大型船舶柴油機(jī)排氣閥自動(dòng)互研裝置的設(shè)計(jì)

湯 明，李 臣

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211170）

0 引言

大型船舶柴油機(jī)排氣閥閥盤和閥座是柴油機(jī)燃燒室的一部分。工作時(shí)排氣閥閥盤、閥座會(huì)受到燃?xì)飧邷?、高壓作用；燃燒產(chǎn)物對(duì)閥盤、閥座的腐蝕作用；氣閥在關(guān)閉時(shí)與閥座會(huì)產(chǎn)生撞擊和磨損等因素，導(dǎo)致閥的密封面產(chǎn)生變形、麻點(diǎn)、凹坑、燒蝕和剝落等缺陷。為了消除缺陷，保證排氣閥密封性，必須定期對(duì)閥盤和閥座進(jìn)行研磨。

排氣閥的研磨包括機(jī)械研磨和互研兩部分。機(jī)械研磨是通過(guò)磨閥機(jī)械分別對(duì)閥盤和閥座的密封面進(jìn)行機(jī)械切削加工，以消除閥盤和閥座密封面上明顯的缺陷。機(jī)械研磨形成的密封面配合誤差和局部殘留的微小劃痕，必須通過(guò)互研予以去除。所謂互研就是在排氣閥密封面上涂敷研磨磨料（研磨砂或研磨膏），通過(guò)閥面之間互相撞擊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨料在閥盤與閥座的密封面間不斷滑動(dòng)和滾動(dòng)，形成切削運(yùn)動(dòng)，去除多余材料，從而提高排氣閥密封面配合精度。目前，排氣閥互研尚無(wú)專門自動(dòng)控制的機(jī)械裝置。人工操作既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。為此，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)控制的排氣閥互研裝置，通過(guò)自動(dòng)推動(dòng)排氣閥閥盤反復(fù)撞擊閥座，實(shí)現(xiàn)閥盤與閥座的自動(dòng)互研運(yùn)動(dòng)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

排氣閥人工互研是指將閥盤和閥座倒置在工作臺(tái)（閥架）上，操作者通過(guò)杠桿將閥桿翹起，使閥桿在重力作用下自由下落，閥盤與閥座產(chǎn)生撞擊運(yùn)動(dòng)（圖1）?；谌斯せパ械牟僮髟?，設(shè)計(jì)、研制出一種能夠自動(dòng)輸出往復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置，驅(qū)動(dòng)排氣閥閥盤作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)排氣閥自動(dòng)互研。它利用控制電路的繼電器控制氣動(dòng)系統(tǒng)電磁換向閥線圈通斷電，交替改變電磁換向閥的工作位置，進(jìn)而改變氣動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行氣缸的控制空氣通路，實(shí)現(xiàn)氣缸循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行氣缸推動(dòng)排氣閥盤向上運(yùn)動(dòng)，回程時(shí)靠閥盤重力下落，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

2 自動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 電路控制原理（圖2）

電路采用船舶電源（220 V 或110 V 交流電）直接供電。自動(dòng)控制電路用到2 只時(shí)間繼電器KT1 和KT2，一只中間繼電器KA。中間繼電器控制電磁換向閥F 線圈通斷電：接通電源，電源指示燈L1 亮，將啟停按鈕SB 閉合，運(yùn)行指示燈L2 亮，KA 得電，其常開觸頭吸合，F(xiàn)線圈得電（閥芯動(dòng)作），KT1 得電，延時(shí)到KT1常閉觸頭斷開KA 電源，F(xiàn) 線圈失電（閥芯復(fù)位），KT1 常開觸頭閉合，KT2 得電，延時(shí)到KT2 常閉觸頭斷開，KT1 失電，KT1 常閉觸頭閉合，KA 再次接通電源，其常開觸頭閉合，F(xiàn) 線圈再次得電（閥芯動(dòng)作），如此自動(dòng)循環(huán)往復(fù)，直至SB 斷開。

電磁換向閥F 的線圈通斷電周期，由時(shí)間繼電器延時(shí)時(shí)間決定。KT1 控制KA 通電時(shí)間（即電磁換向閥F 通電時(shí)間），時(shí)間繼電器KT2控制KA 失電時(shí)間（即電磁換向閥F 失電時(shí)間）。

圖1 排氣閥人工互研示意

圖2 控制電路原理圖

2.2 繼電器的選擇

繼電器是電路中的控制元件。繼電器工作電制與船舶電網(wǎng)電制一致，同時(shí)還需要考慮下列因素。

（1）中間繼電器觸頭工作電流應(yīng)大于電磁換向閥線圈的工作電流（電磁換向閥選擇詳見3.3）。

（2）為了提高時(shí)間調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，時(shí)間繼電器應(yīng)選用電子式或數(shù)顯式通電延時(shí)時(shí)間繼電器（延時(shí)最小值不大于0.5 s）。

（3）時(shí)間繼電器觸頭工作電流應(yīng)大于中間繼電器和時(shí)間繼電器線圈工作電流。

線圈的工作電流，根據(jù)繼電器或電磁換向閥銘牌參數(shù)，由S=UI 計(jì)算得到。其中，S 為線圈的視在功率，VA；U 為線圈電壓，V；I 為線圈工作電流，A。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理

