關于TBD620系列柴油機渦流調節機構優化的研究

0 引言

“渦流調節機構”又稱“HALLO高低負荷最優化渦流技術”，是TBD620系列柴油機所特有的調整渦流比的一種機構。采用這一技術，使得TBD620系列柴油機進氣系統兼顧了高、低負荷對進氣渦流的不同需求，既保持了高負荷工況時燃燒的優化，也改善了低負荷工況時的燃燒狀況，提高了低速大扭矩低負荷性能。

TBD620系列柴油機長期在低負荷使用以后，風門轉軸不停的震動、磨損，使渦流調節機構的故障率偏高，最嚴重的故障表現為轉軸斷裂，破損件進入氣缸，導致拉缸等重大故障。可見對渦流調節機構的優化研究，具有十分重大的意義。

1 現狀調查

某型船使用TBD620V12柴油機作為電站動力，該型船上使用的柴油機長期在低負荷使用以后，頻繁出現渦流調節機構中的風門轉軸磨損故障，風門轉軸磨損嚴重，并出現轉軸斷裂故障(見圖1)，部分柴油機上斷裂的轉軸以及螺釘進入氣缸導致拉缸等重大故障。

異常磨損主要在風門轉軸安裝閥板相對側、與下部轉軸孔配合處發生；斷裂的轉軸均是在上方螺釘孔處斷裂。

2 故障分析

2.1 故障分析

渦流調節機構屬運動件，存在摩擦副，在氣道中進氣壓力的作用下工作。對于常規使用的柴油機其負荷一般不會低于70%，即風門一般處于常開狀態(40%負荷以上時完全打開)，風門閥板面與氣流進氣方向大致處于平行狀態，風門閥板承受的進氣壓力小，此時渦流調節機構的壽命問題并不突出。

2.缺乏具有約束力的法律支持體系,可持續發展思想落地仍存挑戰。以相關立法保障具體工作的實施逐步成為我國在邁向法治社會進程中的常態。由于缺乏主管機構,可持續城市規劃、發展的立法進程相對滯后,無法保障相關規劃、思想的實踐和落地。尤其表現在城市的產業選擇和中長期發展規劃方面,在法律約束缺位的情況下,難以避免一些地方政府出于短期利益考慮而忽略該地區長期的可持續發展利益的行為。因此,即便有好的發展思路和發展規劃,也需要有政策和法律體系以及高效的行政部門保障實施。

對于長期處于低負荷運行的柴油機，風門長期處于關閉狀態，風門閥板面與氣流進氣方向大致處于垂直狀態，進氣壓力作用在風門閥板上對閥板產生壓力，將轉軸與進氣方向相反的一側壓靠在氣缸蓋轉軸孔上，因進氣壓力隨負荷的變化而波動，柴油機自身的振動以及進氣道內的復雜環境，轉軸與轉軸孔發生軸向竄動、徑向轉動等相對運動，使轉軸與轉軸孔壓靠的部分磨損；風門閥板安裝在轉軸的下部，轉軸與下部轉軸孔接觸處所受進氣壓力產生的壓緊力較大，磨損主要發生在下部轉軸孔處。渦流調節機構長期在此狀態下工作造成轉軸、氣缸蓋轉軸孔嚴重磨損。

使風門轉軸同時承受了軸向載荷、徑向載荷等復雜的變化載荷，當轉軸與轉軸孔磨損到一定程度之后，轉軸與轉軸孔在磨損側的間隙變大，下部轉軸孔對轉軸的支承作用減小，在進氣壓力作用下，轉軸受力的力學模型由兩點支承的簡支梁變為一點支承的懸臂梁，在進氣壓力變化載荷的作用下，轉軸在較大的薄弱處發生疲勞斷裂。

2.2 要因確認

根據上面分析的風門轉軸斷裂過程及原因，總結造成風門轉軸異常磨損的主要原因如下：

將轉軸孔由φ7改為φ10，適應轉軸的更改；在氣缸蓋上加工連通底部轉軸孔的油孔，用于為轉軸加潤滑油。優化后的氣缸蓋補充加工圖(見圖14)：

2.轉軸強度較差；

3、轉軸上應力分布不均勻，上部螺釘孔處的應力較大；

4、轉軸軸向竄動大，加劇了轉軸的磨損。

3 渦流調節機構的優化

結合渦流調節機構發生故障的各種原因進行分析研究，從改善轉軸工作環境、加強轉軸強度、減小轉軸軸向竄動、減小轉軸應力等方面對渦流調節機構進行優化：

3.1 風門轉軸的優化

為增加風門轉軸的強度，減輕轉軸在工作中的磨損，風門轉軸由φ7更改為φ10(見圖2)，增加轉軸的強度；因此將轉軸上部的螺紋孔位置上移了10mm，避開應力較大的位置，降低轉軸薄弱處的最大應力；為控制風門轉軸的軸向間隙，降低來自軸向的磨損，在轉軸上與軸向調整環配合處增加一小平面，增大有效接觸面積和摩擦力，保證軸向調整環不松動。優化前后的風門轉軸對比見圖2。

