某船推進(jìn)柴油機排氣溫度異常故障原因分析

胡繼敏，談 鋒

（海軍駐江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

某船推進(jìn)柴油機排氣溫度異常故障原因分析

胡繼敏，談 鋒

（海軍駐江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

介紹了某船推進(jìn)柴油機排氣溫度異常故障發(fā)生及檢查處理過程。針對故障原因進(jìn)行驗證檢查，并尋找到改進(jìn)方法。該過程對船舶設(shè)計生產(chǎn)人員處理故障問題具有借鑒作用。

船用主機；排氣溫度；氣門挺桿；原因分析

0 引言

某船在國內(nèi)采用了額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的MTU956高速大功率柴油機作為該船推進(jìn)主機，兩臺主機各自通過萬向聯(lián)軸器、減速齒輪箱驅(qū)動雙軸系，進(jìn)而帶動螺旋槳。

在一次航行試驗中，推進(jìn)柴油機左機的多個氣缸發(fā)生了排氣溫度異常的故障，進(jìn)而導(dǎo)致降負(fù)荷停機。故障發(fā)生后，船廠迅速組織有關(guān)單位趕赴現(xiàn)場，對左機進(jìn)行了初步外觀勘察，發(fā)現(xiàn)某個氣缸進(jìn)氣支管外表面油漆焦黃。打開缸蓋罩殼后，發(fā)現(xiàn)排氣挺桿斷裂、進(jìn)氣挺桿彎曲。通過調(diào)取推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的歷史運行數(shù)據(jù)得到，多個氣缸都存在排氣溫度異常，且變化規(guī)律不完全一致。因此，要判斷氣缸的排氣挺桿斷裂是否為該次故障的直接原因，還需要結(jié)合氣缸拆檢、尺寸測量以及排氣挺桿的力學(xué)分析，對各缸排氣溫度的規(guī)律進(jìn)行合理解釋。

1 故障現(xiàn)象描述

調(diào)出推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)得出，某日11時19分至25分B7、B8、B9、B10缸排氣溫度異常，但整機排氣溫度平均值基本穩(wěn)定在600℃左右。如圖1～圖4所示，其中B7缸排氣溫度在11時19分后，持續(xù)下降至400℃以下；B10缸則先是迅速降低至400℃以下，然后又迅速升高到800℃左右；B8缸排氣溫度則一直在800℃以上；B9缸排氣溫度基本維持在700℃附近，即超過平均排氣溫度100℃左右。

圖1 B7缸排氣溫度

圖2 B8缸排氣溫度

圖3 B9缸排氣溫度

圖4 B10缸排氣溫度

2 拆檢項目確定

故障發(fā)生后，對故障柴油機進(jìn)行了初步勘察，發(fā)現(xiàn)B6缸進(jìn)氣支管外表面油漆焦黃，打開缸罩殼發(fā)現(xiàn)排氣挺桿斷裂，進(jìn)氣挺桿彎曲。

該型柴油機進(jìn)、排汽挺桿規(guī)格為精拔45-φ25×2.5Y GB3639，挺桿長度分別為444.8mm和358.8mm，對挺桿的機械性能要求為抗拉強度≥645MPa，延伸率≥4%。為進(jìn)一步分析故障原因，決定對各氣缸進(jìn)行針對性檢查，具體檢測項目如下：

1）通過吊缸，檢查發(fā)生排氣溫度異常的B6-B10等氣缸內(nèi)部情況；

2）檢查其余各氣缸的缸蓋、缸套和活塞頂?shù)攘悴考砻媲闆r；

3）超聲波測量各氣缸進(jìn)、排氣挺桿的壁厚情況；

4）對B6缸損壞的進(jìn)、排氣挺桿做力學(xué)和斷口失效分析。

3 檢測結(jié)果

3.1 各氣缸部件檢查情況

對B6-B10缸分別進(jìn)行了吊缸檢查，情況為：1）對比情況正常的B5缸，B6～B10缸的進(jìn)氣支管煙熏嚴(yán)重，如圖5所示；2）B6、B8、B10缸的進(jìn)氣閥桿和閥面皆煙熏嚴(yán)重，如圖6所示；3）在B10缸套表面的10點至5點鐘方向，有一道貫穿劃痕，且該缸活塞頂?shù)姆e碳程度較為嚴(yán)重，分別如圖7、圖8所示。

