核應急柴油機燃油滾輪和凸輪異常磨損與滾輪內孔母線形態的分析

張軍懷

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

核應急柴油機燃油滾輪和凸輪異常磨損與滾輪內孔母線形態的分析

張軍懷

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

針對某型核應急柴油機燃油滾輪與凸輪異常磨損現象，研究了燃油滾輪與凸輪異常磨損的機理，通過對故障機構建立有限元模型及應力分析，分析了燃油滾輪和凸輪異常磨損與滾輪內孔母線形態的關系，并給出了解決這一故障的應對措施。經過實踐驗證表明，該措施是可行的。

核應急柴油機；燃油滾輪；滾輪內孔母線形態；異常磨損

核應急柴油發電機組作為核電站緊急備用電源[1]，在廠外電源喪失的情況下，能確保反應堆緊急安全停堆，同時為重要安全設施供電，保證設備和人身安全；因此，對核應急柴油發電機組，特別是柴油機的可靠性要求非常高，出廠試驗一般要經過單機試驗和聯機試驗，試驗后拆檢分析關鍵件及重要件的質量狀況，并以此分析評估應急柴油發電機組的可靠性。

本文針對某型核應急柴油機(編號為2-4#)故障機構(燃油頂升機構)中，燃油滾輪和凸輪實際異常磨損現象，通過對燃油頂升機構進行有限元建模及應力分析，結合同類其他機型對滾輪的設計要求進行對比分析，經過生產實踐驗證，分析了滾輪和凸輪早期異常磨損與燃油滾輪內孔母線形態的關系，進而從設計要求及制造加工精度方面來控制燃油滾輪內孔母線形態，解決了該型柴油機燃油滾輪與凸輪異常磨損問題[2]。

1 燃油頂升機構介紹及異常磨損現象的分析

1.1 燃油頂升機構工作原理介紹[3-5]

該型柴油機出現故障的零件屬于燃油頂升機構，其中凸輪軸和凸輪加工為一體，軸上每組凸輪包含進氣凸輪、排氣凸輪和燃油凸輪。各個凸輪之間按照相應的相位角度排列，每組凸輪對應于柴油機的每一缸。柴油機工作過程中，曲軸通過齒輪傳遞動力給凸輪軸，帶動凸輪軸轉動。凸輪軸的轉動帶動燃油凸輪，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，燃油經噴油器噴入柴油機氣缸后，在氣缸中燃燒并推動活塞運動。進、排氣凸輪控制氣閥的運動，各個氣缸的進、排氣凸輪按照配氣相位和點火次序的關系配置在凸輪軸上，進、排氣凸輪的升程和型線決定了氣閥的開起和關閉時間，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、放周期性運動。燃油頂升機構圖如圖1所示。

圖1 燃油頂升機構圖

1.2 燃油滾輪與凸輪異常磨損現象

某型核應急柴油機(編號為2-4#)在經過單機和聯機共計約48 h試驗后，拆檢發現3#缸和6#缸對應的燃油滾輪和凸輪出現異常磨損。對該臺柴油機故障零部件、關聯零部件拆解檢查發現，3#和6#缸對應的高壓油泵滾輪外圓表面(與燃油凸輪配合面)和內孔表面(與滾輪銷配合面)均出現異常磨損，對應配合的滾輪銷也出現異常磨損，滾輪銷的磨損區域出現在與燃油滾輪接觸表面的兩端。對該臺柴油機其余高壓油泵進行拆檢發現，1#和4#缸對應的高壓油泵滾輪內孔及滾輪銷外圓端均出現了異常磨損，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滾輪銷沒有發現問題。

1.3 引發故障現象原因的初步分析

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顆?；烊攵鸬摹L輪內孔與滾輪銷對應的配合面同時出現異常磨損痕跡，顯示出燃油滾輪與滾輪銷之間相對運動出現問題，應發生過卡滯現象，導致滾輪異常磨損。上述現象初步分析認為，造成本次質量問題的可能原因是相關零部件制造質量問題、燃油滾輪與凸輪之間的潤滑不良、以及系統清潔度問題等，導致燃油滾輪與滾輪銷之間發生卡滯，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由完全彈性潤滑狀態變為彈性潤滑狀態，再到邊界潤滑狀態，進而燃油滾輪與凸輪之間的潤滑油膜被破壞，最終導致了異常磨損現象的發生。

