黃建華

(香港明華船務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

回油閥調(diào)節(jié)式高壓油泵本體是高壽命零件，可靠性高、不易損壞、故障機(jī)率很小，而且備件費用昂貴，船舶一般不儲存?zhèn)浼?。一旦損壞時更換備件工序繁瑣，耗時長，若發(fā)生在狹窄水道可能嚴(yán)重威脅船舶安全。因此，只有深入了解故障形成的原因，才能更好地去使用、管理、維護(hù)，預(yù)防故障發(fā)生，保證高壓油泵的穩(wěn)定性和可靠性。

1 故障現(xiàn)象及處理

某輪主機(jī)型號，SULZER 6RTA52。高壓油泵分3組，兩個缸一組共用一個高壓油泵本體。

某日航行中，主機(jī)第一組高壓油泵的No.2缸進(jìn)油閥壓蓋下部有微量燃油滲出。1 h后，該處大量燃油涌出，立即停車漂航拆開壓蓋，研磨油泵本體與壓蓋之間接觸的密封面，裝復(fù)試車時未發(fā)現(xiàn)滲油。主機(jī)加速至半速時，壓蓋下面又有燃油滲出，壓蓋和本體間密封面剛研磨不應(yīng)該會漏油。

為了確認(rèn)漏油點，主機(jī)在半速運轉(zhuǎn)，逐一拆除再固緊漏油壓蓋的緊固螺栓。當(dāng)擰松壓蓋的一個緊固螺栓時，手有明顯的脈動現(xiàn)象，取出該螺栓觀察到螺孔內(nèi)有脈動噴油。據(jù)此，判斷進(jìn)油閥上部腔室與壓蓋緊固螺栓螺孔間產(chǎn)生穿透性裂紋。船上無高壓油泵本體備件，只好單缸停油減速航行至港口更換高壓油泵本體。對損壞高壓油泵本體做探傷試驗，證實了上述判斷。

離港航行幾天后，主機(jī)第二組高壓油泵的No.4缸同一處出現(xiàn)同樣故障，采取漂航更換備件措施。

2 裂紋產(chǎn)生機(jī)理

聯(lián)接緊固件對被聯(lián)接件施加的預(yù)緊力使機(jī)件材料產(chǎn)生安裝應(yīng)力，安裝應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度，裝配期間或使用初期在零件材料有缺陷和應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，使材料疲勞強(qiáng)度降低或斷裂。零件或材料在交變載荷作用下產(chǎn)生交變應(yīng)力，交變應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度，長時間作用在零件材料有缺陷或應(yīng)力集中處形成疲勞裂紋。

3 受力分析

高壓油泵本體穿透性裂紋如圖1折線所示位置，此處機(jī)件材料的應(yīng)力復(fù)雜，主要包括:上緊緊固螺栓1產(chǎn)生的安裝應(yīng)力σ1;上緊壓力襯套2產(chǎn)生的安裝應(yīng)力σ2;周期性變化燃油壓力產(chǎn)生的交變應(yīng)力σ3。

圖1 高壓油泵剖面及損傷位置

4 故障分析

4.1 機(jī)件結(jié)構(gòu)缺陷

機(jī)件上開有鍵槽、油孔、臺階、螺紋等各種幾何形狀的缺口時，在使用中就會在缺口的根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料的疲勞極限降低。螺孔裂穿處附近存在安裝高壓油泵安全閥的加工臺階，屬應(yīng)力集中處。材料的疲勞強(qiáng)度降低，材料的應(yīng)力增大時，此處易最先形成疲勞源產(chǎn)生疲勞損壞。

4.2 裝配零件產(chǎn)生的安裝應(yīng)力

檢修裝配時未規(guī)范操作導(dǎo)致材料安裝應(yīng)力增加。

1)說明書規(guī)定上緊緊固螺栓1的力矩為60 N·m。

安裝過程中專用力矩扳手使用不當(dāng)，壓蓋與油泵本體間密封面漏泄時加大安裝力矩止漏，上緊緊固螺栓1未按順序交叉或逐步上緊。導(dǎo)致安裝預(yù)緊力增加使材料的安裝應(yīng)力σ1增加。

