基于有限元分析的船用柴油機缸套磨痕問題

趙宸翦，王曉陽，黃 歡

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

船用柴油機作為現(xiàn)代船舶最主要的原動機之一[1]，應用于不同類型船舶。隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，對柴油機的性能要求越來越高。除滿足自身作為原動機的屬性外，還應考慮高功率密度、高可靠性和低維護成本等多方面影響因素。

柴油機在使用過程中，柴油機氣缸套容易受機體變形、缸內積碳、裝配不良、曲軸間隙、機腳安裝力矩不足、滑油質量、燃油質量、長期低負荷運行等諸多因素影響而導致缸套內壁過度磨損，如不及時發(fā)現(xiàn)處理，容易造成柴油機拉缸和連桿斷裂等不良后果。

本文結合某型船用高速大功率柴油機的實際運用情況，通過對柴油機機腳結構、公共底座結構等改進設計，克服了柴油機機體剛度偏弱的缺點，有效地避免了缸套磨痕問題的形成，并在相關試驗中得到了充分驗證。

1 柴油機缸套磨痕情況

某型船用20缸高速大功率柴油機在試驗過程中對20個氣缸全部進行了檢查。檢查發(fā)現(xiàn)A1、A4、A5、A8、A9、A10、B5、B8、B9、B10共10個缸套非推力面存在不同程度的磨痕，其中最嚴重的磨痕范圍達到360°，見圖1、圖2和表1。

表1 缸套檢查和測量結果

圖1 柴油機缸套磨痕情況

圖2 柴油機缸套磨痕分布情況

從磨痕發(fā)生的缸套布置來看，兩端、中間都有，且兩列都存在；磨痕朝向輸出端和自由端的都有，除了磨痕具有非推力面的共同規(guī)律外，沒有其他規(guī)律。從以上測量數(shù)據(jù)可以看出，輕微磨痕的氣缸（如A1、A8）基本沒有手感，網紋尚在，其缸徑、橢圓度仍在新機要求的范圍之內，不影響使用；但磨痕面積較大、已有手感的氣缸套（如A4、A5、A9、A10、B5、B8、B9、B10）缸徑變化較大，超出新機裝配要求，甚至有些超出磨損極限，無法繼續(xù)使用，必須更換。

1.1 故障樹分析

建立故障樹如圖3所示，經排查和初步分析，本型柴油機是目前世界上缸徑最大的高速機，機體壁薄，缸徑大，缸數(shù)多，機體本身剛度偏弱，從歷史使用情況看，柴油機機體確實存在機體剛度偏弱的問題，由于機體剛性偏弱，容易受到安裝底面不平整等因素干擾，導致機體受到額外的應力，在柴油機運行時，使得缸孔變形，且軸向方向變成橢圓短軸，形成非推力面縱向磨痕，這是磨痕產生的主要原因。

圖3 缸套磨痕故障樹

2 柴油機機腳優(yōu)化設計

基于有限元分析[2-3]，將原設計方案分離式剛性機腳（見圖4）與彈性支腳（見圖5）進行了對比分析，并提出了整體式剛性機腳的方案（見圖6）。

圖4 剛性支撐方案（4 段式）模態(tài)計算結果

圖5 彈性支撐（T 型梁）模態(tài)計算結果

圖6 改進設計后的整體式機腳方案

通過對比分析，原設計方案（4段式）和T型梁結構，均沒有全面考慮到柴油機本體剛性差、容易受到外界因素干擾的特點，忽視了由此帶來的對機體缸孔變形的影響。

將分離式剛性機腳改為整體式后，見表2，整體剛度在彈性支撐（T型梁）基礎上提高了約10%。

表2 3 種設計結構的剛度對比

3 柴油機公共基座優(yōu)化設計

公共底座原設計方案下，整體安裝狀態(tài)見圖7。公共底座在改進設計后，整體安裝狀態(tài)見圖8。公共底座在原設計方案下的柴油機機體主要振型見圖9。改進后柴油機機體主要振型見圖10。

圖7 公共底座（原方案）整體安裝狀態(tài)

圖8 公共底座（改進后）整體安裝狀態(tài)

圖9 原方案柴油機機體主要振型

圖10 公共底座（改進后）柴油機機體主要振型

通過分別對原方案公共底座、改進后公共底座的對比分析，詳見圖11，改進后公共底座的整體剛度比原設計方案高約20%，有利于提高機體剛度，增強機體抗變形能力，減低磨痕概率。

圖11 主要模態(tài)振型對比分析

3 結論

針對磨痕形成的機理分析展開分析，此磨痕是缸套在柴油機運行狀態(tài)下受到外部應力而變形失圓，缸套軸向方向配合間隙變小，活塞環(huán)在軸向直徑減小處正向壓力加大，摩擦力增加而造成的；同時，過小的配合間隙使得更多的滑油進行燃燒室燃燒，形成結焦積碳，引起缸套磨粒磨損，加劇了磨痕的形成。

通過對柴油機機腳結構的優(yōu)化設計和柴油機公共底座結構的優(yōu)化設計，提高了機腳的支撐剛性和公共底座整體剛度，較大程度地提高了柴油機機體抗變形的能力，避免了缸套的過度變形失圓而導致的磨痕形成，以上改進設計在本型柴油機的后續(xù)試驗中得到了充分驗證。