柴油机喷油器的修理及检验工艺

焦宇飞，赵 斌，梁前超，罗 璠

(1.东海舰队装备部，上海 200083;2.海军工程大学，湖北武汉 430033)

1 喷油器故障问题的提出

根据调研，主机PC2-5柴油机厂家规定的产品寿命在10 000 h以上，按设计要求检验喷油器时间 (MTBF)最少为3 000～5 000 h以上，按实际船上每年使用1 000～3 000 h计算，抽检喷油器时间应该为3年，寿命可达10年左右。但近几年来，该舰多次频繁出现主机冷却水系统故障，均为喷油器故障所造成。该主机的冷却水分为海水系统和闭式淡水系统，闭式淡水系统又可分为主机冷却水回路和喷油器回路2个独立系统。喷油器喷嘴与本体之间平面常发生燃油泄漏于冷却水之中，造成水污染使2个淡水冷却水系统故障，严重影响喷油器散热冷却、烧坏。系统水垢严重，舰员不得不经常清洗膨胀水箱，严重影响了舰艇的可靠性。1个待修机件往往同时存在多处损伤和各种故障，漏泄是最难解决的，有的部位可能处于未达极限损伤状态，但仍应当全面加以修复。

2 喷油器故障问题的分析

本文针对法国PC2-5柴油机喷油器常发故障进行了分析，对预紧力进行了有限元计算，确定出喷油器常发故障是喷嘴端平面泄漏引起的高压油进入水中的故障。最后提出了修理工艺及其检验标准，应用到实船上，提高其使用寿命7～10倍。

柴油机喷油器的结构见图1所示，它由上、下2部分组成。上部分是喷油器本体，下部分是喷油器的喷嘴。拆卸喷油器时扳手力矩规定为540 N·m。喷油器喷嘴也称为油嘴，其外部结构见图2所示。拆开图2中的故障喷油器油嘴后发现水道(进、出口)有严重的水垢存在，水垢将水道的1/3～1/2堵住其水垢纵向较长，形成纵向锈管状块。用手摸黄色水垢较硬，可见油嘴传热性能很差导致喷油器温度过高。在图2油嘴平面上还可看见从油道至水道间的平面上有明显的油污痕迹，表明喷油器漏油，故汽缸盖上方的冷却水观察口有大量油污溢出。另外，在喷油器平面端面也有明显的脏物 (黑色)，可见，其修理工艺不规范，装配时留下的脏物也未清洗干净。

图1 柴油机喷油器的结构图

图2 油嘴端平面水道水垢示意图

3 喷油器故障问题的解决

喷油器故障损坏时，维修人员对故障零部件进行“4-R处理”，即拆除 (Replace)、修理 (Repair)、改造 (Rebuild)以及/或者更换 (Replace)。当性能无法满足其预定功能时，要采取故障排除措施，对故障零部件进行拆除、修理、改造或者更换。维修人员必须用主动式方法来弥补上述传统的反应式维修措施的不足。主动式方法可以在发生材料或零部件性能衰退很久以前就识别出造成这些异常的根本原因。预防性维修即不损毁维修，相对于损毁维修要高一个档次，因为这时机器系统仍能工作，只不过性能已经下降到临近故障点了。预防性维修通过检试、维护保养，以及大小修等措施来达到预防损毁的目的。这些措施可大体上归为如下3类:①对正常工作着的子系统、机械装置及需要注意的各个零部件进行日常保养维护—润滑、清洗、调整、更换 (如过滤器)等;②核对各冗余零部件是否损坏，必要时予以修理及更换;③检查或更换将要磨损毁坏的零部件 (如密封件等)。

通过对近几年来冷却水系统的故障元件使用情况定量分析确定其薄弱环节。拆解1个新的喷油器、1个修理过的喷油器以及1个待修的喷油器。经过对3个喷油器的拆卸预紧力、喷油器本体与喷嘴平面接触面情况、内部结垢和泄漏情况的对比分析。采用有限元方法对预紧力数据进行了计算，剖析了故障的原因，得到了要求的结果。在此基础上指出了原有的维修手段的不足，提出了1种新的维修工艺。通过对攻关前后收集到的近30组故障数据分类判别及参数计算表明，采用以下新的维修工艺后柴油机喷油器的可靠性有较大提高。

4 喷油器故障的修理及检验工艺

对于1个损坏的零件，可能有几种修复工艺可供选择，究竟选用哪一种较为合适，这是在修理前必须慎重考虑的问题。一般来说，对于1个具体零件的修复过程应满足:工艺合理、经济性好、生产可行3个方面。

