某船推进柴油机排气温度异常故障原因分析

胡继敏，谈 锋

（海军驻江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913）

某船推进柴油机排气温度异常故障原因分析

胡继敏，谈 锋

（海军驻江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海 201913）

介绍了某船推进柴油机排气温度异常故障发生及检查处理过程。针对故障原因进行验证检查，并寻找到改进方法。该过程对船舶设计生产人员处理故障问题具有借鉴作用。

船用主机；排气温度；气门挺杆；原因分析

0 引言

某船在国内采用了额定转速为1500r/min的MTU956高速大功率柴油机作为该船推进主机，两台主机各自通过万向联轴器、减速齿轮箱驱动双轴系，进而带动螺旋桨。

在一次航行试验中，推进柴油机左机的多个气缸发生了排气温度异常的故障，进而导致降负荷停机。故障发生后，船厂迅速组织有关单位赶赴现场，对左机进行了初步外观勘察，发现某个气缸进气支管外表面油漆焦黄。打开缸盖罩壳后，发现排气挺杆断裂、进气挺杆弯曲。通过调取推进监控系统的历史运行数据得到，多个气缸都存在排气温度异常，且变化规律不完全一致。因此，要判断气缸的排气挺杆断裂是否为该次故障的直接原因，还需要结合气缸拆检、尺寸测量以及排气挺杆的力学分析，对各缸排气温度的规律进行合理解释。

1 故障现象描述

调出推进监控系统的历史数据得出，某日11时19分至25分B7、B8、B9、B10缸排气温度异常，但整机排气温度平均值基本稳定在600℃左右。如图1～图4所示，其中B7缸排气温度在11时19分后，持续下降至400℃以下；B10缸则先是迅速降低至400℃以下，然后又迅速升高到800℃左右；B8缸排气温度则一直在800℃以上；B9缸排气温度基本维持在700℃附近，即超过平均排气温度100℃左右。

图1 B7缸排气温度

图2 B8缸排气温度

图3 B9缸排气温度

图4 B10缸排气温度

2 拆检项目确定

故障发生后，对故障柴油机进行了初步勘察，发现B6缸进气支管外表面油漆焦黄，打开缸罩壳发现排气挺杆断裂，进气挺杆弯曲。

该型柴油机进、排汽挺杆规格为精拔45-φ25×2.5Y GB3639，挺杆长度分别为444.8mm和358.8mm，对挺杆的机械性能要求为抗拉强度≥645MPa，延伸率≥4%。为进一步分析故障原因，决定对各气缸进行针对性检查，具体检测项目如下：

1）通过吊缸，检查发生排气温度异常的B6-B10等气缸内部情况；

2）检查其余各气缸的缸盖、缸套和活塞顶等零部件表面情况；

3）超声波测量各气缸进、排气挺杆的壁厚情况；

4）对B6缸损坏的进、排气挺杆做力学和断口失效分析。

3 检测结果

3.1 各气缸部件检查情况

对B6-B10缸分别进行了吊缸检查，情况为：1）对比情况正常的B5缸，B6～B10缸的进气支管烟熏严重，如图5所示；2）B6、B8、B10缸的进气阀杆和阀面皆烟熏严重，如图6所示；3）在B10缸套表面的10点至5点钟方向，有一道贯穿划痕，且该缸活塞顶的积碳程度较为严重，分别如图7、图8所示。

除此之外，检查其余各气缸的缸盖、缸套和活塞顶等零部件表面情况，均未发生异常，且各缸进、排气挺杆均目测无异常。

3.2 各气缸进、排气挺杆壁厚检查情况

用超声波测量了各缸进、排气挺杆的壁厚，这里以圆心为对称点，取两侧壁厚测量值作为一组数据，设为(Di1，Di2),i=1,2,……，n。其中，Di1

图5 缸进气支管烟熏情况

图6 进气阀杆和阀面处烟熏情况

图7 缸套表面的划痕情况

图8 气缸活塞顶积碳情况

为反映挺杆壁厚的偏差程度，定义偏差度dmax=max(Di2/Di1),i=1,2,……,n。显然，dmax越大，则表明挺杆壁厚的偏差程度就越大，测量结果见表1。

表1 各缸进、排气挺杆的壁厚偏差度dmax测量结果

从测量数据可看出，B6缸排气挺杆的壁厚偏差程度要远小于其余各缸，故可判断该挺杆在加工内孔时偏移较大，导致该杆的局部壁厚偏差严重。

3.3 进、排气挺杆力学和断口失效分析结果

图9给出了排气挺杆的受力分析图，当气缸排气时，挺杆下部受到凸轮的作用力F2，并将该推力传给上部的摇臂，后者经摇臂轴，将受力传递给气阀端，从而开启气阀进行排气。此时，气阀对摇臂的反作用力为F3，摇臂对挺杆的反作用力为F1。

