核應(yīng)急柴油機(jī)燃油滾輪和凸輪異常磨損與滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)的分析

張軍懷

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

核應(yīng)急柴油機(jī)燃油滾輪和凸輪異常磨損與滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)的分析

張軍懷

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

針對某型核應(yīng)急柴油機(jī)燃油滾輪與凸輪異常磨損現(xiàn)象，研究了燃油滾輪與凸輪異常磨損的機(jī)理，通過對故障機(jī)構(gòu)建立有限元模型及應(yīng)力分析，分析了燃油滾輪和凸輪異常磨損與滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)的關(guān)系，并給出了解決這一故障的應(yīng)對措施。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證表明，該措施是可行的。

核應(yīng)急柴油機(jī)；燃油滾輪；滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)；異常磨損

核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為核電站緊急備用電源[1]，在廠外電源喪失的情況下，能確保反應(yīng)堆緊急安全停堆，同時為重要安全設(shè)施供電，保證設(shè)備和人身安全；因此，對核應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，特別是柴油機(jī)的可靠性要求非常高，出廠試驗(yàn)一般要經(jīng)過單機(jī)試驗(yàn)和聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)后拆檢分析關(guān)鍵件及重要件的質(zhì)量狀況，并以此分析評估應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性。

本文針對某型核應(yīng)急柴油機(jī)(編號為2-4#)故障機(jī)構(gòu)(燃油頂升機(jī)構(gòu))中，燃油滾輪和凸輪實(shí)際異常磨損現(xiàn)象，通過對燃油頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元建模及應(yīng)力分析，結(jié)合同類其他機(jī)型對滾輪的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對比分析，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，分析了滾輪和凸輪早期異常磨損與燃油滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而從設(shè)計(jì)要求及制造加工精度方面來控制燃油滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)，解決了該型柴油機(jī)燃油滾輪與凸輪異常磨損問題[2]。

1 燃油頂升機(jī)構(gòu)介紹及異常磨損現(xiàn)象的分析

1.1 燃油頂升機(jī)構(gòu)工作原理介紹[3-5]

該型柴油機(jī)出現(xiàn)故障的零件屬于燃油頂升機(jī)構(gòu)，其中凸輪軸和凸輪加工為一體，軸上每組凸輪包含進(jìn)氣凸輪、排氣凸輪和燃油凸輪。各個凸輪之間按照相應(yīng)的相位角度排列，每組凸輪對應(yīng)于柴油機(jī)的每一缸。柴油機(jī)工作過程中，曲軸通過齒輪傳遞動力給凸輪軸，帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動。凸輪軸的轉(zhuǎn)動帶動燃油凸輪，燃油凸輪推動燃油滾輪使高壓油泵工作，將燃油加壓到使噴油器針閥開起，燃油經(jīng)噴油器噴入柴油機(jī)氣缸后，在氣缸中燃燒并推動活塞運(yùn)動。進(jìn)、排氣凸輪控制氣閥的運(yùn)動，各個氣缸的進(jìn)、排氣凸輪按照配氣相位和點(diǎn)火次序的關(guān)系配置在凸輪軸上，進(jìn)、排氣凸輪的升程和型線決定了氣閥的開起和關(guān)閉時間，以及氣體流通截面的大小。燃油凸輪通過高壓油泵滾輪做頂、放周期性運(yùn)動。燃油頂升機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 燃油頂升機(jī)構(gòu)圖

1.2 燃油滾輪與凸輪異常磨損現(xiàn)象

某型核應(yīng)急柴油機(jī)(編號為2-4#)在經(jīng)過單機(jī)和聯(lián)機(jī)共計(jì)約48 h試驗(yàn)后，拆檢發(fā)現(xiàn)3#缸和6#缸對應(yīng)的燃油滾輪和凸輪出現(xiàn)異常磨損。對該臺柴油機(jī)故障零部件、關(guān)聯(lián)零部件拆解檢查發(fā)現(xiàn)，3#和6#缸對應(yīng)的高壓油泵滾輪外圓表面(與燃油凸輪配合面)和內(nèi)孔表面(與滾輪銷配合面)均出現(xiàn)異常磨損，對應(yīng)配合的滾輪銷也出現(xiàn)異常磨損，滾輪銷的磨損區(qū)域出現(xiàn)在與燃油滾輪接觸表面的兩端。對該臺柴油機(jī)其余高壓油泵進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)，1#和4#缸對應(yīng)的高壓油泵滾輪內(nèi)孔及滾輪銷外圓端均出現(xiàn)了異常磨損，而滾輪外表面目視檢查未見異常，其余的高壓油泵滾輪與對應(yīng)滾輪銷沒有發(fā)現(xiàn)問題。