除此之外，檢查其余各氣缸的缸蓋、缸套和活塞頂?shù)攘悴考砻媲闆r，均未發(fā)生異常，且各缸進(jìn)、排氣挺桿均目測無異常。

3.2 各氣缸進(jìn)、排氣挺桿壁厚檢查情況

用超聲波測量了各缸進(jìn)、排氣挺桿的壁厚，這里以圓心為對稱點，取兩側(cè)壁厚測量值作為一組數(shù)據(jù)，設(shè)為(Di1，Di2),i=1,2,……，n。其中，Di1

圖5 缸進(jìn)氣支管煙熏情況

圖6 進(jìn)氣閥桿和閥面處煙熏情況

圖7 缸套表面的劃痕情況

圖8 氣缸活塞頂積碳情況

為反映挺桿壁厚的偏差程度，定義偏差度dmax=max(Di2/Di1),i=1,2,……,n。顯然，dmax越大，則表明挺桿壁厚的偏差程度就越大，測量結(jié)果見表1。

表1 各缸進(jìn)、排氣挺桿的壁厚偏差度dmax測量結(jié)果

從測量數(shù)據(jù)可看出，B6缸排氣挺桿的壁厚偏差程度要遠(yuǎn)小于其余各缸，故可判斷該挺桿在加工內(nèi)孔時偏移較大，導(dǎo)致該桿的局部壁厚偏差嚴(yán)重。

3.3 進(jìn)、排氣挺桿力學(xué)和斷口失效分析結(jié)果

圖9給出了排氣挺桿的受力分析圖，當(dāng)氣缸排氣時，挺桿下部受到凸輪的作用力F2，并將該推力傳給上部的搖臂，后者經(jīng)搖臂軸，將受力傳遞給氣閥端，從而開啟氣閥進(jìn)行排氣。此時，氣閥對搖臂的反作用力為F3，搖臂對挺桿的反作用力為F1。

經(jīng)斷口失效分析表明，由于B6氣缸排氣挺桿壁厚偏差嚴(yán)重，該處承受能力極差，導(dǎo)致其工作時存在彎曲變形，且內(nèi)壁加工壁厚較粗糙，在交變應(yīng)力的作用下，首先裂紋在薄壁區(qū)域的內(nèi)壁萌生裂紋，裂紋以疲勞的方式擴(kuò)展。圖10給出了裂紋擴(kuò)展的三個方向，包括：從薄壁往厚壁處擴(kuò)展的兩個方向（a和b）以及厚壁處由外向內(nèi)的一個方向（c）。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到挺桿剩余截面無法承受其工作應(yīng)力后，發(fā)生斷裂。

圖10 排氣挺桿截面的裂紋擴(kuò)展情況

當(dāng)B6缸排氣挺桿斷裂后，排氣閥始終處于常閉狀態(tài)，排氣受阻，使B6缸內(nèi)燃?xì)鈮毫ι摺．?dāng)進(jìn)氣閥開啟時，進(jìn)氣挺桿承受的壓力不斷升高，經(jīng)力學(xué)分析確認(rèn)，不斷增高的壓力值最導(dǎo)致進(jìn)氣挺桿被壓彎曲。

4 故障原因分析

根據(jù)故障情況及檢測結(jié)果，可以推斷氣缸排氣溫度異常的故障是由于排氣挺桿斷裂導(dǎo)致，其他現(xiàn)象均由此引起。圖11和圖12分別給出了各缸排氣管布置圖和進(jìn)汽閥開啟時刻圖，基于兩者對故障原因分析如下：

1）B6-B10缸的進(jìn)氣支管煙熏嚴(yán)重原因分析。

B6缸排氣挺桿斷裂導(dǎo)致排汽閥常閉后，缸內(nèi)高壓燃?xì)庠谶M(jìn)氣閥打開初期，就通過該缸進(jìn)氣支管串入進(jìn)氣總管，并連同各缸進(jìn)氣支管一并受熱發(fā)黃。且從B6缸進(jìn)氣支管呈現(xiàn)焦黃色可初步判斷，排氣閥常閉后，B6缸仍在發(fā)火工作，并持續(xù)有高溫燃?xì)馔ㄟ^進(jìn)氣支管竄入進(jìn)氣總管。