2)說明書規(guī)定用專用扳手 (其非力矩扳手)上緊壓力襯套的力矩為300 N·m。

實際上使用此專用扳手時無法測量力矩，檢修時擔(dān)心油閥閥座與泵體間的密封面漏泄，上緊時易產(chǎn)生寧大勿小的錯覺，往往造成安裝預(yù)緊力增加，材料的安裝應(yīng)力σ2增加。

4.3 燃油壓力產(chǎn)生的交變應(yīng)力

高壓油泵柱塞上下運行通過吸油和排油為汽缸的每一動力循環(huán)提供高壓燃油，保證噴油器噴出的燃油形成良好的霧化質(zhì)量。高壓油泵吸油時，高壓油泵進(jìn)油閥上部腔室內(nèi)壓力比燃油循環(huán)增壓系統(tǒng)的壓力 (0.4～0.5MPa)低，而燃油在正常噴射過程中壓力最高達(dá)80MPa左右。周期性變化的燃油壓力產(chǎn)生的交變力使材料產(chǎn)生交變應(yīng)力σ3。

下列情況可能會導(dǎo)致燃油壓力增高即交變應(yīng)力σ3增加:停機(jī)時，某些缸噴油設(shè)備循環(huán)回路中斷造成該缸高壓油泵及噴油器中的重油不能循環(huán)預(yù)熱保溫，主機(jī)啟動時，該缸高壓油路中的燃油粘度很高。機(jī)艙環(huán)境溫度越低影響越大;噴油器冷卻不良而過熱引起噴油嘴噴孔處結(jié)碳造成部分噴孔通道變窄或堵死，高壓燃油節(jié)流受阻;油頭針閥開啟壓力調(diào)整不當(dāng)而過大;燃油中含有機(jī)械雜質(zhì)、燃油油溫突變、噴油器冷卻不良導(dǎo)致針閥卡緊或咬死在關(guān)閉位置;主機(jī)運行中，燃油加熱溫度偏低，粘度偏大，在噴射過程中，高壓燃油流動阻力增加;主機(jī)超負(fù)荷運行，噴油量增大。

4.4 過載損傷

高壓油泵安全閥的開啟壓力為115MPa，拆檢故障缸高壓油泵安全閥未發(fā)現(xiàn)有起跳現(xiàn)象，壓力試驗正常。但從維修工作記錄中，得知故障缸安全閥由于曾經(jīng)起跳過而被換新，起跳過的安全閥做效用試驗時，由于燃油干固、結(jié)焦卡住針閥，試驗壓力達(dá)200MPa都無法起跳而失效。材料有可能受到過載損傷，造成材料的疲勞極限降低。

一般來說，適當(dāng)?shù)倪^載未能引發(fā)材料內(nèi)部微裂紋的顯著擴(kuò)展，對材料的疲勞極限沒什么影響。但是不適當(dāng)過載 (包括過載大小和過載循環(huán)次數(shù)的多少)將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，導(dǎo)致機(jī)件的疲勞破壞。

例如上述引起燃油壓力增高的情況惡劣且安全閥失效不能起保護(hù)作用的情況下會造成高壓油泵過載。如果高壓油泵在 (如圖2)過載負(fù)荷σi、循環(huán)周次Na下工作，即工作點A在過載損害區(qū)以外時，過載對材料的疲勞極限σ－1無影響。短時間過載后恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)高壓油泵不會發(fā)生疲勞破壞。一旦高壓油泵在 (如圖2)過載負(fù)荷σi、循環(huán)周次Nb下工作，即工作點B進(jìn)入過載損害區(qū)時，過載就會使材料的疲勞極限σ－1降低，在恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)后高壓油泵將會發(fā)生過早的疲勞破壞，產(chǎn)生裂紋，縮短高壓油泵的疲勞壽命。cd為過載損害界，ed表示在超過疲勞極限的應(yīng)力下直到斷裂所能經(jīng)受的最大應(yīng)力循環(huán)周數(shù)。

機(jī)件材料的疲勞極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，甚至僅為1/3的屈服極限。如果機(jī)件發(fā)生過過載損傷，使機(jī)件疲勞極限降低到一定程度，高壓油泵本體中的最高燃油壓力即使小于安全閥的開啟壓力，高壓油泵本體也會過早發(fā)生疲勞破壞。

圖2 材料的過載損害區(qū)和損害界

4.5 總結(jié)

