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        基于有限元分析的船用柴油機缸套磨痕問題

        2022-07-06 03:59:06趙宸翦王曉陽
        機電設(shè)備 2022年3期
        關(guān)鍵詞:磨痕剛性底座

        趙宸翦,王曉陽,黃 歡

        (上海船舶設(shè)備研究所,上海 200031)

        0 引言

        船用柴油機作為現(xiàn)代船舶最主要的原動機之一[1],應(yīng)用于不同類型船舶。隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)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(yīng)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(nèi)積碳、裝配不良、曲軸間隙、機腳安裝力矩不足、滑油質(zhì)量、燃油質(zhì)量、長期低負荷運行等諸多因素影響而導致缸套內(nèi)壁過度磨損,如不及時發(fā)現(xiàn)處理,容易造成柴油機拉缸和連桿斷裂等不良后果。

        本文結(jié)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(jié)構(gòu)、公共底座結(jié)構(gòu)等改進設(shè)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(guān)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(fā)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(guī)律外,沒有其他規(guī)律。從以上測量數(shù)據(jù)可以看出,輕微磨痕的氣缸(如A1、A8)基本沒有手感,網(wǎng)紋尚在,其缸徑、橢圓度仍在新機要求的范圍之內(nèi),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(xù)使用,必須更換。

        1.1 故障樹分析

        建立故障樹如圖3所示,經(jīng)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(shù)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(yīng)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(chǎn)生的主要原因。

        圖3 缸套磨痕故障樹

        2 柴油機機腳優(yōu)化設(shè)計

        基于有限元分析[2-3],將原設(shè)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(tài)計算結(jié)果

        圖5 彈性支撐(T 型梁)模態(tài)計算結(jié)果

        圖6 改進設(shè)計后的整體式機腳方案

        通過對比分析,原設(shè)計方案(4段式)和T型梁結(jié)構(gòu),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(chǔ)上提高了約10%。

        表2 3 種設(shè)計結(jié)構(gòu)的剛度對比

        3 柴油機公共基座優(yōu)化設(shè)計

        公共底座原設(shè)計方案下,整體安裝狀態(tài)見圖7。公共底座在改進設(shè)計后,整體安裝狀態(tài)見圖8。公共底座在原設(shè)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(tài)

        圖8 公共底座(改進后)整體安裝狀態(tài)

        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(shè)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(tài)振型對比分析

        3 結(jié)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(tài)下受到外部應(yīng)力而變形失圓,缸套軸向方向配合間隙變小,活塞環(huán)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(jié)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和柴油機公共底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(shè)計在本型柴油機的后續(xù)試驗中得到了充分驗證。

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