船舶柴油机燃油凸轮故障分析

王明峰

(广州航海学院，广东 广州 510725)

技术交流

船舶柴油机燃油凸轮故障分析

王明峰

(广州航海学院，广东 广州 510725)

凸轮机构在船舶柴油机中起着重要作用，文章从某船舶副机发生的一起故障引入，介绍了船舶柴油机凸轮常见故障产生的原因及预防策略进行阐述，并对本次故障进行分析解决，为以后同类故障的检测与解决提供参考。

船舶柴油机；燃油凸轮；故障

某船于2012年3月12日下水，在2015年5月11日上午从南非满载至台湾途中，由于大副需要更换压载水而要启动压载泵，于是当班轮机员按照程序启动了备用的2#发电动机组并正常并入电网系统。在运行了一段时间后，该轮机员在机舱巡视过程中发现运行中的2#副机的No.1和No.4缸排气温度偏高，比其他缸高出约65 ℃和70 ℃左右。本船的船舶副机是日本产YANMAR M220L-UX型柴油机，主要参数为6缸、汽缸直径220 mm、行程260 mm、额定功率530 kW，采用传统缸头启动阀，配置有ABB VTR161-2系列废气增压器。当班轮机员将该情况告知主管轮机员二管轮，二管轮经过外观检查没有发现问题，于是就在常用负荷下将No.1和No.4缸的供油齿条进行了调整，使得2个缸排气温度与其他缸基本持平。

当天下午大副换水完毕，通知机舱停压载泵后，二管轮按照卸载程序将2#发电动机组解列，并运行约10 min后准备停车时，二管轮发现No.1和No.4缸排气温度再次偏高。这现象引起了二管轮的注意，他停车后进行了详细检查，各缸油头刚刚检验调整没多久、各燃油系统也没有问题，可是在检查洗清滑油滤器的时候发现滤芯上附有明显的铁屑，这也引起了轮机长的注意，于是打开曲轴箱道门并经过一些列仔细检查，发现No.1和No.4缸的燃油凸轮有明显磨损现象。

1 船舶柴油机中凸轮机构的应用

近年来，随着船舶柴油机功率的不断提高，喷油泵的循环供油量相应增加，为了改善燃烧过程和供油规律以保证良好的经济性，需要燃油喷射系统在较短的时间内喷入汽缸，因此，目前柴油机的喷油泵的柱塞直径不断增加，同时，平均有效压力Pe、爆发压力Pz也随之提高，造成燃油凸轮的接触应力大大提高；另一方面为了排气能量的充分利用和改善缸内工作循环的热效率，采用了大张角的排气凸轮，这意味着排气凸轮承受的工作负载的作用时间延长，造成凸轮对外界因素(例如滑油清洁度等)十分敏感，对滚轮、滚轮衬套、凸轮的材料和表面质量、零件的加工尺寸控制、安装的准确性等的影响也十分严重。

在机械传动中凸轮机构隶属于高副机构，其凸轮部件常作连续的等速转动，根据其工作规律可知，由于凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，这就造成其容易磨损的特点，所以凸轮机构多用于传动力不太大的控制机构中。

在柴油机中，凸轮机构是重要的定时传动机构，主要用于进、排气阀的启闭、喷油泵和空气分配器的驱动等方面。凸轮在顶动滚轮或从动件过程中，由于点接触或线接触导致其工作表面上产生很高的接触应力以及摩擦磨损，当接触应力过高时其工作面会发生疲劳破坏，产生麻点或金属剥落现象。柴油机在平台试车、出海试验投入运行期间时有发生燃油凸轮或排气凸轮咬毛等故障情况，直接影响整机运行的可靠性。燃油凸轮机构如果磨损严重，将会导致高压油泵中柱塞的升程改变，从而严重影响供油正时的改变，主要表现在供油时间缩短、正时延迟，严重时会导致排气高温，而进排气凸轮磨损会改变进排气正时改变，使进排气阀晚开早关，具体的现象表现为排气温度升高，这些结果会严重影响柴油机的工作性能。

1.1 燃油凸轮

在柱塞泵式燃油系统中，如图1所示，喷油泵又称高压油泵，是燃油系统中最重要的一个部件。喷油泵的功用是使燃油产生高压，并根据柴油机工况的要求，将一定量的燃油在准确时间内将燃油喷入燃烧室，喷油泵的供油量应满足柴油机在各种工况下的需要，即负荷大时，供油量增多；负荷小时，供油量减少。

图1 典型柱塞泵式喷射系统

同时还要保证各缸的供油量均匀相等。而根据柴油机的要求，喷油泵要保证各缸的供油时刻相同，即各缸供油提前角应相同，而且供油应迅速开始，停油应迅速结束，避免滴漏现象，其中对喷油规律和定时起决定性因素的就是图2中的凸轮，整体式凸轮轴，其结构如图2所示。

图2 整体式凸轮轴

当高压油泵底部衬套高负载时，此时燃油凸轮与排气方面承受的负载相比较持续时间比较短。当活塞上行至近压缩终点时，燃油雾化和高压气体混合膨胀作功时，其高压油管压力达0.7～80.0 MPa(7～800 bar)左右，时间较短而负载较大，这样甚至可能被压塌。但是由于高负载时间持续较短，故油膜厚度相对于排气凸轮要厚些。

1.2 排气凸轮

负载比燃油方面小，但由于排气阀弹簧的作用，使其负载在一段较长的时期内保持高的状态，而开启的角度为约140°曲轴转角(4冲程柴油机)，因此排气凸轮处的油膜厚度降低，并且产生较多摩擦热量，故对其污染的滑油的敏感程度就大于燃油方面。正因为如此排气凸轮咬毛的概率比燃油凸轮高。

