fù)荷率。各個主軸承隨著負(fù)荷率的變化規(guī)律不同，其中MB4在負(fù)荷率為50%時最小油膜厚度最小，而MB5與MB9則在負(fù)荷率為75%時最小油膜厚度最小。對于最大油膜壓力而言，當(dāng)負(fù)荷率增大時，各主軸頸最大油膜壓力是增大的。

4.船用高速柴油機(jī)潤滑油的選用

在評價潤滑油是否符合船用高速柴油機(jī)使用要求以及基本技術(shù)參數(shù)以外，還需要綜合考慮檢驗期采用的燃料油是否滿足要求。在明確基本技術(shù)參數(shù)以后，可以通過查表的方式得到船用高速柴油機(jī)所用機(jī)油的粘度等級，這一等級往往在柴油機(jī)設(shè)計階段就已確定，不可更換其他牌號機(jī)油使用。之所以考慮燃料油，是為了獲得船用機(jī)油的堿值等級。通常認(rèn)為，當(dāng)選擇高硫燃料時，雖然有時進(jìn)行清凈度比分，和低硫燃料相比差距不會太大，但是當(dāng)硫含量超過一定值后，可能會導(dǎo)致活塞環(huán)卡死等危險現(xiàn)象。因此，在明確了機(jī)油粘度等級之后，還必須準(zhǔn)確得到堿值等級。

船用高速柴油機(jī)可以以中速機(jī)為參考依據(jù)，將中速機(jī)油用于潤滑介質(zhì)，借助于注油孔將潤滑油運送到缸壁與活塞上。由于潤滑油與燃油不可避免地、或多或少地會混合在一起，在壓燃過程中生成SOx，從船舶安全性與可靠性潤滑角度來看，燃料硫含量也直接影響潤滑油堿度，高速機(jī)油堿值中心值選擇與燃料含硫量的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

5.結(jié)論

高速柴油機(jī)是船舶必不可少的動力源，由于工作環(huán)境惡劣，必須充分重視高速柴油機(jī)的潤滑。潤滑分析主要分為潤滑油選取與主要部位潤滑性能2部分，本文對船用高速柴油機(jī)潤滑油性能要求進(jìn)行分析，以主軸頸為例討論其潤滑性能。除此之外，船舶高速柴油機(jī)還需要考慮粘度等級以及堿值牌號。