1.3 引發(fā)故障現(xiàn)象原因的初步分析

燃油滾輪外徑磨損痕跡分布在整個工作表面上，無單一或多個線條狀的劃痕，由此可排除是由于硬質(zhì)顆?；烊攵鸬?。滾輪內(nèi)孔與滾輪銷對應(yīng)的配合面同時出現(xiàn)異常磨損痕跡，顯示出燃油滾輪與滾輪銷之間相對運(yùn)動出現(xiàn)問題，應(yīng)發(fā)生過卡滯現(xiàn)象，導(dǎo)致滾輪異常磨損。上述現(xiàn)象初步分析認(rèn)為，造成本次質(zhì)量問題的可能原因是相關(guān)零部件制造質(zhì)量問題、燃油滾輪與凸輪之間的潤滑不良、以及系統(tǒng)清潔度問題等，導(dǎo)致燃油滾輪與滾輪銷之間發(fā)生卡滯，燃油滾輪與凸輪之間平均滾動速度下降，凸輪與燃油滾輪間的潤滑油膜厚度減小，從而使得燃油滾輪潤滑狀態(tài)由完全彈性潤滑狀態(tài)變?yōu)閺椥詽櫥瑺顟B(tài)，再到邊界潤滑狀態(tài)，進(jìn)而燃油滾輪與凸輪之間的潤滑油膜被破壞，最終導(dǎo)致了異常磨損現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)上述初步原因分析，建立燃油滾輪與凸輪異常磨損的故障樹，如圖2所示。涉及故障的可能因素有零部件制造質(zhì)量、清潔度、潤滑油流量及壓力、動車運(yùn)轉(zhuǎn)過程，共計(jì)4大類11個關(guān)聯(lián)因素。采取逐一排除法，最終排除了清潔度、潤滑油流量及壓力、動車運(yùn)轉(zhuǎn)過程等因素；同時，經(jīng)過核查，將故障現(xiàn)象關(guān)聯(lián)的其他零部件制造質(zhì)量問題也逐一排除；最終，初步分析造成異常磨損現(xiàn)象的原因?yàn)闈L輪本身的制造質(zhì)量問題。

圖2 燃油滾輪與凸輪異常磨損的故障樹

2 故障現(xiàn)象的磨損機(jī)理分析

依據(jù)質(zhì)量記錄文件，對該型柴油機(jī)以往發(fā)生的同類異常磨損情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(見表1)。燃油滾輪與凸輪異常磨損現(xiàn)象在該型柴油機(jī)上共發(fā)生過4次，出現(xiàn)異常磨損的滾輪占總數(shù)的17%。磨損現(xiàn)象分為2類：一類是滾輪外圓表面(與凸輪配合面)和內(nèi)孔表面(與滾輪銷配合面)均有異常磨損；另一類是滾輪外圓表面正常，而內(nèi)孔表面存在異常磨損。2類內(nèi)孔表面的磨損部位，均出現(xiàn)在滾輪內(nèi)孔與滾輪銷配合面的兩端接觸部位。由此可以確認(rèn)，燃油滾輪失效首先出現(xiàn)在內(nèi)部，失效趨勢從內(nèi)部向外部發(fā)展，早期異常磨損發(fā)生在滾輪銷與滾輪內(nèi)孔的摩擦副，比較隱蔽，當(dāng)內(nèi)部磨損加劇擴(kuò)展后，最終體現(xiàn)在滾輪與凸輪的摩擦副，經(jīng)目視檢查暴露缺陷。