根據上述初步原因分析，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量、清潔度、潤滑油流量及壓力、動車運轉過程，共計4大類11個關聯因素。采取逐一排除法，最終排除了清潔度、潤滑油流量及壓力、動車運轉過程等因素；同時，經過核查，將故障現象關聯的其他零部件制造質量問題也逐一排除；最終，初步分析造成異常磨損現象的原因為滾輪本身的制造質量問題。

圖2 燃油滾輪與凸輪異常磨損的故障樹

2 故障現象的磨損機理分析

依據質量記錄文件，對該型柴油機以往發生的同類異常磨損情況進行了統計分析(見表1)。燃油滾輪與凸輪異常磨損現象在該型柴油機上共發生過4次，出現異常磨損的滾輪占總數的17%。磨損現象分為2類：一類是滾輪外圓表面(與凸輪配合面)和內孔表面(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，而內孔表面存在異常磨損。2類內孔表面的磨損部位，均出現在滾輪內孔與滾輪銷配合面的兩端接觸部位。由此可以確認，燃油滾輪失效首先出現在內部，失效趨勢從內部向外部發展，早期異常磨損發生在滾輪銷與滾輪內孔的摩擦副，比較隱蔽，當內部磨損加劇擴展后，最終體現在滾輪與凸輪的摩擦副，經目視檢查暴露缺陷。

表1 該型柴油機以往發生的同類異常磨損情況統計分析表

3 失效零件的受力分析和驗證

圖3 滾輪內孔與滾輪銷的配合形式

為了進一步驗證對滾輪內孔設計結構形式分析的正確性，對故障機構進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行了應力分析，得出的結論和初步分析是一致的，即滾輪與滾輪銷配合面的接觸應力兩端大、中間小。在相同受力情況下，燃油滾輪內孔的母線形態呈現內收形時，滾輪與滾輪銷兩端接觸應力最大；燃油滾輪內孔的母線形態呈現外張形時，滾輪與滾輪銷兩端接觸應力最小，見表2，接觸應力的分布趨勢如圖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力

圖4 滾輪內孔與滾輪銷兩端接觸應力的分布趨勢

4 生產實際驗證

為了進一步驗證上述分析結果，在對該型柴油機質量跟蹤過程中，對多個批次共計80件滾輪內孔母線形態進行了檢測跟蹤。檢測后對內孔母線形態為直線形和內收形的2種形式均采用休磨方法，加工成母線形態呈外張形。加工后對檢查符合內孔母線形態控制要求的滾輪裝機，經過試驗驗證，沒有發現類似故障問題。

5 結語

燃油滾輪與凸輪異常磨損的主要原因是柴油機工作過程中，燃油頂升機構中的滾輪銷剛度相對較小，運行時會產生微小變形；在滾輪內孔加工后使母線形態呈內收形時，滾輪與滾輪銷兩端接觸部位應力及應變最大。而結構設計中，滾輪的潤滑油是從中間進入，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異常磨損，進而使滾輪與滾輪銷之間發生卡滯，導致燃油滾輪與凸輪異常磨損。通過對本次故障分析，模擬計算和生產實際的驗證表明，滾輪內孔母線的形態是影響該型柴油機燃油滾輪與凸輪早期異常磨損的一個重要因素,應引起設計、工藝和質量控制人員的重視。

[1] 宋幼勤.核電站應急柴油機組實現國產化[N].國際商報,2006-05-11(5).

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

[3] 《船用柴油機設計手冊》編委會.船用柴油機設計手冊(五)[M].北京：國防工業出版社，1982.

[4] 陳國華.有限元法在內燃機工程中的應用[M].武漢：華中工學院出版社，1985.

[5] 西南交通大學.機車柴油機機構設計[M].北京：中國鐵道出版社，1980.

責任編輯馬彤

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，大學本科，注冊設備監理師，主要從事核電站設備質量監督等方面的研究。

2014-09-18