1)工艺合理。由于每1种修复工艺都有其适应的材质。所以，在选择修复工艺时，首先应考虑待修复机械零件的材质对修复工艺的适应性，用于喷油器故障的修理工艺合适不合适。

喷涂工艺在零件材质上的适用范围较宽，金属零件、碳钢、铸铁和绝大部分有色金属及其合金零件都能喷涂。在金属中只有少数的有色金属及其合金喷涂比较困难，例如紫铜，由于导热系数很大，当粉末熔滴撞击紫铜表面时，接触温度迅速降低，不能形成基本的结合，常导致喷涂的失败。另外，以钨为主要成分的材料喷涂也较困难，用于喷油器故障的修理工艺不合适。

每个机械零件磨损损伤的情况不同，修复时要补偿的覆盖层厚度也不一样。因此，在选择修复工艺时，必须了解各种工艺修复所能达到的覆盖层厚度。主要修复工艺能达到的覆盖层厚度 (其数据来源于专门试验研究和长期积累的经验):镀铬，0.1～0.3 mm，镀铁，0.1～5 mm;电刷镀，0.1～1 mm;喷涂，0.2～3 mm;喷焊，0.5～5 mm;电弧振动堆焊，1～2.5 mm;等离子堆焊，0.25～6 mm;手工耐磨堆焊，厚度不限。可以解决该类故障的修复工艺有:①在喷油器体与喷嘴平面间采用紫铜垫片、软钢垫片;②在喷油器体平面与喷嘴平面上刷镀一层软金属;③采用先进的研磨工艺。因此对这3种工艺的特点进行分析之后并结合对测量数据的定量分析选定新工艺。覆盖层的强度、硬度、覆盖层与基体的结合强度以及机械零件修理后表面强度的变化情况等是评价质量的重要指标，也是选择修复工艺的重要依据。用于喷油器故障的修理工艺不合适。

2)经济性好。在保证机械零件修复工艺合理的前提下，应考虑到所选择修复工艺的经济性。

3)生产可行。选择修复工艺要结合企业现有的修复用装备状况和修复水平进行。用于喷油器故障的修理工艺是否合适，还应注意不断更新现有修复工艺技术，通过学习、开发和引导，结合实际采用较先进的修复工艺。我们通过多次调研，并在翻阅国内外资料的基础上，制定出嘴油器体与喷嘴接触端面研磨修理工艺及检验标准。在船动力机械领域，引入了新的方法和手段。

研磨修理工艺主要有机磨和手磨2种方法。机磨精度高，但投资巨大。手磨工艺简单实用，但对人工的要求较高，所以需要随时掌握研磨的程度和质量。手磨工艺如下:一般采用3步磨法，其研磨膏采用W10，W7及W3.5号，分别研磨10 min左右，若检验合格，最后用W1.5号研磨抛光。

检验工艺标准:图3是检验喷油器本体平面或喷嘴平面合格的方法之一，即使用光学平面平晶检验端面平面度示意图。采用光学平面平晶 (D60)检验2个端平面的平面，干涉条纹越少其平面度越好。图4表示平面是凹面时的干涉条纹，颜色为红-黄-红相间。图5表示平面是凸面的干涉条纹，颜色为黄-红-黄相间。少于或等于3个干涉条纹的是合格产品。修理后的平面度、粗糙度、垂直度等合格标准为:①表面平面度，少于或等于3条干涉纹带0.9 μm;②表面粗糙度，小于或等于0.2 μm;③平面对针阀副面的垂直度，应满足 GB 1184的7级公差;④使用专用工具拧紧喷油器，套筒的预紧力到规定的力矩值800 N·m。

图3 光学平面平晶检验油嘴端面平面度示意图

图4 凹面干涉条纹示意图

图5 凸面干涉条纹示意图

需要指出，维修不只是对故障原件本身的修复，而是一整套解决方案，包括修复后的安装工艺以及故障根源的解决。例如本例中的安装预紧力以及冷却水水质的问题，还有手磨工艺对工人的个人素质要求较高，需要随时掌握研磨的程度和质量。若检验合格，最后用W1.5号研磨抛光。

5 结论

喷油器修理工艺应达到预紧力矩Mn=800 N·m，表面平面度≤0.9 μm，粗糙度≤0.2 μm，装配时喷油器本体和喷嘴接触表面不能有任何脏物。同时满足以上条件的喷油器才是合格产品，使用时才不会发生喷嘴平面的泄漏问题。应用实际表明，喷油器的检验时间 (MTBF)由原来的380 h，提高到3 000 h以上。从而有效地提高了柴油机的使用可靠性水平。