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。隨著船舶行業的不斷發展，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，如不及時發現處理，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。檢查發現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律外，沒有其他規律。從以上測量數據可以看出，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）模態計算結果

圖5 彈性支撐（T 型梁）模態計算結果

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 柴油機公共基座優化設計

公共底座原設計方案下，整體安裝狀態見圖7。公共底座在改進設計后，整體安裝狀態見圖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

圖8 公共底座（改進后）整體安裝狀態

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化設計和柴油機公共底座結構的優化設計，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試驗中得到了充分驗證。