关于某型柴油机水拉管使用管理经验浅析

孙虎

摘要：活塞是柴油机运转的重要结构，对于大型低速二冲程柴油机来说，由于活塞所受的热负荷和热应力较大，需要特别关注活塞冷却机构工作情况。本文通过介绍某型主机柴油机活塞冷却水拉管结构，梳理分析了活塞冷却水拉管容易遇到的管理难点，并针对性提出了相应措施，为活塞冷却水拉管的使用管理提供了一定的经验借鉴。

Abstract： Piston is an important structure of diesel engine. For large low-speed diesel engine， due to the large thermal load and stress on the piston， special attention should be paid to the working condition of the piston cooling mechanism. By introducing the piston cooling water pipe structure of the diesel， the management difficulty of the piston cooling water pipe is analyzd and the corresponding measure is raised， which providing the experience for the management of the piston cooling water pipe.

關键词：活塞;水拉管;液击;漏泄

Key words： piston;water pipe;liquid strike;leakage

0  引言

活塞作为柴油机中主要传动和承载部件，性能的好坏将直接影响柴油机的可靠性和使用寿命[1]，由于其既要承受较高的热负荷，又要承受较高的燃气压力，即机械负荷，需要能在高温高负荷下正常工作[2]，这要求活塞要有良好的冷却条件。保证活塞冷却机构的有效运行，是关系整个柴油机的重要管理内容。尤其是对于低速大型二冲程主机柴油机来说，其活塞所受的热应力大，若柴油机活塞的热负荷过高，散热不当更易出现活塞烧蚀、热裂、机油结焦甚至拉缸等问题[3]。大型柴油机的活塞冷却系统通常采用油冷与水冷两种，当活塞顶面积过大，当润滑油达不到冷却要求后，常采用水冷却系统。

1  该型柴油机水拉管结构及工作原理

该型主机柴油机型号为MAN K9Z60//105E，活塞冷却系统为水拉管式，采用淡水冷却。冷却水从装在发动机上的一个分配总管经过空气室流到每个活塞，它通过套管机构和活塞杆中的孔道进入和排出活塞冷却空间。冷却水腔为内外夹层式套管，冷却水经内管对活塞顶喷射冷却后，沿外管流至水拉管出水管，最后经机体排出，达到活塞冷却目的。

套管支架用螺钉旋在十字头上，在它的端部有两个套管。冷却水的进入管和排出管连接在活塞杆上，它们各和一个套管相连通。两个套管插入空气室中，上部用填料箱来密封。空气室设在机架的凹腔中。在进水空气室上装有止回阀，用来调节从空气泵输入的空气。

水拉管在下机体冷却水腔上下抽动时，高速压缩撞击冷却水，由于液体的不可压缩性，撞击产生的冲击压力会作用在活塞顶上，严重时会撞裂活塞，造成重大机械事故。为了减弱由于套管往复运动所引起的，亦即由于水柱的加速和减速所引起的压力波动，在空气室中需要有一个气垫。它由专用的空气稳压泵实现，装设在柴油机的自由端，由曲轴驱动。稳压泵连续把少量的压缩空气输入空气室，空气通过一个可调整的止回阀进入进水空气室的上部。当水拉管快速下行，便会压缩系统中气垫，对系统及活塞起到较好的保护作用。

2  活塞冷却水拉管管理难点

在实际使用管理中，水拉管由于其结构设置及工作环境，需要重点关注两个方面。

2.1 水拉管液击

冷却水自下机体冷却腔与水拉管相连，水拉管在十字头轴承上下运动带动下，将冷却水输送至活塞杆冷却水腔。若水拉管冷却水腔供气中断，气垫消失，造成水拉管下行时容易形成液击。如2016年，主机在145rpm高速运行时，右主机突然发出严重金属敲击声，听音判断声源为第八缸水拉管伸缩部位，为确保主机运行安全，不发生恶性机械事故，值班人员果断停车。

因稳压泵同时向九缸活塞冷却水腔供气，如一缸发生液击现象，共性气源故障可能性不大，即稳压泵故障可能性极小，经检查，机器稳压泵工作状态无异常。随后停车拆卸检查水拉管相应附件，发现调节供气的单向阀因长时间工作，阀芯凸肩磨平，卡死在阀座内，造成冷却水腔供气管堵塞，无法形成气垫，造成液击。其中，该单向阀的功用主要是：当水拉管下行时，冷却水腔压力会瞬间高于稳压泵供气压力，为防止冷却水倒流至稳压泵，在供气管与水腔连接处增设了单向阀，较好地解决了冷却水倒流问题。但如该阀卡死或堵塞，则可能影响冷却水腔气垫的正常形成。

