某型船用柴油機(jī)油門拉桿抖動(dòng)原因分析與解決措施

劉志剛 向本銀 劉宗輝 王澤惠 翟中波

摘要： 柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，油門拉桿在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高頻抖動(dòng)，低于或高于這一轉(zhuǎn)速范圍，抖動(dòng)現(xiàn)象消除。此故障現(xiàn)象有的通過(guò)調(diào)整調(diào)速器可以解決，有的調(diào)整后仍然無(wú)法解決。針對(duì)這一問(wèn)題，我們從操縱桿系的連接、調(diào)速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、調(diào)速器座安裝方式、調(diào)速器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行分析，找到了主要因素，制定了相應(yīng)的解決措施。

Abstract： During the operation of diesel engine， throttle rod in a certain range of high frequency jitter， lower or higher than this range of speed， jitter phenomenon eliminated. Some of these faults can be solved by adjusting the governor， and some can't be solved after adjustment. In view of this problem， we analyze the connection of the joystick system， the internal structure of the governor， the installation mode of the governor seat， the driving structure of the governor and so on， find out the main factors and make corresponding solutions.

關(guān)鍵詞： 油門拉桿;調(diào)速器;推力軸承間隙;調(diào)速?gòu)椈?錐齒輪間隙

Key words： throttle rod;governor;thrust bearing clearance;speed-regulating spring;bevel gear clearance

中圖分類號(hào)：U262.11 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0167-03

0 ?引言

某船用中速機(jī)在市場(chǎng)驗(yàn)證中，遇到一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。多臺(tái)柴油機(jī)在500r/min-750r/min工況運(yùn)行過(guò)程中，控制噴油泵的操縱桿系手柄（油門拉桿）存在劇烈抖動(dòng)現(xiàn)象（高頻），但柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯變化，功率和輸出扭矩也很穩(wěn)定，沒(méi)有波動(dòng)。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低于或高于此轉(zhuǎn)速段時(shí)，油門拉桿抖動(dòng)現(xiàn)象消失，柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然此現(xiàn)象不會(huì)影響發(fā)動(dòng)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，但給客戶造成了不好的使用體驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品口碑有一定的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，我們對(duì)柴油機(jī)的整個(gè)油門控制系統(tǒng)，進(jìn)行了深入分析，排查。

1 ?原因分析

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是由裝在靠近飛輪端操縱側(cè)的調(diào)速器來(lái)控制的。調(diào)速器的動(dòng)力來(lái)源是通過(guò)曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)正時(shí)齒輪系轉(zhuǎn)動(dòng)，正時(shí)齒輪系的凸輪軸齒輪再驅(qū)動(dòng)調(diào)速器座錐齒輪組件，然后經(jīng)直齒圓錐齒輪變速后帶動(dòng)調(diào)速器傳動(dòng)軸工作。調(diào)速器通過(guò)輸出軸與噴油泵控制裝置的調(diào)速搖臂相連接，操縱桿系在連接到噴油泵供油齒條上，將調(diào)速器輸出的角行程，轉(zhuǎn)換為噴油泵齒條的直行程，來(lái)控制噴油泵油量增減，進(jìn)而控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化。如圖1所示。

調(diào)速器是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)。柴油機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行的條件是輸出的功率必須與外界負(fù)荷相平衡，而外界負(fù)荷的變化必將引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化。柴油機(jī)的輸出功率直接與噴油泵送入氣缸的燃油量有關(guān)。如果噴油泵供油量保持不變，那么外界負(fù)荷減小時(shí)轉(zhuǎn)速就會(huì)升高;外界負(fù)荷增加時(shí)，轉(zhuǎn)速就會(huì)降低。調(diào)速器的作用是當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，自動(dòng)增加噴油泵的供油量;轉(zhuǎn)速升高時(shí)自動(dòng)減少噴油泵的供油量，使噴油泵的供油量始終與外界負(fù)荷相適應(yīng)，從而來(lái)保證柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)研究柴油機(jī)整個(gè)油門控制系統(tǒng)零部件組成，排查各零部件的功能，觀測(cè)各零部件在柴油機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中狀態(tài)，查閱調(diào)速器使用說(shuō)明書(shū)，分析造成油門拉桿抖動(dòng)的可能原因有以下幾點(diǎn)：①調(diào)速器一致性差異，主要表現(xiàn)在滑閥系統(tǒng)（柱塞和滑閥套）間隙超差;球頭、推力軸承磨損，組件配合間隙超差;調(diào)速?gòu)椈蓮澢?動(dòng)力齒輪嚙合齒隙超差;傳動(dòng)軸油封損壞;調(diào)速器系統(tǒng)中有空氣等。②調(diào)速搖臂安裝不合理。③彈性連接機(jī)構(gòu)彈簧設(shè)計(jì)不合理。④調(diào)速器用油不合理。⑤調(diào)速器傳動(dòng)速比不合。⑥調(diào)速器驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在調(diào)速器座傳動(dòng)齒輪系的安裝，齒隙超差;傳動(dòng)齒輪齒形、粗糙度超差;齒輪軸彎曲;調(diào)速器驅(qū)動(dòng)軸受扭轉(zhuǎn)力;調(diào)速器連接螺栓松動(dòng)。⑦油門拉桿組件卡滯。詳見(jiàn)圖2故障樹(shù)。

