崔友強，王貴琛，張青青，侯曉良，李文濤

(內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061)

0 引言

增壓器是柴油機的重要零件[1]，因此保證增壓器的潤滑與冷卻至關(guān)重要。增壓器回油管作為增壓器的潤滑油通道[2-5]，它的作用是將從增壓器回油口流出的潤滑油輸送到機體、飛輪殼或其他零部件接口，最終讓潤滑油重回油底殼。

目前，隨著柴油機技術(shù)的發(fā)展越來越快，在保證質(zhì)量的前提下，進一步提高柴油機零部件的拆裝和維修效率至關(guān)重要。但某機型柴油機由于結(jié)構(gòu)空間限制，增壓器回油管難以拆裝，嚴重影響該柴油機的拆裝和維修效率，故研究該問題具有重要意義。

1 故障現(xiàn)象及原因分析

對某柴油機進行裝機和維修，發(fā)現(xiàn)其增壓器回油管法蘭內(nèi)部固定螺栓無法使用力矩扳手施加特定扭矩值，技術(shù)人員只能使用開口扳手對法蘭內(nèi)部固定螺栓進行擰緊，如圖1增壓器回油管上法蘭內(nèi)部固定螺栓布置圖(a)～(c)所示。

增壓器回油管從法蘭出來后有一豎直段，法蘭內(nèi)部固定螺栓擰緊時被回油管豎直段遮擋，扳手無法從外側(cè)直接進行擰緊如圖1(b)所示。因此，內(nèi)側(cè)的固定螺栓需要從內(nèi)側(cè)進行擰緊，但內(nèi)側(cè)被機體與支架之間的空間限制，并且有增壓器進油管的干涉，如圖1(c)所示，力矩扳手無法使用。因此考慮是否可以修改增壓器回油法蘭螺紋孔的位置，通過螺栓孔錯位滿足擰緊方向。

圖1 增壓器回油管上法蘭內(nèi)部固定螺栓布置圖

但由于增壓器回油口處法蘭面鑄造毛坯很小，如圖1(d)所示，無法通過修改螺紋孔位置進行錯位布置，故需要設(shè)計優(yōu)化回油管現(xiàn)有結(jié)構(gòu)來解決內(nèi)部螺栓難擰緊問題。

前期增壓器匹配及性能試驗，增壓器需要頻繁的更換。更換增壓器回油管時發(fā)現(xiàn)增壓器回油管穿插布置在機體與排氣尾管支架之間，布置空間狹小，不便于直接拆卸，影響拆裝機效率，如圖2所示。因此，有必要對增壓器回油管進行設(shè)計優(yōu)化。

圖2 增壓器回油管整體布置圖

通過對上述兩個問題的分析，需要對現(xiàn)有增壓器回油管結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，以滿足密封要求，同時解決現(xiàn)有問題，從而提高發(fā)動機的裝機和維修效率。

2 增壓器回油管結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對上述增壓器回油管整體難拆裝、增壓器回油口法蘭內(nèi)部固定螺栓無法按照標準力矩38 N·m擰緊的問題，在現(xiàn)有發(fā)動機的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)。

根據(jù)增壓器回油法蘭內(nèi)徑，設(shè)計回油裝置上法蘭內(nèi)徑尺寸。為了解決目前增壓器回油管法蘭內(nèi)部固定螺栓無法控制力矩的問題，將新型回油管設(shè)計成插接結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。內(nèi)六角螺栓將墊片2和上法蘭3預(yù)先和增壓器回油口法蘭1按照規(guī)定的力矩安裝好，有效的避免后期此處因空間限制無法控制力矩的問題。

圖3 新型插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)圖

將插接管5設(shè)計為上下對稱結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，可以有效避免裝錯方向帶來的密封問題。插接管兩端設(shè)計為高低頭形式，豎直安裝時，在上下法蘭出現(xiàn)輕微不對中的情況下，插接管高低頭的設(shè)計可以讓插接管在左右前后方向有一定的調(diào)節(jié)補償量，便于調(diào)整安裝，同時確保密封性能。

插接管與上法蘭3和下法蘭7都采用O形橡膠圈密封，工作介質(zhì)為潤滑油。原結(jié)構(gòu)試驗可知此處最高潤滑油溫度為140℃。根據(jù)膠圈規(guī)范可以選用材料為KFM，規(guī)格為膠圈截面直徑d1=3.55 mm，內(nèi)徑d2=28 mm的O形橡膠密封圈。同時根據(jù)國標GB/T3452.3要求，設(shè)計插接管對應(yīng)的密封溝槽。上法蘭3為了防止插接管往上提升時超出法蘭厚度，因此設(shè)計為階梯形式。