判断故障原因后，通过将阀芯重新加工装复，柴油机高速运行，水拉管冷却腔内压变化正常，右主机水拉管液击现象消除。

2.2 水拉管漏水

活塞在气缸内进行往复直线运动，接入活塞的冷却水管需随活塞运动而上下伸缩，故冷却系统设水拉管供水装置，该装置因设置于机体内腔，由于供水结构受柴油机结构及填料函运行影响，很容易发生大量冷却水漏泄现象，这将直接影响柴油机冷却效果，甚至污染柴油机润滑油质量，影响柴油机的正常运行。通过实践总结，发现造成水拉管大量漏水的主要因素有：

2.2.1 水拉管不可消除的导板间隙

因水拉管必须在跟随活塞上下往复运动中实现连接循环冷却水的要求，水拉管被安装在柴油机十字头轴承的外壳上，跟随十字头轴承及活塞做同步运动，故十字头轴承上下运动的导板间隙也就等同于水拉管与管套密封的最小间隙，且这个间隙不可消除，需要柴油机在进厂修理等时机调整好导板间隙。

2.2.2 水拉管及拉管托架变形

该型主机水拉管因其活塞行程达105厘米，水拉管设置长度达150厘米。水拉管在高速往复运动过程中不断承受往复压缩的冲击，很容易产生水拉管本身及托架弯曲形变。形变到一定值后，弯曲或倾斜的水拉管便会过度挤压密封填料，造成填料及密封环异常磨损。这需要及时检查测量水拉管弯曲度，如2010年，该型柴油机某缸水拉管漏水严重，经拆卸测量发现径向跳动量为0.3mm，属于规定中径向跳动量大于0.2mm应校直或换新，外径圆度偏差大于0.1mm应换新的要求，后經换新水拉管后漏水量明显降低。

2.2.3 水拉管密封消耗性的磨损

活塞冷却机构填料箱用于插入空气室的套管密封，由上下两部分组成，上部主要用密封环形成对曲轴箱的密封，下部主要用密封填料形成对空气室的密封，两部分填料都装在机架的凹底中。具体结构如图1，在外壳的上部分（9）中，有两个三段合成的密封环（13）和一个三段合成的润滑环（17）。它们都由装在环外周凹槽中的拉伸弹簧（15）压紧，并活动的装在套环（14）中。套环用压紧环（18）固定在外壳的上部分中。在外壳的下部分（7）中有一个装在套环（19）中的帽形密封套（12）、垫圈（20）以及装在导套（22）中的填料（21）。填料是由一个压紧垫圈、一个压紧环、三个唇状密封圈和一个推力环组成。它们的高度，在安装好后应当被压缩1.0到1.5毫米。在密封环磨损间隙过大及填料挤压磨损变形量萎缩后，导致水拉管与填料函的间隙超标引起漏泄。要定期观察有无滑油或水从套管中流出，以此判断活塞冷却机构填料函的作用是否良好。若有滑油流出，表明填料箱对曲轴箱空间的密封遭到破坏。若有水流出，则表明密封填料对空气室空间密封遭破坏。

3  几点思考

①工作中要经常探摸水拉管冷却腔外壁，有明显脉动冲击时，要加强观察该缸冷却水腔压力变化情况，及早处置，防止故障进一步扩大。②柴油机运行管理中，发现水拉管液击且不能短时消除，必须立即停车，防止液击造成重大机械事故。③要经常检查水拉管冷却腔水压变化情况，发现异常跳动升高后，应拆检系统单向阀。④在更换水拉管或对水拉管进行弯曲度、垂直度修正后，先低速运转1h，停车检查套管磨合情况。运转时从观察孔查看漏水情况以及用红外测温仪检测套管温度。初期磨合时允许观察孔有轻微漏水现象，如漏水量较大，可适当调整填料压帽，注意不要过紧。试验结束，打开导门，检查套管磨合情况，不允许有拉毛现象、并检查套管机内部位的漏水情况，不允许有明显水迹。⑤柴油机运行中，经常倾听有无异常的摩擦声，要定期对套管密封处注油，延长其使用寿命。

4  结语

活塞冷却机构是大型低速二冲程柴油机的重要附属机件，其工作成效直接关系着柴油机运转效果。作为管理人员，在柴油机使用管理中，必须要及时关注活塞冷却水拉管工作情况，尤其是检查有无异常响声、大量漏泄等情况，及时予以排除水拉管液击、水拉管变形、填料函失效等故障，保障柴油机的正常运转。

参考文献：

[1]潘志刚.某船用低速柴油机活塞性能研究[D].江苏：江苏科技大学，2015.

[2]马春燕.柴油机活塞的有限元分析[D].河北：河北工业大学，2014.

[3]陈浩瀚.船用柴油机活塞冷却油腔振荡传热特性分析[D].北京：北京理工大学，2016.