氣動(dòng)系統(tǒng)采用船舶自有的控制空氣（0.7 MPa）作為氣源。系統(tǒng)需要一只電磁換向閥、一只執(zhí)行氣缸。電磁換向閥控制進(jìn)入氣缸的控制空氣的通路。氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖3 所示：工作時(shí)執(zhí)行氣缸固定于排氣閥閥桿下面，將閥桿插入閥桿頂頭安裝孔。電磁換向閥F 線圈失電時(shí)，換向閥工作于右位氣缸上下腔通大氣，閥盤靠重力落座于閥座上。電磁換向閥線圈得電時(shí)，換向閥閥芯動(dòng)作，閥工作于左位，控制空氣經(jīng)換向閥進(jìn)入執(zhí)行氣缸下腔，氣缸柱塞上移推動(dòng)排氣閥桿向上運(yùn)動(dòng)。電磁換向閥線圈再次失電時(shí)，換向閥靠彈簧復(fù)位，閥盤重新落座，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)閥盤與閥座互研。

閥盤與閥座的撞擊頻率（互研頻率）由電磁換向電磁閥F 線圈通斷電周期決定。閥盤行程通過(guò)執(zhí)行氣缸下部的調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)。

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)原理

3.2 執(zhí)行氣缸的選擇

氣缸是系統(tǒng)的執(zhí)行元件。根據(jù)排氣閥互研的基本原理和要求，氣缸的選擇應(yīng)注意下列問(wèn)題：

（1）選用雙作用、法蘭固定式行程可調(diào)氣缸。

（2）氣缸行程選擇（150～200）mm。行程過(guò)大，撞擊嚴(yán)重，磨料消耗過(guò)快；行程過(guò)小撞擊太輕，效果下降，研磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

（3）根據(jù)氣缸的負(fù)載（閥桿重量）、工作壓力等因素確定合適的氣缸直徑，以確保氣缸實(shí)際輸出力略大于工作負(fù)載（即閥桿重量）。氣缸的實(shí)際輸出力由式（1）確定。

式中 F——?dú)飧讓?shí)際輸出力，kgf

P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?，kgf/cm2，本設(shè)計(jì)取6

D——?dú)飧字睆?，cm

d——?dú)飧仔谐陶{(diào)節(jié)桿直徑，cm

A——?dú)飧椎呢?fù)載率，本設(shè)計(jì)取0.5

根據(jù)閥桿重量，推算出氣缸（D2-d2）值，進(jìn)而選擇合適的氣缸。

3.3 電磁換向閥的選擇

電磁換向閥既是控制電路的執(zhí)行元件，也是氣動(dòng)系統(tǒng)的方向控制元件。選擇電磁換向閥應(yīng)考慮如下因素。

（1）電磁線圈電制應(yīng)與船舶電網(wǎng)電制一致。

（2）閥體采用直通式兩位四通Y 形或類似結(jié)構(gòu)，確保執(zhí)行動(dòng)作迅速及時(shí)。

（3）合理選擇閥的流動(dòng)能力Cv或有效流通面積，其計(jì)算公式如下：

式中 D——?dú)飧字睆?，cm

d——?dú)飧仔谐陶{(diào)節(jié)桿直徑，cm

Vmax——?dú)飧鬃畲筮\(yùn)動(dòng)速度，mm/s，本設(shè)計(jì)取200 mm/s（按氣缸最大行程200 mm，每分鐘循環(huán)30 次設(shè)計(jì)）

P0——使用壓力，kgf/cm2，本設(shè)計(jì)取7

P——?dú)飧坠ぷ鲏毫?kgf/cm2，本設(shè)計(jì)取6

△P——閥進(jìn)出口設(shè)計(jì)壓差，kgf/cm2

S——閥的有效流通面積，mm2

3.4 配管的選擇

氣動(dòng)系統(tǒng)連接管通徑，應(yīng)與氣動(dòng)元件接口一致。該數(shù)據(jù)可從氣動(dòng)元件銘牌上查出。

4 研磨工作臺(tái)總體設(shè)計(jì)

研磨工作臺(tái)是固定排氣閥閥殼的框架式支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)用來(lái)安置電氣控制箱及執(zhí)行氣缸（圖4）。研磨工作臺(tái)臺(tái)面上的4只固定螺桿，用于安裝固定倒置在工作臺(tái)上的排氣閥閥殼，螺桿的根部套有調(diào)節(jié)墊片，可調(diào)節(jié)閥殼的垂直位置。位于工作臺(tái)下部的執(zhí)行氣缸通過(guò)固定螺桿固定在工作臺(tái)上，氣缸底部安裝有調(diào)節(jié)墊片用于調(diào)節(jié)氣缸的垂直位置。電氣控制箱位于工作臺(tái)左上，電源開關(guān)、啟停按鈕、指示燈、繼電器、電磁換向閥等元件都安裝于控制箱內(nèi)。電磁換向閥與執(zhí)行氣缸采用軟管連接。電氣控制箱底部的氣源接口，連接到船舶控制空氣系統(tǒng)。

5 結(jié)論

大型船舶柴油機(jī)排氣閥自動(dòng)互研裝置，通過(guò)自動(dòng)控制電路控制氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁換向閥，從而交替改變執(zhí)行氣缸的氣體通路，使執(zhí)行氣缸循環(huán)推動(dòng)排氣閥桿，形成閥桿上下循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)排氣閥自動(dòng)、安全、高效互研，將船員從繁重危險(xiǎn)的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。裝置組成元件少、元件通用性強(qiáng)、制造成本低、操作方便、維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣實(shí)用價(jià)值。

圖4 研磨工作臺(tái)結(jié)構(gòu)