因風門閥板和轉軸結構尺寸均發生了改變，為驗證零件結構優化后是否會對柴油機進氣造成影響，分別對安裝了優化前、后狀態渦流機構的氣缸蓋進氣道進行了吹風試驗。

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根據轉軸在氣缸蓋上的安裝情況，以上下端為約束，在閥板安裝面上施加垂直于閥板安裝面的力，力的大小為優化前后風門閥板上各自進氣壓力的最大值。

根據以上強度仿真分析結果，優化前轉軸應力最大點出現在上部螺釘孔的位置，最大應力35.5MPa，優化后的風門轉軸應力分布相對較為均勻，最大應力6.6MPa，最大應力避開螺釘孔的位置，上部螺釘孔處最大應力4.8MPa。可見優化后的風門轉軸與優化前相比具有較高的結構強度。

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優化后風門轉軸結構強度仿真分析過程及結果如下(見圖5、6)：

優化前風門轉軸結構強度仿真分析過程及結果如下(見圖3、4)：

3.2 風門的優化

風門在新機安裝時與直流進氣道兩側是有間隙的，隨著渦流調節機構的長時間使用，風門轉軸及轉軸座孔磨損，嚴重時風門與直流進氣道一側干涉。為減少風門與直流進氣道發生干涉的幾率，在保證風門面積不減少的前提下，風門寬度略有減小，高度相應增加，降低風門與氣道發生干涉的可能，并根據風門轉軸螺釘孔位置的變更對風門做適應性優化(見圖7)。

為判斷優化后的轉軸強度，對轉軸的受力情況進行了如下仿真分析：

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吹風試驗將優化前、后的渦流機構風門閥板分別打開0°、45°、90°，氣門升程2mm-20mm范圍內進行試驗(見圖8、9、10、11、12、13)，結果如下：

根據上述吹風試驗結果，渦流調節機構優化前、后渦流比和流量系數基本不變，渦流機構的優化對氣道的進氣組織沒有影響。

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3.3 氣缸蓋的優化

1.風門轉軸工作條件差，底部轉軸孔缺少潤滑；

為判斷增加油孔是否會影響氣缸蓋強度，對氣缸蓋的受力狀況進行了仿真分析如下(見圖15、16、17、18)：

氣缸蓋增加油孔處的最大等效應力12.2 MPa、最大主應力為8.35MPa、最大切應力6.3 MPa，而氣缸蓋材料為HT300NiMoCr，抗拉強度為300MPa，抗壓強度為抗拉的2.5倍以上，氣缸蓋增加油孔處的最大應力遠小于材料的許用極限，在氣缸蓋上增加油孔后對氣缸蓋整體強度沒有影響。

3.4 增加用于轉軸潤滑的結構

通過油杯與氣缸蓋上的底部轉軸孔相連通，用油槍在油杯處加注潤滑脂可以到達底部轉軸孔，為轉軸在軸孔中轉動提供潤滑。優化后的結構裝配圖(見圖19、20)。

3.5 調整安裝間隙

調整風門轉軸軸向裝配間隙：

在上文中本文分析了施工安全施工的主要引發因素，所以在預警管理體系的建設中需要對這些因素進行全面規避，預警管理體系可按照以下方式進行建設：

風門轉軸部件的軸向間隙為0.4mm-0.6mm，軸向間隙偏大，風門轉軸部件上下竄動，使風門轉軸磨損嚴重，轉軸及轉軸座孔失圓后加劇轉軸部件的磨損，形成惡性循環，最終導致渦流調節機構風門轉軸磨斷。轉軸的軸向竄動偏大也是造成風門磨損的原因之一，調整緊固螺釘控制風門轉軸的軸向間隙為0.2-0.3mm，有效改善因軸向竄動較大而引起轉軸及轉軸座孔磨損。

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調整風門轉軸拉桿的安裝間隙：

渦流調節機構中拉桿與轉軸搖臂連接處安裝間隙較大,理論數據為2.4mm，通過調整墊片調整間隙，同時調整滑塊的尺寸公差，避免拉桿前后運動時與滑塊干涉，將間隙調整為0.1-0.2mm，避免拉桿在水平方向上受橫向力。

4 總結

優化后的渦流調節機構經使用驗證總體使用狀況良好，增加的潤滑結構可加注潤滑脂到達底部轉軸孔為轉軸的工作提供潤滑，風門轉軸的磨損得到很大改善，可在柴油機上長期正常運行，即使個別轉軸出現異常情況使磨損加劇，也可保證在至少一個檢修周期內可靠運行。優化后的結構具有足夠的使用可靠性。

在實際生產工作中，此次優化后的渦流調節機構解決了風門轉軸易發生磨損的問題，降低了因轉軸磨損斷裂進入燃燒室造成拉缸故障的可能性，提高了渦流調節機構的使用壽命，在不影響柴油機性能的前提下提高了柴油機的可靠性。該優化方案已在TBD620系列柴油機上推廣使用。

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