一、引言
近些年来,随着国际海事组织对船舶尾气排放要求越来越严格以及世界航运市场竞争日益严重,智能型电喷主机以其独有的高效性、节能性与经济性得到了各大航运公司的青睐。主机作为船舶中最为重要的一环,对保证船舶的正常运转至关重要。而作为柴油机中的重要零部件一排气阀,其运转环境极其恶劣,且要时刻与燃烧后的高温高压气体密切接触,所以时常会出现故障。某轮为2017年8月投入使用的30万吨级油船,主机型号为为 DMD MAN&w7s80Me-C9.2TierⅡ型柴油机,额定功率为25190KW,额定转速为72RPM,目前航行使用的经济转速是41RPM;试航时,主机排气阀就曾出现问题——节流阀弹簧断裂,不得不停车抛锚等待DMD厂家提供新的节流阀;主机工作了1500小时后,排气阀再次出现异常声响,与此同时,排气阀 COCOS-EDS曲线也异常——正常情况下平滑曲线出现突升突降状况,当时的判断是节流阀出现故障,更换后排气阀正常运转,如图1所示。但间隔一段时间后该故障反复出现,据此判断是排气阀本身出现了问题。为进一步判断故障原因,开始更换和解体排气阀,结果发现,法兰286上的螺丝250断裂。
排气阀分两种类型:一种排气阀由凸轮轴驱动,一种排气阀由电控制。MANB&WME型主机为智能柴油机(俗称“电喷机”),取消了传统柴油机高压油泵和排气阀的机械驱动部分及为之服务的凸轮轴系等部件,而是使用225Bar的伺服液压滑油直接驱动排气阀驱动执行器活塞并通过活塞向上驱动来完成相应的排气阀开启。其驱动定时,由电脑触发的电磁阀控制。智能柴油机安装了 ME Tacho系统,以取代传统机的凸轮轴来采集和确认排气阀开关定时、缸头启动阀定时、气缸油注油定时,实现智能化控制柴油机的各种定时。
如图2所示,曲轴自由端装有2个完全冗余的曲柄角采集系统A和B即Tacho system angle encoder A and B, Angle encoderA采集NO.1缸曲柄上死点即飞轮刻度0°位置。另外,飞轮处装有供参考的探头MSA,采集同方向转动NO.1缸曲柄上死点后90°的位置。两个信号同时送至 Tacho Signal AmplifierA(T-A) Angle encoder采集同方向转动NO.1缸曲柄上死点后45°的位置,信号送至 Tacho Signal AmplifierB(tsa~B);TSA-A和TSA-B放大处理后的信号送至2个ECU单元和各缸CCU单元。这样,就采集到了两套完整的NO.1缸曲柄角度信号,经ECU(A和B)和CCU处理后就能给出各缸所需要的准确的部件控制定时。
如图3所示,主机系统滑油经过6um的滤器过滤,主机启动前经过2台电动柱塞液压油泵加压或运行期间经过3台机带柱塞液压油泵加压,把3Bar低压系统滑油升压至225Bar以上,再经过溢流阀、安全阀等元件稳压处理后,变成225Bar稳压的动力伺服油,进入各缸液压控制单元,之后通过ECU(A和B)及各缸CCU单元控制各缸的电磁阀,使伺服油分别进入各缸排气阀的液压单元进行排气阀开关控制。
如图4所示,225Bar动力伺服油进入伺服油分配块,经过FIVA阀控制,按照柴油机的排气阀开关定时,一路流入排气阀执行器驱动活塞底部,顶升排气阀驱动活塞,通过液压油推动排气阀顶部液压活塞,准确控制排气阀开关动作。排气阀上部也装有排气阀阀杆位移反馈传感器,以用来确认排气阀是处于开或关的状态。
在航行期间,听到主机NO.5缸声音异常,观察主机NO.5 COCOS--EDS排气阀曲线也异常,于是对其进行停车检查;
解体排气阀油缸,发现用于锁紧排气阀Half块法兰的4个螺栓(250)中有3个断裂,1个丢失,如图5所示;随即使用备用缸头排气阀进行更换并试车,恢复正常航行。