表1 該型柴油機(jī)以往發(fā)生的同類異常磨損情況統(tǒng)計(jì)分析表

3 失效零件的受力分析和驗(yàn)證

圖3 滾輪內(nèi)孔與滾輪銷的配合形式

為了進(jìn)一步驗(yàn)證對滾輪內(nèi)孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式分析的正確性，對故障機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元建立模型，在不同約束下對滾輪與滾輪銷的受力情況進(jìn)行了應(yīng)力分析，得出的結(jié)論和初步分析是一致的，即滾輪與滾輪銷配合面的接觸應(yīng)力兩端大、中間小。在相同受力情況下，燃油滾輪內(nèi)孔的母線形態(tài)呈現(xiàn)內(nèi)收形時，滾輪與滾輪銷兩端接觸應(yīng)力最大；燃油滾輪內(nèi)孔的母線形態(tài)呈現(xiàn)外張形時，滾輪與滾輪銷兩端接觸應(yīng)力最小，見表2，接觸應(yīng)力的分布趨勢如圖4所示。由此可知，失效損傷部位首先出現(xiàn)在滾輪與滾輪銷兩端接觸處。

表2 滾輪與滾輪銷兩端接觸應(yīng)力

圖4 滾輪內(nèi)孔與滾輪銷兩端接觸應(yīng)力的分布趨勢

4 生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析結(jié)果，在對該型柴油機(jī)質(zhì)量跟蹤過程中，對多個批次共計(jì)80件滾輪內(nèi)孔母線形態(tài)進(jìn)行了檢測跟蹤。檢測后對內(nèi)孔母線形態(tài)為直線形和內(nèi)收形的2種形式均采用休磨方法，加工成母線形態(tài)呈外張形。加工后對檢查符合內(nèi)孔母線形態(tài)控制要求的滾輪裝機(jī)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，沒有發(fā)現(xiàn)類似故障問題。

5 結(jié)語

燃油滾輪與凸輪異常磨損的主要原因是柴油機(jī)工作過程中，燃油頂升機(jī)構(gòu)中的滾輪銷剛度相對較小，運(yùn)行時會產(chǎn)生微小變形；在滾輪內(nèi)孔加工后使母線形態(tài)呈內(nèi)收形時，滾輪與滾輪銷兩端接觸部位應(yīng)力及應(yīng)變最大。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，滾輪的潤滑油是從中間進(jìn)入，潤滑效果從中間到兩端逐漸減弱，使得滾輪與滾輪銷兩端油膜無法充分建立，燃油滾輪內(nèi)孔的載荷分布不均勻，造成滾輪與滾輪銷兩端接觸部位首先出現(xiàn)異常磨損，進(jìn)而使?jié)L輪與滾輪銷之間發(fā)生卡滯，導(dǎo)致燃油滾輪與凸輪異常磨損。通過對本次故障分析，模擬計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)際的驗(yàn)證表明，滾輪內(nèi)孔母線的形態(tài)是影響該型柴油機(jī)燃油滾輪與凸輪早期異常磨損的一個重要因素,應(yīng)引起設(shè)計(jì)、工藝和質(zhì)量控制人員的重視。

[1] 宋幼勤.核電站應(yīng)急柴油機(jī)組實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化[N].國際商報,2006-05-11(5).

[2] 范明照.船舶柴油機(jī)主要機(jī)械故障診斷和排除[J].珠江水運(yùn),2009(3): 51-52,56.

[3] 《船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊》編委會.船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(五)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1982.

[4] 陳國華.有限元法在內(nèi)燃機(jī)工程中的應(yīng)用[M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1985.

[5] 西南交通大學(xué).機(jī)車柴油機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

責(zé)任編輯馬彤

AnalysisoftheRelationshipaboutGeratrixShapeofRoller′sHoleinAbnormalWearofFuelRollerandCamaboutNuclearEmergencyDieselEngine

ZHANG Junhuai

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

Focused on abnormal wear of fuel roller and cam about nuclear emergency diesel engine, studied the mechanism of abnormal wear about fuel roller and cam, the fault mechanism to establish the finite element model and stress analysis and production practice, analyzed the relationship about geratrix shape of roller′s hole in abnormal wear of fuel roller and cam, and gave the countermeasures to solve the fault, the practice proved the measure is feasible.

nuclear emergency diesel engine, fuel injection pump roller, generatrix shape of roller′s hole, abnormal wear

TK 428

：A

張軍懷(1972-),男，大學(xué)本科，注冊設(shè)備監(jiān)理師，主要從事核電站設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督等方面的研究。

2014-09-18