经断口失效分析表明，由于B6气缸排气挺杆壁厚偏差严重，该处承受能力极差，导致其工作时存在弯曲变形，且内壁加工壁厚较粗糙，在交变应力的作用下，首先裂纹在薄壁区域的内壁萌生裂纹，裂纹以疲劳的方式扩展。图10给出了裂纹扩展的三个方向，包括：从薄壁往厚壁处扩展的两个方向（a和b）以及厚壁处由外向内的一个方向（c）。当裂纹扩展到挺杆剩余截面无法承受其工作应力后，发生断裂。

图10 排气挺杆截面的裂纹扩展情况

当B6缸排气挺杆断裂后，排气阀始终处于常闭状态，排气受阻，使B6缸内燃气压力升高。当进气阀开启时，进气挺杆承受的压力不断升高，经力学分析确认，不断增高的压力值最导致进气挺杆被压弯曲。

4 故障原因分析

根据故障情况及检测结果，可以推断气缸排气温度异常的故障是由于排气挺杆断裂导致，其他现象均由此引起。图11和图12分别给出了各缸排气管布置图和进汽阀开启时刻图，基于两者对故障原因分析如下：

1）B6-B10缸的进气支管烟熏严重原因分析。

B6缸排气挺杆断裂导致排汽阀常闭后，缸内高压燃气在进气阀打开初期，就通过该缸进气支管串入进气总管，并连同各缸进气支管一并受热发黄。且从B6缸进气支管呈现焦黄色可初步判断，排气阀常闭后，B6缸仍在发火工作，并持续有高温燃气通过进气支管窜入进气总管。

2）B7、B8、B9、B10缸排气温度异常原因分析。

高温燃气串入进气总管，并与新鲜空气混合后，降低了总管内氧气浓度，并提高了总管内温度。当氧气浓度不能满足缸内燃油正常燃烧条件时，该缸因未完全燃烧而造成排气温度较低；当氧气浓度能满足缸内燃油正常燃烧条件时，由于进气温度提高会导致排气温度明显升高。

从图12可以看出，在B6进气阀开启初期，B7缸进气阀仍在开启阶段，B6缸内高温燃气将经由B6缸、B7缸进气通道大量串入B7缸内，此时缸内氧气浓度较低，因此排气温度持续下降至400℃。

而B10缸在进气阀开启初期，由于B6缸进气阀还未关闭，则前者排气温度也迅速降到400℃，但在后期由于B6缸进气阀已经关闭，缸内高温燃气被阻隔，进气总管新鲜空气比例增大，氧气溶度增加，B10缸排气温度也迅速升高到800℃。

同理分析可得，由于B8、B9缸进气阀开启时刻未与B6缸重叠，因此排气温度一直较高，前者一致在800℃以上。而从图11可看出，由于B9缸与B7缸排气管路互通，因此前者排气温度也略微受到了后者降温的影响，其温度值基本维持在700℃附近，但仍超过平均排温100℃左右。

3）B10缸拉痕原因分析。

从图12可以看出，在B10缸进气阀打开初期，B6缸进气阀就已经开启了一段时间，总管内大量的高温燃气从B10缸进气通道传入气缸，造成该缸从进气开始就一直处于未完全燃烧状态，不断聚积的未燃烧颗粒最终导致了B10缸拉伤。

4）其他现象原因分析

B10缸气缸活塞顶积碳也是因为缸内未完全燃烧造成，而B6、B8、B10缸的进气阀杆和阀面处烟熏严重，则是由于进气总管内高温燃气串入各进气支管所致。

图11 排气挺杆截面的裂纹扩展情况

图12 各缸进气阀开启时刻图

5 结论

通过对该机零部件进行外观勘察、运行数据对比、气缸拆检、厚度测量以及力学分析，最终查明了该起故障的发生，是由于B6气缸排气挺杆断裂导致该缸排气阀处于常闭状态，致使缸内大量高温燃气在进气阀开启时串入进气总管而引起。另外，B6缸进气挺杆弯曲、B6-B10缸进气支管烟熏严重、B10缸拉很及活塞顶积碳等现象也均由此引起。因此，通过改进挺杆钻孔工艺、提高壁厚检验的有效控制，可避免类似问题的再次发生。

[1]杜荣铭.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2014.

[2]王文斌.机械工程手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]戈晓风,王特典.工程材料[M].南京:东南大学出版社,2000.

Causes Analysis on Exhaust Temperature Abnormalities for A Certain Ship’s Main Propulsion Diesel Engine

Hu Ji-min,Tan Feng
(Naval Military Reprentative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 201913,China)

In this paper,the occurrence and check-out process of exhaust temperature abnormalities for a certain ship’s main propulsion diesel engine are introduced.The cause of the malfunction has been examined and the improvement has been carried out,which can be a guidance to deal with other failures.

marine engine; exhaust temperature; valve tappet; failure

U664.1

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.016

胡继敏（1985-），男，汉族，工程师。主要从事舰船机电工程工作。