為了保障插接管上的膠圈與上下法蘭在有效的配合區(qū)域進行有效密封，在插接管5上對稱設(shè)計限位槽，同時為了便于安裝與拆卸，剩余空間設(shè)計兩個安裝槽，詳細結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型插接管結(jié)構(gòu)圖

下法蘭7與下面支撐鑄件9之間用O形橡膠圈進行密封，工作介質(zhì)為潤滑油。原結(jié)構(gòu)試驗可知此處最高潤滑油溫度為140℃。根據(jù)膠圈規(guī)范可以選用材料為KFM，規(guī)格為膠圈截面直徑d1=3.55 mm，內(nèi)徑d2=37.5 mm的O形橡膠密封圈。利用六角法蘭面螺栓將下法蘭7和鑄件9進行擰緊，下法蘭7設(shè)計為階梯形式，留有一個止口，此處安裝時先將插接管5預(yù)裝到下法蘭7內(nèi)側(cè)，直至止口處。由于插接管中間部位留有安裝槽，因此可以利用工具卡住安裝槽將插接管5往上提拔，直至插接管5的限位槽與下法蘭7上平面平齊。6為鋼絲卡箍，鋼絲卡箍將接插管卡在限位槽內(nèi)，可以有效的防止了振動和重力作用致使插接管5下滑進而導(dǎo)致插接管密封失效問題的發(fā)生。

2.2 密封校核

2.2.1 插接管與上下法蘭之間密封校對

如圖3所示，插接管與上下法蘭之間利用O形橡膠圈進行密封，插接管上下密封膠圈4與上法蘭3、下法蘭7密封屬于徑向外密封，利用膠圈密封計算公式進行計算。根據(jù)設(shè)計輸入，上法蘭3內(nèi)徑d4=35 mm，插接管外徑d5=34.4 mm，密封溝槽直徑d3=29.6 mm，密封溝槽槽寬b=4.8 mm，密封溝槽槽深t=2.75 mm，密封溝槽槽溝倒角r1=0.3 mm，膠圈內(nèi)徑d1=28 mm，膠圈截面直徑d2=3.55 mm，工作溫度為140℃，材料為FKM。

壓縮率計算公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：

S1——密封圈自由狀態(tài)時截面面積，mm；

S2——密封圈裝入溝槽后截面面積，mm；

d2max—d2的基本尺寸加上偏差，mm；

d2min—d2的基本尺寸加下偏差，mm；

填充率計算公式：

(7)

(8)

(9)

式中：

d2min——d2的基本尺寸加下偏差，mm；

d2max——d2的基本尺寸加上偏差，mm；

通過壓縮率計算公式獲得壓縮率k=0.193 2, kmin=0.145 7, kmax=0.236 8,故壓縮率為14.57%～23.68%，滿足壓縮率15%～25%的要求。計算獲得填充率k=0.749 4, kmin=0.680 2, kmax=0.792 3，故填充率為68.02%～79.23%，滿足填充率85%以下的要求，故插接管上下密封膠圈與上下法蘭之間的密封滿足設(shè)計要求。

2.2.2 下法蘭與鑄件之間密封校對

如圖3所示，下法蘭7與鑄件9之間利用O形橡膠圈進行密封，下法蘭7與鑄件9之間的密封屬于軸向密封。利用膠圈密封計算公式進行計算，根據(jù)設(shè)計輸入，密封溝槽外徑d7=44 mm，密封溝槽內(nèi)徑d8=34 mm，密封溝槽槽寬b=5 mm，密封溝槽槽深t=2.7 mm，密封溝槽槽溝倒角r1=0.3 mm，膠圈內(nèi)徑d1=37.5 mm，膠圈截面直徑d2=3.55 mm，最高工作溫度為140℃，材料為FKM。通過計算獲得壓縮率k=0.202 2, kmin=0.155 3, kmax=0.245 3，故壓縮率為15.53%～24.53%，滿足壓縮率15%～25%的要求。計算獲得填充率k=0.732 8, kmin=0.659 2, kmax=0.774 7，故填充率為65.92%～77.47%，滿足填充率85%以下的要求，故下法蘭密封膠圈與鑄件之間的密封滿足設(shè)計要求。