2）B7、B8、B9、B10缸排氣溫度異常原因分析。

高溫燃?xì)獯脒M(jìn)氣總管，并與新鮮空氣混合后，降低了總管內(nèi)氧氣濃度，并提高了總管內(nèi)溫度。當(dāng)氧氣濃度不能滿足缸內(nèi)燃油正常燃燒條件時，該缸因未完全燃燒而造成排氣溫度較低；當(dāng)氧氣濃度能滿足缸內(nèi)燃油正常燃燒條件時，由于進(jìn)氣溫度提高會導(dǎo)致排氣溫度明顯升高。

從圖12可以看出，在B6進(jìn)氣閥開啟初期，B7缸進(jìn)氣閥仍在開啟階段，B6缸內(nèi)高溫燃?xì)鈱⒔?jīng)由B6缸、B7缸進(jìn)氣通道大量串入B7缸內(nèi)，此時缸內(nèi)氧氣濃度較低，因此排氣溫度持續(xù)下降至400℃。

而B10缸在進(jìn)氣閥開啟初期，由于B6缸進(jìn)氣閥還未關(guān)閉，則前者排氣溫度也迅速降到400℃，但在后期由于B6缸進(jìn)氣閥已經(jīng)關(guān)閉，缸內(nèi)高溫燃?xì)獗蛔韪?，進(jìn)氣總管新鮮空氣比例增大，氧氣溶度增加，B10缸排氣溫度也迅速升高到800℃。

同理分析可得，由于B8、B9缸進(jìn)氣閥開啟時刻未與B6缸重疊，因此排氣溫度一直較高，前者一致在800℃以上。而從圖11可看出，由于B9缸與B7缸排氣管路互通，因此前者排氣溫度也略微受到了后者降溫的影響，其溫度值基本維持在700℃附近，但仍超過平均排溫100℃左右。

3）B10缸拉痕原因分析。

從圖12可以看出，在B10缸進(jìn)氣閥打開初期，B6缸進(jìn)氣閥就已經(jīng)開啟了一段時間，總管內(nèi)大量的高溫燃?xì)鈴腂10缸進(jìn)氣通道傳入氣缸，造成該缸從進(jìn)氣開始就一直處于未完全燃燒狀態(tài)，不斷聚積的未燃燒顆粒最終導(dǎo)致了B10缸拉傷。

4）其他現(xiàn)象原因分析

B10缸氣缸活塞頂積碳也是因為缸內(nèi)未完全燃燒造成，而B6、B8、B10缸的進(jìn)氣閥桿和閥面處煙熏嚴(yán)重，則是由于進(jìn)氣總管內(nèi)高溫燃?xì)獯敫鬟M(jìn)氣支管所致。

圖11 排氣挺桿截面的裂紋擴(kuò)展情況

圖12 各缸進(jìn)氣閥開啟時刻圖

5 結(jié)論

通過對該機零部件進(jìn)行外觀勘察、運行數(shù)據(jù)對比、氣缸拆檢、厚度測量以及力學(xué)分析，最終查明了該起故障的發(fā)生，是由于B6氣缸排氣挺桿斷裂導(dǎo)致該缸排氣閥處于常閉狀態(tài)，致使缸內(nèi)大量高溫燃?xì)庠谶M(jìn)氣閥開啟時串入進(jìn)氣總管而引起。另外，B6缸進(jìn)氣挺桿彎曲、B6-B10缸進(jìn)氣支管煙熏嚴(yán)重、B10缸拉很及活塞頂積碳等現(xiàn)象也均由此引起。因此，通過改進(jìn)挺桿鉆孔工藝、提高壁厚檢驗的有效控制，可避免類似問題的再次發(fā)生。

[1]杜榮銘.船舶柴油機[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2014.

[2]王文斌.機械工程手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[3]戈曉風(fēng),王特典.工程材料[M].南京:東南大學(xué)出版社,2000.

Causes Analysis on Exhaust Temperature Abnormalities for A Certain Ship’s Main Propulsion Diesel Engine

Hu Ji-min,Tan Feng
(Naval Military Reprentative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 201913,China)

In this paper,the occurrence and check-out process of exhaust temperature abnormalities for a certain ship’s main propulsion diesel engine are introduced.The cause of the malfunction has been examined and the improvement has been carried out,which can be a guidance to deal with other failures.

marine engine; exhaust temperature; valve tappet; failure

U664.1

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.016

胡繼敏（1985-），男，漢族，工程師。主要從事艦船機電工程工作。