交變載荷作用下材料產(chǎn)生最大交變應(yīng)力σmax超過材料的疲勞極限時，σmax越大，材料循環(huán)使用周數(shù)就會越少，壽命就會越短，即材料在應(yīng)力集中部位和零件材料有嚴(yán)重組織缺陷或冶金缺陷處越早形成疲勞破壞。

σmax低于材料的疲勞極限時，正常循環(huán)使用無數(shù)次也不會發(fā)生疲勞損壞，但是不適當(dāng)過載將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，在恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)后零件也會發(fā)生過早的疲勞損壞。

高壓油泵檢修時和機(jī)器日常運轉(zhuǎn)過程中引起σ1或/和σ2或/和 σ3增加時，導(dǎo)致最大交變合應(yīng)力σmax增加。σmax增加超過材料疲勞極限 (如果材料存在過載損傷導(dǎo)致疲勞極限降低，那么σmax增加更易超過過載損傷后的疲勞極限，甚至正常運行中的σmax就達(dá)到此疲勞極限)，在離安裝高壓油泵安全閥加工臺階最近的螺孔的應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞微小裂紋源，使用中裂紋不斷擴(kuò)展，經(jīng)過一段時間后，螺孔與高壓油泵進(jìn)油閥上部腔室之間就形成穿透性裂紋而導(dǎo)致燃油泄漏。

5 防范措施

5.1 設(shè)備維護(hù)

1)高壓油泵。

(1)安裝壓蓋時，緊固螺栓螺紋應(yīng)用煤油清潔干凈、涂上二硫化鉬軟膏，用專用力矩扳手交叉和逐步上緊至60 N·m。壓蓋與高壓油泵本體接觸密封面應(yīng)仔細(xì)研磨。當(dāng)密封面泄漏時，應(yīng)重新研磨接觸面，切勿通過加大上緊力矩消除泄漏。

(2)使用專用扳手安裝壓力襯套無法測量力矩時，應(yīng)旋入干凈的壓力襯套與油閥之閥座緊密接觸為止，再用力上緊60°角，或在專用扳手頂部焊接一套筒連接另配力矩扳手按力矩300 N·m上緊。

(3)定期檢查或校正高壓油泵安全閥的開啟壓力。運行中安全閥開啟，應(yīng)及時查明原因，排除故障，避免材料產(chǎn)生過載負(fù)荷。起跳過的安全閥應(yīng)及時拆下、解體清潔、檢查，防止長時間后燃油干固粘住針閥，導(dǎo)致開啟壓力升高或咬死，失去保護(hù)功能。

2)噴油器。

(1)定期清潔拆檢主機(jī)噴油器，檢查或調(diào)整油頭針閥開啟壓力和燃油霧化質(zhì)量。

(2)清除噴油嘴噴孔內(nèi)臟物。

(3)檢查噴油器循環(huán)閥功能，保障燃油系統(tǒng)的正常循環(huán)，確保噴油器可靠冷卻和停機(jī)時噴油設(shè)備的良好預(yù)熱保溫。

5.2 日常管理

1)停機(jī)時，保持適當(dāng)?shù)臋C(jī)艙溫度、暖缸溫度;手摸噴油器的回油管路，感覺是否有熱油回流，確保各缸的高壓油泵及噴油器中燃油可靠循環(huán)預(yù)熱加溫，避免主機(jī)冷車啟動。

2)避免主機(jī)超負(fù)荷運轉(zhuǎn)。

3)控制燃油加熱溫度，維持正確的燃油粘度。

4)輕、重油轉(zhuǎn)換過程中，嚴(yán)格控制油溫的變化，防止油溫突變。

5)加強(qiáng)燃油預(yù)處理，做好沉淀、放殘、分離和過濾工作，清除燃油中各種雜質(zhì)。

6 結(jié)論

高壓油泵本體裂穿故障的原因主要是:檢修裝配高壓油泵操作不規(guī)范;噴油設(shè)備日常維護(hù)不佳及燃油處理不好。

因此規(guī)范的設(shè)備檢修操作及良好的日常運行管理是避免故障發(fā)生，保障船舶安全航行的關(guān)鍵。

［1］余憲海.船機(jī)維修技術(shù)［M］.大連海事大學(xué)出版社，2000.

［2］杜榮銘.船舶柴油機(jī) ［M］.大連海事大學(xué)出版社，2002.