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，對柴油機(jī)的性能要求越來越高。除滿足自身作為原動機(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、長期低負(fù)荷運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)的實際運用情況，通過對柴油機(jī)機(jī)腳結(jié)構(gòu)、公共底座結(jié)構(gòu)等改進(jìn)設(shè)計，克服了柴油機(jī)機(jī)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(jī)缸套磨痕情況

某型船用20缸高速大功率柴油機(jī)在試驗過程中對20個氣缸全部進(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(jī)機(jī)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(jī)腳（見圖4）與彈性支腳（見圖5）進(jìn)行了對比分析，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(jìn)設(shè)計后的整體式機(jī)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(jī)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(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)計結(jié)構(gòu)的剛度對比

3 柴油機(jī)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(jìn)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(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

通過分別對原方案公共底座、改進(jìn)后公共底座的對比分析，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)振型對比分析

3 結(jié)論

針對磨痕形成的機(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(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。

通過對柴油機(jī)機(jī)腳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和柴油機(jī)公共底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，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)計在本型柴油機(jī)的后續(xù)試驗中得到了充分驗證。