船用高速柴油機的潤滑分析

趙普康

摘要：船用柴油機可以根據轉速或者活塞平均速度進行劃分，通過分析船用高速柴油機的定義，討論船用高速柴油機潤滑技術的性能要求。由于不同工況下，柴油機潤滑性能不盡相同，對幾種特殊工況進行分析。最后介紹了船用高速柴油機潤滑油的選用。

關鍵詞：高速柴油機；潤滑；主軸承；潤滑油

中圖分類號U6 文獻標識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0179-02

1406年鄭和下西洋以來，世界范圍內船舶運輸得到快速發展，內燃機的發展無疑推動整個船舶運輸業的進步。如何改善船用柴油機的性能，提高耐久性，是人們長期關注的重點，具有很強的現實意義。為了更好地討論高速柴油機潤滑性能，以9632大功率船用柴油機為例，討論其主軸頸的潤滑性能，對于其他類似船用高速柴油機均有借鑒意義。

1.船用高速柴油機概述

船用柴油機有多種形式，相應的劃分方法很多，常見的是以下3種：1）根據工作循環特點不同，可以分為二沖程柴油機與四沖程柴油機；2）根據進氣方式不同進行劃分；3）根據柴油機轉速或者活塞平均速度的不同進行劃分。本文的討論對象是高速柴油機，可以依據內燃機轉速或者活塞平均速度進行界定，采用這種方式劃分，可以將船用柴油機劃分為低速柴油機、中速柴油機與高速柴油機。

高速柴油機在現代船舶中應用越來越廣泛，并且逐漸采用了渦輪增加等設計。高速柴油機相關技術更新換代很快，經濟性越來越高，氣缸數量不斷增多，轉速早已超過1200r/min，進而保證了船舶更快的運行速度，提高航運效率。

2.船用高速柴油機潤滑油技術性能要求

船用柴油機每年消耗的潤滑油數量很大，全球每年消耗超過300萬噸，盡管如此，各個國家對于潤滑油技術性能并未形成統一標準，船用柴油機機油供應商根據柴油機使用情況與工作特點，使得潤滑油具備一定規格，并開展大量船用機油研究與產品開發工作。盡管當前國際范圍內尚未在船用柴油機機油方面形成統一標準，但是各國對潤滑油性能的描述大體相同，因此，規格牌號與命名方法相差不大。

船用四沖程高速柴油機結構以及工作循環特點和車用柴油機類似，在其潤滑系統中，曲軸箱、缸孔、主軸頸、連桿大小頭使用一套潤滑系統，采用相同潤滑油。所用潤滑油水層大于1，乳化層小于0.6，粘度指數大于95。

3.不同工況下主軸承潤滑性能

3.1全負荷各轉速下主軸承潤滑性能

依照GB/T3475進行試驗，在全負荷情況下，取四個不同轉速進行試驗，進而獲得4個情況下的扭矩情況。GB/T3475規定選用標定轉速的63%、80%、91%以及100%，因此對于9632高速柴油機而言，測試工況轉速分別為380、492、591、600（r/min），其主軸承的扭矩值以此為815、826、1024、1293（N·m）。主軸頸總共有10個，從前端往后端依次編號為MB1、MB2……、MB9、MBl0。10個主軸頸在不同工況下的最大負荷情況如表1所示。

從表1不難發現，在全負荷情況下，隨著轉速由600r/min下降到380r/min，主軸頸承受的最大負荷是不斷增加的，而且在380r/min時，各主軸頸均達到最大負荷的最大值，這符合柴油機受力情況。主軸頸所受的力由爆發壓力、往復慣性力與旋轉慣性力共同組成。對于某一特定轉速，主軸承所受最大負荷是急燃期，這個時候缸內爆發壓力最大。慣性力與轉速成正比，因此，轉速降低的情況下，往復慣性力與旋轉慣性力會減小。之所以低轉速下，主軸承所受負荷最大，是因為柴油通過改變進油量調節轉速大小，轉速越小，扭矩越大，此時進油量更大，氣缸壓力增大，隨著進油量增加，缸內壓力增大，使得主軸頸負荷更大。

為了分析主軸頸的潤滑情況，可以使用有限差分法，降低計算量。將表1所示的軸承負荷作為邊界條件，結合軸承參數獲得油膜壓力分布曲線，基于Holland法可以得到最小油膜厚度。

主軸承最小油膜厚度在不同轉速下差別很大，而且不同主軸承隨著轉速的變化規律不同。其中MH1、MB3與MB4所受負荷雖然不是最大，但是油膜厚度小于臨界值，可見油膜厚度與軸頸運動直接相關。偏心角變化率等于0.5時，剪切流等于0，旋轉油膜力等于0，偏心率變化率大約等于0，油膜厚度很小。隨著轉速增大，最大油膜壓力呈現出上升趨勢，各主軸頸的最大油膜壓力分布和負荷分布大致相同，這也為預測危險部位提供方法。

3.2相同轉速不同負荷時主軸承潤滑性能

維持柴油機在380r/min的轉速下運動，改變負荷率。各個主軸承隨著負荷率的變化規律不同，其中MB4在負荷率為50%時最小油膜厚度最小，而MB5與MB9則在負荷率為75%時最小油膜厚度最小。對于最大油膜壓力而言，當負荷率增大時，各主軸頸最大油膜壓力是增大的。

4.船用高速柴油機潤滑油的選用

在評價潤滑油是否符合船用高速柴油機使用要求以及基本技術參數以外，還需要綜合考慮檢驗期采用的燃料油是否滿足要求。在明確基本技術參數以后，可以通過查表的方式得到船用高速柴油機所用機油的粘度等級，這一等級往往在柴油機設計階段就已確定，不可更換其他牌號機油使用。之所以考慮燃料油，是為了獲得船用機油的堿值等級。通常認為，當選擇高硫燃料時，雖然有時進行清凈度比分，和低硫燃料相比差距不會太大，但是當硫含量超過一定值后，可能會導致活塞環卡死等危險現象。因此，在明確了機油粘度等級之后，還必須準確得到堿值等級。

船用高速柴油機可以以中速機為參考依據，將中速機油用于潤滑介質，借助于注油孔將潤滑油運送到缸壁與活塞上。由于潤滑油與燃油不可避免地、或多或少地會混合在一起，在壓燃過程中生成SOx，從船舶安全性與可靠性潤滑角度來看，燃料硫含量也直接影響潤滑油堿度，高速機油堿值中心值選擇與燃料含硫量的對應關系如表2所示。

5.結論

高速柴油機是船舶必不可少的動力源，由于工作環境惡劣，必須充分重視高速柴油機的潤滑。潤滑分析主要分為潤滑油選取與主要部位潤滑性能2部分，本文對船用高速柴油機潤滑油性能要求進行分析，以主軸頸為例討論其潤滑性能。除此之外，船舶高速柴油機還需要考慮粘度等級以及堿值牌號。