船用大型低速柴油機液壓缸單元國產化工藝研究

梁 翱

（佛山市南海中南機械有限公司，廣東佛山 528247）

0 引言

當前環(huán)境保護和排放控制法規(guī)日益嚴格，國際海事組織（IMO）的海上環(huán)境保護委員會（MEPC）制訂的排放控制法規(guī)IMO Tier II和IMO Tier III，于2011年和2016年強制生效[1]。為滿足排放要求和進一步提高船用大功率低速柴油機的性能，傳統(tǒng)的機械控制裝置難以勝任，新型的智能電控系統(tǒng)應運而生。MAN公司的ME系列機型大功率低速柴油機就是其中的典型代表。

ME系列機型大功率低速柴油機是在傳統(tǒng)機械式MC系列機型上發(fā)展起來的，功能包括先進的電子控制液壓-機械系統(tǒng)控制燃油噴射[2]，排氣閥的打開及關閉，以及起動空氣和氣缸注油裝置的正時等。這套系統(tǒng)可以使柴油機在各個不同的功率輸出工況下實時動態(tài)精準運行參數，保證排放和性能的最優(yōu)狀態(tài)。

ME系列機型大功率低速柴油機相對于原MC系列機型，主要增加的功能部件包括液壓供油單元（HPS）、液壓氣缸單元（HCU）、柴油機控制系統(tǒng)（ECS），以及其他輔助機構[3]。

其中新增的液壓氣缸單元在加工、裝配方面要求非常嚴格，其穩(wěn)定和可靠性直接影響整機的工作性能和穩(wěn)定性。原來國內專利主機廠普遍直接進口整套液壓氣缸單元，價格昂貴[3]，而且交期難以滿足要求。液壓氣缸單元主要從韓國、日本的廠家進口，而這些廠商又是國內主機廠的競爭對手。韓、日廠商通常優(yōu)先保證自身的需求，然后才考慮出口。為了打破長期依賴進口受制于人的局面，實現液壓氣缸單元的國產化非常必要。

目前國內對于液壓氣缸單元大多側重理論分析和計算模擬[3-8]。本文通過對液壓氣缸單元圖紙及技術規(guī)范的技術消化吸收，加工工藝路線、方案的編制，加工、裝配過程的技術、質量問題分析、處理。了解和掌握了液壓氣缸單元加工、制造和裝配過程的關鍵技術和質量控制點。整理和提出的技術要點可供液壓氣缸單元及類似低速柴油機液壓控制系統(tǒng)加工、制造參考。

1 液壓氣缸單元

液壓氣缸單元的功能模塊原理圖如圖1所示，主要包含分配塊、燃油泵和排氣閥執(zhí)行機構。液壓供油單元（HPS）通過雙層高壓管道提供高壓（約30 MPa）液壓油到液壓氣缸單元，雙層高壓管安裝有泄漏檢測裝配，作為緊急運行用途，當內管泄漏時仍可以通過外管提供足夠的工作壓力。液壓氣缸單元的典型（60ME-C）整體外形如圖2所示。

分配塊負責將柴油機控制單元（CCU）發(fā)過來的電子信號轉換為液壓油的液壓動力信號。經過ELFI閥實現精準控制噴油動作。經過ELVA/PEVA閥控制排氣閥的精準開啟。

圖1 液壓氣缸單元原理圖

圖2 液壓氣缸單元軸側圖

圖3 分配塊軸側圖

燃油泵通過增壓活塞將低壓燃油增壓至60～100 MPa高壓，經過噴油器霧化噴入氣缸燃燒。排氣閥執(zhí)行機構通過二級活塞結構推動閥桿控制排氣閥的開啟，而空氣彈簧機構實現排氣閥的關閉。

2 液壓氣缸單元關鍵零部件的加工

2.1 分配塊

分配塊為六面體結構，如圖3所示，內部各種孔縱橫交錯，上表面安裝燃油泵和排氣閥執(zhí)行機構，前側面安裝電磁控制閥和蓄能器，左、右兩側安裝高壓液壓油管。

2.1.1 原材料質量控制

分配塊的材料目前有45#鋼鍛件和球墨鑄鐵鑄件兩種。分配塊在粗加工后應進行超聲波無損探傷，確認內部無鍛造、鑄造缺陷。精加工后所有零件的表面都應該仔細目測所有外表面，內孔、內孔倒角、內孔交叉部位，必要時使用放大鏡或工業(yè)內窺鏡輔助檢查。質量要求如下：

（1）表面必須要光滑平整，過渡部分圓滑無毛刺；

（2）每一個表面最多只允許有一個可打磨去除的缺陷，而且打磨去除深度不能超過1 mm；

（3）每個經過打磨的缺陷需要經過磁粉或著色滲透檢查確認再無缺陷；

（4）超聲波在45#鋼鍛件和球墨鑄鐵鑄件中的傳播速度為5 490～5 600 m/s，如果在分配塊原材料中的速度低于5 400 m/s，此材料應被拒絕使用。

2.1.2 加工難點分析

（1）分配塊液壓油孔縱橫貫穿，反復承受高壓沖擊，要求加工質量高，表面不允許毛刺和缺陷；

（2）液壓油孔多為深孔、小孔，最深長徑比達30倍；

（3）液壓高壓管道、控制閥塊的安裝面低于大平面，要求粗糙度RMS 0.8，平面度0.03，難以采用平面磨加工。

2.1.3 加工難點解決方案

（1）直徑小于等于25 mm的淺孔，采用合金涂層內冷麻花鉆頭加工；大于25 mm的淺孔采用安裝合金涂層刀片的可轉位U鉆加工。

（2）直徑小于等于25 mm的深孔，采用鉆、鉸深約2倍的引導孔，再用高壓內冷的槍鉆鉆頭加工余下深度；大于25 mm的深孔，同樣加工引導孔，刀具則采用專用帶引導支撐塊自平行、自引導的內冷外排深孔鉆頭加工。