2 船舶柴油机燃油凸轮、排气凸轮故障产生的原因及对策

2.1 滑油系统清洁度

造成滑油系统脏污的原因主要是喷油泵和排气阀驱动机构中的润滑系统、管路系统及滑油本身的清洁度等因素引起。大多数情况下由于驱动机构的零件在制造过程中含有铸件型砂、加工零件毛刺等，在使用过程中细铁屑落下形成磨粒磨损，同时各滑油管路系统及管子接头和阀件等内腔的焊渣、沙粒、杂质及加油时外界杂物进入滑油内，也会直接造成燃油、排气凸轮的咬毛，这就要求滑油系统的所有零件及附属设备必须在安装时清除内部的焊渣、沙粒、杂质、型砂等工艺杂物和外来尘埃、脏物进入系统内。而在每次更换油底壳滑油后，在开始运转前，要经过严格的预冲洗程序，以确保滑油系统的清洁度，一定要做到油路通畅、零件清洁、修妥毛刺和去除型砂铁屑等，同时保持油池清洁，滤器正常工作，并使用符合黏度性能要求的滑油。

2.2 油路畅通

油孔对齐，仔细防止回丝、纸团等塞住油孔。

2.3 滚轮形状和表面质量

由于滚轮与凸轮的接触特性，导致其接触面上接触应力分布不均匀，尤其是在工作面的外侧区接触应力明显高于中部。除了外形加工因素外，凸轮、滚轮以及浮动衬套的表面粗糙度影响也很突出。一般来说要求其表面的表面粗糙度达到Ra0.4以降低对它们正常的工作状态影响。对于浮动衬套而言，在工作状态时浮动衬套一旦与相应接触零件发生任何阻滞都将会造成滚轮相对凸轮接触面的滑移，然而一旦产生滑移现象，就会导致凸轮与滚轮间接触面的咬毛故障，因此浮动衬套的表面粗糙度越高越好。

2.4 严格按照设计图纸加工制造

燃油凸轮、排气凸轮、销轴、浮动衬套、垫片等零件的加工尺寸和热处理要求一定要按照图纸要求，装配后得到合理的配合间隙，运行时具有一定的油流和油膜厚度，满足润滑要求，一般来说具体要求如下。

1)零件的加工与装配必须保证凸轮和滚轮之间位置正确，接触良好，工作状态下成线接触状态。凸轮和滚轮之间通过透光检查以达到要求，但是往往由于凸轮与滚轮母线不平行或不在同一垂直平面上形成点接触而产生高接触应力，凸轮型面(包括滚轮型面)在短时间内就会产生严重咬毛。在检查滚轮导筒壳体安装间隙时，一般要求其在盘车升程20 mm时，满足A±0.1(A为标准值)间隙以符合要求。

2)安装前，进行零件尺寸检查，符合其间隙要求。

3)零件组装后，滚轮能自由转动，没有卡住和不灵活现象，换向连杆摇臂换向16.6°到位而不碰撞。

4)如果导筒衬套内径磨损过大，会使注入销轴的油从衬套与销轴之间的间隙中流失“逃脱”，而不是沿导筒上垂直油槽流入，这样会加剧其摩擦磨损，因此必须严格保持衬套与导轨之间规定的配合间隙，油槽位置正确。

2.5 确保相关运行参数正常

1)凸轮轴油压、油温要符合设计要求，一般而言，油压保持在0.25～0.30 MPa(2.5～3.0 bar)，油温约为40～50 ℃。

2)滤器工作正常。保持油清洁，滤器不失效，否则“污垢”会进入滑油系统，这也通常是造成滑油不清洁的主要原因。

3)滤器要求绝对细度40 μm，工作温度60 ℃左右。在50 ℃时滑油的黏度为75 cst，正常情况下，90%以上的大于20 μm的绝对细度颗粒要被保留而不通过。

3 故障解决

通过一系列仔细检查后，发现燃油凸轮出现严重磨损的现象。本船共装配了3台发电副机，2台运行1台备用，而船上没有燃油凸轮备件，为了不影响可能出现的备用组并车使用的情况发生，轮机长决定对该柴油机燃油凸轮进行修复。由于本船的副机是日本产YANMAR M220L-UX型柴油机，其燃油凸轮是整体式的，当将其整体拆出后，要进行堆焊修复处理。在对No.1和No.4缸燃油凸轮堆焊时，要对比其他缸的凸轮，使其比正常高度高至少0.5～1.0 mm，为后续打磨预留一定余量。在对堆焊部位打磨过程中要先使用砂轮、砂布盘等，由粗到细地加工，但是毕竟实船条件有限，轮机长决定将修复后的机组只做短时间应急使用，等靠港后对该凸轮轴进行换新处理。

4 结束语

总之，不论是在柴油机设计制造、组装、试验还是在日常运行过程中，对凸轮机构的外表运行状态或相关影响因素一定要加以注意，尤其是当发现排气温度发生变化时，不要一味从调整油门的惯性思维上着手，要有综合的全局观念，对故障要进行全面细致地分析和检查，才能使故障得以及时排除，保障船舶正常运行。

Cam plays an important role in marine diesel engine.Taking the fault on an auxiliary engine as example,the cause for some usual faults on cam and the preventive tactics are introduced and expounded,analysis and resolvent to the faults are given for solving kindred ones.

marine diesel engine;fuel cam;fault

王明峰(1972-)，男，河南邓州人，甲类一等轮机长，大学本科，研究方向为现代轮机工程管理。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.002

2015-12-08