2.2.3 上法蘭與增壓器之間密封校對

如圖3所示，上法蘭3與增壓器回油口法蘭1之間采用常規(guī)的單層全波涂氟橡膠金屬墊片進行密封，此墊片已成熟應(yīng)用于此處密封結(jié)構(gòu)，并且未出現(xiàn)過漏油故障，因此上法蘭與增壓器之間的密封可以滿足設(shè)計要求。

3 安裝與拆卸工藝順序

3.1 安裝工藝順序及要求

(1)先將增壓器和鑄件9安裝好，安裝增壓器回油口法蘭1與回油管上法蘭3平面之間的密封墊片2，如圖5(a)所示。

(2)用內(nèi)六角螺栓將上法蘭3和墊片2與增壓器回油口法蘭1進行預(yù)先安裝，螺栓按照扭矩38 N·m擰緊，如圖5(b)所示。

(3)將密封膠圈4裝入插接管5上下對稱的密封溝槽內(nèi)，如圖5(c)所示。

(4)將預(yù)裝好的密封膠圈4和插接管5插入下法蘭7最低端，如圖5(d)所示。

(5)將橡膠圈8裝在鑄件9密封溝槽內(nèi)，如圖5 (e)所示。

(6)用六角法蘭面螺栓將下法蘭7固定在鑄件9上，螺栓按照扭矩38 N·m擰緊，如圖5(f)所示。

(7)將扳手插入插接管5中間預(yù)留的安裝槽，往上提拔，使其的限位槽下平面與下法蘭7上平面平齊，如圖5(g)所示。

(8)將鋼絲卡箍6卡在限位槽內(nèi)，使其對插接管進行上下方向的限位，如圖5(h)所示。

圖5 新結(jié)構(gòu)安裝順序

(9)按照扭矩38 N·m對四顆螺栓進行復(fù)緊，然后用白色記號筆劃線。

(10)安裝完畢，檢查插接管是否為豎直狀態(tài)，禁止存在肉眼可見的傾斜。

3.2 拆卸工藝順序及要求

(1)將鋼絲卡箍6拆卸，如圖5( h)所示。

(2)將扳手插入插接管5中間預(yù)留的安裝槽，往下按壓，不能用力過猛，防止膠圈劃傷，直至插接管上平面與上法蘭的下平面有一定間隙，如圖5 (f)所示。

(3)將下法蘭兩顆固定螺栓拆卸，如圖5(d)所示。

(4)將插接管5、下法蘭7以及兩個密封膠圈，一起拆卸，如圖5(d)所示。

(5)墊片2、上法蘭3和兩顆固定螺栓可以和增壓器一起拆卸，如圖5( b)所示。

(6)將拆完的零部件放到規(guī)定的拆檢區(qū)。

4 試驗驗證

將設(shè)計優(yōu)化后的插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)按照裝機順序安裝于某柴油機?，F(xiàn)場查看并咨詢工藝工程師和現(xiàn)場技術(shù)人員，他們反饋相較原結(jié)構(gòu)受到空間限制，扳手扭轉(zhuǎn)角度小，導(dǎo)致安裝節(jié)奏比較慢，安裝時間長，影響裝機效率。新型插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)雖然子件數(shù)量和安裝步驟多于原結(jié)構(gòu)，但是不受到安裝空間的限制，可以利用扳手直接安裝，并且子件之間裝配操作比較便捷。因此新型插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)的安裝節(jié)奏快，總安裝時間減少很多。

將新型插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)安裝于某柴油機后，在實驗室臺架上，按照額定工況，跑性能試驗。試驗結(jié)束后，檢查分析回油管結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)密封完好，未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后增壓器回油管結(jié)構(gòu)試驗圖

試驗結(jié)果表明：新型插接式增壓器回油管結(jié)構(gòu)滿足密封要求，同時有效地解決了增壓器回油管整體難拆裝、增壓器回油口法蘭內(nèi)部固定螺栓無法按照標準力矩38 N·m擰緊的問題，提高了工作效率。

5 結(jié)論

針對某柴油機增壓器回油管整體難拆、增壓器回油法蘭內(nèi)部固定螺栓無法控制力矩的問題，新設(shè)計一種插接式增壓器回油管。

(1)試驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的增壓器回油結(jié)構(gòu)密封正常，有效解決了增壓器回油口法蘭內(nèi)部固定螺栓無法控制力矩及回油管整體難拆卸的問題，有效提高了裝機和維修效率。

(2)該研究結(jié)果為新型增壓器回油管的設(shè)計及應(yīng)用提供參考，同時為日后類似問題的解決提供了理論依據(jù)。