过后不久,NO.6缸排气阀又出现关闭行程曲线异常,与NO.5缸故障现象相似,于是停车,解体N0.6缸排气阀油缸,发现其中用于锁紧排气阀Half块法兰的4个螺栓(M10)中,有3个断裂,1个丢失,随即用返厂排气阀(其桥规测量孔并未安装螺栓)进行更换,如图6所示;NO.6缸排气阀修复航行一段时间后，又有其他缸发生同样的问题,其中用于锁紧排气阀Half块法兰的4个螺栓(M10)无备品,故用M8.8螺栓进行替代。
后利用停航时间对主机排气阀进行复查，情况及处理如下：
NO.1~n.4、N.7缸排气阀Half块上的锁紧螺栓正常;
NO.5缸排气阀噪音较大,其中更换后用于锁紧排气阀Half块的4个螺栓中,1个断裂,3个松动。反复研究和更换排气阀其他备件,还是有排气阀Half块法兰的锁紧螺栓断裂;测量Half块上沿与空气活塞上平面之间的间距为0.4~0.6mm,于是决定在空气活塞上平面与法兰之间增加厚度为1.5mm的铜垫片,如图7所示;同时对4个螺栓进行更换,结果螺栓正常,再无松动、断裂、丢失等现象。
在对NO.6缸排气阀进行解体检查时发现,用于锁紧Half块的4个螺栓均无松动现象,测量Half块上沿与空气活塞之间的间距为1.5~1.7mm,于是在空气活塞上平面与法兰之间增加厚度为2mm的铜垫片,对其4个螺栓进行上紧(紧力矩为49N.M)操作;
对其他缸空气活塞上平面与法兰之间也相应地增加厚度为2mm的铜垫,使法兰下平面内侧出现2mm高度的凹槽。
上述用于锁紧排气阀Half块螺丝断裂松动的原因与解决思路分析如下:锁紧螺丝易断裂原因分析：如上图，锁紧法兰和Half之间排气阀上的2个Half块之间为无间隙硬接触，排气阀杆落座时产生的冲击力会经Half块顺势传递到锁紧法兰，从而对4个锁紧螺栓造成冲击;长时间的冲击使螺栓出现疲劳断裂、松动和丢失等现象;排气阀中的Half块失去螺栓的锁紧力后,会从空气活塞中脱落,从而导致排气阀掉落到主机气缸中,产生机损事件。解决方法原理：安装铜片的目的在于使得法兰下平面与空气活塞上平面间有2mm的凹面,Half块上沿,这样Half块与锁紧法兰间有足够空间，不至于接触撞击，,从而不会对锁紧Half块的螺栓造成冲击。
在船舶开航时启动主机,低速时,主机NO.1与NO.2缸开阀与关阀声音正常,但排气阀高压油管开阀与关阀波动较大,其中NO.1缸与NO.2缸相比,波动较大;主机NO.3、NO.4与NO.7缸排气阀关闭时存在噪音,但NO.7缸噪音较小,排气阀高压油管波动不大;NO.5缸排气阀开阀与关阀无异常,且排气阀高压油管波动不大。在船舶开航前,对主机NO.4缸的节流阀进行更换(换前节流阀高度为55mm,更换后节流阀高度为44mm,如图8所示)并试车,排气阀关阀时仍然存在较大噪声,且排气阀曲线也无明显不同。也就是说,问题并没有因为提供新的节流阀而得到妥善解决。随后在44mm节流阀顶端增加厚度为2mm的铜片,再次启动时,NO.4缸排气阀关闭时噪音明显减小,排气阀曲线恢复正常,问题得到初步解决。
解决问题的原因在于,DMD提供的节流阀相较于船上原装，螺牙上的螺牙长度要稍微长于节流阀本身长度，节流路径变短，阻尼变小，使得气阀落座敲击声响较大。故在节流阀顶端增加厚度为2mm的铜片时,螺牙长度与节流阀匹配,从而解决了噪声较大的问题。电喷主机采用液压排气阀,是一种新型主机,虽在设计方面合理,但在实际使用当中却存在一定问题。同时,由于工作环境较为恶劣,较其他工作部件,排气阀更容易出现故障。所以在工作条件允许的情况下,如果其出现故障,就要尽早停车检车,找出具体原因并及时处理,以免导致其他一系列问题。
