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        基于有限元分析的船用柴油機(jī)缸套磨痕問題

        2022-07-06 03:59:06趙宸翦王曉陽
        機(jī)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(jī)作為現(xiàn)代船舶最主要的原動(dòng)機(jī)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(duì)柴油機(jī)的性能要求越來越高。除滿足自身作為原動(dòng)機(jī)的屬性外,還應(yīng)考慮高功率密度、高可靠性和低維護(hù)成本等多方面影響因素。

        柴油機(jī)在使用過程中,柴油機(jī)氣缸套容易受機(jī)體變形、缸內(nèi)積碳、裝配不良、曲軸間隙、機(jī)腳安裝力矩不足、滑油質(zhì)量、燃油質(zhì)量、長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行等諸多因素影響而導(dǎo)致缸套內(nèi)壁過度磨損,如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理,容易造成柴油機(jī)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(jī)的實(shí)際運(yùn)用情況,通過對(duì)柴油機(jī)機(jī)腳結(jié)構(gòu)、公共底座結(jié)構(gòu)等改進(jìn)設(shè)計(jì),克服了柴油機(jī)機(jī)體剛度偏弱的缺點(diǎn),有效地避免了缸套磨痕問題的形成,并在相關(guān)試驗(yàn)中得到了充分驗(yàn)證。

        1 柴油機(jī)缸套磨痕情況

        某型船用20缸高速大功率柴油機(jī)在試驗(yàn)過程中對(duì)20個(gè)氣缸全部進(jìn)行了檢查。檢查發(fā)現(xiàn)A1、A4、A5、A8、A9、A10、B5、B8、B9、B10共10個(gè)缸套非推力面存在不同程度的磨痕,其中最嚴(yán)重的磨痕范圍達(dá)到360°,見圖1、圖2和表1。

        表1 缸套檢查和測(cè)量結(jié)果

        圖1 柴油機(jī)缸套磨痕情況

        圖2 柴油機(jī)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(cè)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(jī)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(jī)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(jī)是目前世界上缸徑最大的高速機(jī),機(jī)體壁薄,缸徑大,缸數(shù)多,機(jī)體本身剛度偏弱,從歷史使用情況看,柴油機(jī)機(jī)體確實(shí)存在機(jī)體剛度偏弱的問題,由于機(jī)體剛性偏弱,容易受到安裝底面不平整等因素干擾,導(dǎo)致機(jī)體受到額外的應(yīng)力,在柴油機(jī)運(yùn)行時(shí),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(jī)機(jī)腳優(yōu)化設(shè)計(jì)

        基于有限元分析[2-3],將原設(shè)計(jì)方案分離式剛性機(jī)腳(見圖4)與彈性支腳(見圖5)進(jìn)行了對(duì)比分析,并提出了整體式剛性機(jī)腳的方案(見圖6)。

        圖4 剛性支撐方案(4 段式)模態(tài)計(jì)算結(jié)果

        圖5 彈性支撐(T 型梁)模態(tài)計(jì)算結(jié)果

        圖6 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的整體式機(jī)腳方案

        通過對(duì)比分析,原設(shè)計(jì)方案(4段式)和T型梁結(jié)構(gòu),均沒有全面考慮到柴油機(jī)本體剛性差、容易受到外界因素干擾的特點(diǎn),忽視了由此帶來的對(duì)機(jī)體缸孔變形的影響。

        將分離式剛性機(jī)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(jì)結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)比

        3 柴油機(jī)公共基座優(yōu)化設(shè)計(jì)

        公共底座原設(shè)計(jì)方案下,整體安裝狀態(tài)見圖7。公共底座在改進(jìn)設(shè)計(jì)后,整體安裝狀態(tài)見圖8。公共底座在原設(shè)計(jì)方案下的柴油機(jī)機(jī)體主要振型見圖9。改進(jìn)后柴油機(jī)機(jī)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(jìn)后)整體安裝狀態(tài)

        圖9 原方案柴油機(jī)機(jī)體主要振型

        圖10 公共底座(改進(jìn)后)柴油機(jī)機(jī)體主要振型

        通過分別對(duì)原方案公共底座、改進(jìn)后公共底座的對(duì)比分析,詳見圖11,改進(jìn)后公共底座的整體剛度比原設(shè)計(jì)方案高約20%,有利于提高機(jī)體剛度,增強(qiáng)機(jī)體抗變形能力,減低磨痕概率。

        圖11 主要模態(tài)振型對(duì)比分析

        3 結(jié)論

        針對(duì)磨痕形成的機(jī)理分析展開分析,此磨痕是缸套在柴油機(jī)運(yùn)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(shí),過小的配合間隙使得更多的滑油進(jìn)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(duì)柴油機(jī)機(jī)腳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和柴油機(jī)公共底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了機(jī)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(jī)機(jī)體抗變形的能力,避免了缸套的過度變形失圓而導(dǎo)致的磨痕形成,以上改進(jìn)設(shè)計(jì)在本型柴油機(jī)的后續(xù)試驗(yàn)中得到了充分驗(yàn)證。

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