2 ?制定驗(yàn)證計(jì)劃

根據(jù)以上原因故障樹(shù)分析，結(jié)合試驗(yàn)中心柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)故障現(xiàn)象表現(xiàn)，聯(lián)合廠內(nèi)質(zhì)量、技術(shù)、工藝，共同制定表1驗(yàn)證計(jì)劃。

3 ?驗(yàn)證并確定根本原因

3.1 調(diào)速器一致性差異驗(yàn)證

柴油機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中，有的故障現(xiàn)象可以通過(guò)調(diào)整調(diào)速器的補(bǔ)償調(diào)整解決。例如，①調(diào)整補(bǔ)償指針，柴油機(jī)起動(dòng)后，松開(kāi)固定補(bǔ)償指針的螺母，把指針?lè)诺娇潭劝迳献畲笪恢锰?，然后旋緊螺母;②調(diào)整補(bǔ)償針閥開(kāi)度，打開(kāi)底座上的補(bǔ)償節(jié)流針閥2～3圈，讓柴油機(jī)游車幾分鐘，使調(diào)速器油路中的空氣排出，然后松開(kāi)補(bǔ)償指針螺母，把補(bǔ)償指針?lè)诺娇潭劝迳献钚∥晃恢?，旋緊螺母;③慢慢關(guān)小針閥開(kāi)度直至游車恰好終止，不要超過(guò)這個(gè)位置;調(diào)完關(guān)閉針閥，確認(rèn)針閥開(kāi)度大于1/4圈，補(bǔ)償指針小于80%刻度，調(diào)速器工作正常。調(diào)速器結(jié)構(gòu)原理圖詳見(jiàn)圖3。

有的故障現(xiàn)象調(diào)整調(diào)速器補(bǔ)償后，仍然無(wú)法解決，但更換調(diào)速器后故障消除。這種情況主要是調(diào)速器一致性差異造成。針對(duì)此情況，我們將有故障現(xiàn)象的調(diào)速器和無(wú)故障現(xiàn)象的調(diào)速器進(jìn)行單獨(dú)拆檢，對(duì)主要零部件尺寸，裝配后尺寸進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)影響調(diào)速器輸出軸穩(wěn)定工作的因素有：滑閥系統(tǒng)間隙，球頭和飛錘質(zhì)量，推力軸承裝配間隙，調(diào)速?gòu)椈尚螤?、?dòng)力齒輪嚙合齒隙等。通過(guò)多次試驗(yàn)、測(cè)量分析確定，關(guān)鍵因素是推力軸承裝配間隙是否超差，調(diào)速?gòu)椈蓜偠纫恢滦允欠穹€(wěn)定。以上兩點(diǎn)如能保證，調(diào)速器的一致性就能得到基本保證，就不會(huì)造成調(diào)速器輸出軸抖動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)油門拉桿抖動(dòng)。

3.2 調(diào)速搖臂安裝不合理驗(yàn)證

通過(guò)查閱調(diào)速器說(shuō)明書(shū)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)齒條全行程占調(diào)速器輸出軸全行程80%，最大、最小位置各留10%的余量，空載到滿載占調(diào)速器輸出軸全行程約60%，如圖4所示。通過(guò)調(diào)整搖臂安裝位置尺寸L，如圖5所示，可以滿足調(diào)速器的使用要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)查證，適當(dāng)縮小L的長(zhǎng)度，有利于降低油門抖動(dòng)，但不能完全解決。說(shuō)明調(diào)速搖臂安裝位置可以一定程度緩解抖動(dòng)現(xiàn)象，但不能完全消除，不是主因。