（3）所有孔切削參數均采用高轉速，低進給方式，最大限度減少相交孔處的毛刺和翻邊。

（4）凹陷精密安裝平面經過多次試驗和檢測，工藝路線方案為，先粗加工平面，后加工孔，最后在精密加工中心上采用進口品牌的帶修光刃的精密臺肩銑刀加工，最終檢測表明粗糙度和平面度均優(yōu)于圖紙要求。

（5）對于深孔相交孔處的毛刺和翻邊，常規(guī)的打磨工具無法伸入打磨，參考國外的工藝方案，引入軟球頭珩磨刷技術。用180#的軟球頭珩磨刷安裝在手持旋轉工具上在相交孔部位來回珩磨，快速去除毛刺、翻邊，再用320#細軟球頭珩磨刷精珩。

2.2 燃油泵

燃油泵外形如圖4所示，內部結構如圖5所示，主要有殼體、柱塞套（頂蓋）、增壓柱塞、燃油柱塞這幾個零件。燃油泵的柱塞套（頂蓋）在燃油噴射階段承受100 MPa的壓力，除了要嚴格控制原材料和熱處理外，還要進行壓力測試，典型的壓力試驗工裝如圖6所示，試驗用的高壓油通過底部的接頭進入柱塞套（頂蓋）的內孔，通過壓力測試確保沒有內部隱藏的缺陷存在。燃油泵的柱塞套（頂蓋）和柱塞是精密偶件，配合間隙0.025～0.035 mm，因要符合排放法規(guī)的要求，設計圖紙不能夠更改。主要加工難點如下：

（1）柱塞套內孔H7配合公差，內孔表面滲氮處理，粗糙度RMS 0.05，圓柱度0.01，與安裝端面跳動0.01；

圖4 燃油泵軸側圖（安裝在分配塊上）

圖5 燃油泵剖視圖

（2）柱塞表面滲氮處理，外圓粗糙度RMS 0.1，圓柱度0.004，與端面垂直度0.005。

燃油泵加工難點解決方案：

（1）柱塞套粗加工、高溫去應力，內孔半精磨后，離子滲氮處理，一次裝夾精磨內孔和安裝端面，精密研磨內孔；

（2）使用精密氣動量儀檢測內孔尺寸并記錄用來配磨柱塞；

（3）柱塞滲氮后在高精度外圓磨上磨外圓和端面，外圓留余量，經低溫去應力和人工時效處理后備用；

（4）根據每個柱塞套內孔測精密測量數據在瑞士斯圖特（STUDER）S30超精密外圓磨床上磨削外圓。

圖6 柱塞套壓力試驗圖

2.3 排氣閥執(zhí)行機構

排氣閥執(zhí)行機構如圖7所示，主要包含氣缸殼體，上蓋，下蓋，一級活塞，二級活塞套。氣缸殼體采用球墨鑄鐵鑄造，關鍵是要控制好鑄件的質量。所有非加工面和加工面都要目測檢驗，非加工面的所有可視缺陷不需要可打磨去除，打磨的表面要圓滑過渡，而且要經過滲透著色檢測。所有加工面部允許有可視的缺陷。加工后要按規(guī)范進行壓力和泄漏檢測，確保內部無缺陷。

圖7 排氣閥執(zhí)行機構剖視圖

2.4 液壓氣缸單元（HCU）裝配前后的清洗和去毛刺

液壓氣缸單元（HCU）所包含的分配塊及其相連的液壓部件含有非常小的工作間隙，整個液壓系統(tǒng)對于臟物和細小的碎屑非常敏感。所有零部件在裝配前必須去毛刺和清洗，所有內孔必須要用內窺鏡仔細檢查，防止異物進入液壓系統(tǒng)。

（1）用軟球頭珩磨刷來去除內孔的毛刺；使用有機溶劑和超聲波清洗機中清洗內外表面，目測表面應無油脂和臟物；清洗后用壓縮空氣反復干吹各孔內部。

（2）使用煤油或類似脫脂清洗液沖洗所有內孔，沖洗后用壓縮空氣吹干。

（3）目測所有孔的表面清潔度，用內孔檢測儀或內窺鏡檢查所有深孔的內表面確保無臟物和毛刺。

（4）清洗后檢查確認所有孔干凈和無臟物、毛刺后，在孔內部填充氣相防銹劑或刷涂防銹劑，之后立即用塑料堵頭或膠帶封閉所有開放孔口，防止臟物進入。

3 結束語

液壓氣缸單元是ME機型的新增核心部件，通過關鍵零部件的試制，交客戶檢測、測試，并裝機使用。國產化的液壓氣缸單元長時間在船舶主機實際工作環(huán)境中裝機運行，性能穩(wěn)定、可靠、壽命符合設計要求。

在船用柴油機國產化過程中除了引進圖紙和標準規(guī)范外，也應盡可能引入國外加工工藝。關鍵零部件在國產化過程中應重視工藝過程控制，關鍵控制點和特殊過程要提前策劃，編寫過程控制方案、技術要求落實到人員，加工操作前要清楚工藝要求，如何控制，會出現什么問題，出現問題如何解決。要重視國外加工工藝和技術的充分消化、吸收，要結合國內人員水平、工藝裝備、原材料質量等實際情況改進。