3.3 彈性連接機(jī)構(gòu)彈簧設(shè)計(jì)不合理驗(yàn)證

故障發(fā)生初期，懷疑是彈性連接機(jī)構(gòu)彈簧共振造成抖動(dòng)現(xiàn)象。設(shè)計(jì)新彈簧，提升彈簧剛度，剛度是原來(lái)彈簧的10倍，然后進(jìn)行裝機(jī)驗(yàn)證。多次試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)，彈性連接機(jī)構(gòu)彈簧提升剛度后，對(duì)緩解油門拉桿抖動(dòng)，有一定效果（抑制調(diào)速器輸出軸抖動(dòng)），但不能完全消除抖動(dòng)現(xiàn)象。因此認(rèn)為，不是共振造成的，彈性連接機(jī)構(gòu)彈簧剛度值，不是油門拉桿抖動(dòng)的主要原因。

3.4 調(diào)速器用油不合理

對(duì)調(diào)速器用油進(jìn)行排查，調(diào)速器油符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（46# L-TSA汽輪機(jī)油，GB-11120-1989）要求;柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，油溫也未超限值（限值：80℃）。對(duì)潤(rùn)滑油品質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，成分、粘度等指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn);油品中未見(jiàn)雜質(zhì)，未變色，滿足調(diào)速器說(shuō)明書(shū)使用要求。

3.5 調(diào)速器傳動(dòng)速比不合適

對(duì)調(diào)速器速比進(jìn)行校核計(jì)算，柴油機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速段乘以速比（1.5）算出的調(diào)速器工作轉(zhuǎn)速，滿足調(diào)速器工作轉(zhuǎn)速推介范圍（500r/min-1500r/min）。與同類機(jī)型對(duì)比，速比差異不大，也在統(tǒng)計(jì)學(xué)范圍內(nèi)。詳見(jiàn)表2。

3.6 調(diào)速器驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定

經(jīng)過(guò)梳理，影響調(diào)速器驅(qū)動(dòng)的主要因素有：花鍵套、錐齒輪組、齒輪軸、調(diào)速器座軸孔等零件加工質(zhì)量，錐齒輪嚙合間隙，軸向間隙等，詳見(jiàn)圖6。通過(guò)對(duì)零部件質(zhì)量檢測(cè)，以及對(duì)比同類機(jī)型齒輪傳動(dòng)嚙合間隙，發(fā)現(xiàn)錐齒輪嚙合間隙對(duì)齒輪驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性影響很大。對(duì)故障件進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在個(gè)別方向上錐齒輪齒隙超差達(dá)到0.46mm。圖紙與工藝要求，錐齒輪齒隙0.12mm-0.24mm。重新選裝配對(duì)錐齒輪，裝配后控制齒隙范圍在0.16mm-0.23mm，重新試車，油門拉桿抖動(dòng)現(xiàn)象消除。因此，齒隙超差造成調(diào)速器驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定，是產(chǎn)生油門拉桿抖動(dòng)的主要原因之一。

3.7 油門拉桿組件卡滯

通過(guò)與油門拉桿組件配合間隙對(duì)比分析，傳動(dòng)軸與軸承孔隙間控制合理。對(duì)有油門抖動(dòng)故障的和沒(méi)有抖動(dòng)故障的柴油機(jī)傳動(dòng)軸與軸承孔隙間進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果滿足圖紙要求。用彈簧秤拉動(dòng)操縱桿系，顯示阻力相當(dāng)，受理均小于4Nm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 ?總結(jié)

通過(guò)以上原因分析、改進(jìn)、驗(yàn)證，確定了此船用柴油機(jī)油門拉桿抖動(dòng)的主要原因是：①調(diào)速器中的推力軸承裝配間隙超差;②調(diào)速器中的調(diào)速?gòu)椈少|(zhì)量超差;③調(diào)速器傳動(dòng)座錐齒輪嚙合間隙超差。改進(jìn)措施：①嚴(yán)格控制調(diào)速器推力軸承裝配間隙、指定調(diào)速?gòu)椈晒?yīng)商，保證調(diào)速?gòu)椈少|(zhì)量一致性;②出廠試驗(yàn)時(shí)，加嚴(yán)了調(diào)速器在700r/min-1100r/min范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)考核;③嚴(yán)格控制調(diào)速器座錐齒輪嚙合間隙、保證間隙滿足要求。本次對(duì)同一型號(hào)不同柴油機(jī)表現(xiàn)出相同故障現(xiàn)象的問(wèn)題進(jìn)行了分析總結(jié)，為今后工作中遇到類似問(wèn)題，提供了分析思路和解決問(wèn)題的辦法。

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