某型船用柴油机油门拉杆抖动原因分析与解决措施

刘志刚 向本银 刘宗辉 王泽惠 翟中波

摘要： 柴油机在运行过程中，油门拉杆在一定的转速范围内高频抖动，低于或高于这一转速范围，抖动现象消除。此故障现象有的通过调整调速器可以解决，有的调整后仍然无法解决。针对这一问题，我们从操纵杆系的连接、调速器内部结构、调速器座安装方式、调速器驱动结构等多方面进行分析，找到了主要因素，制定了相应的解决措施。

Abstract： During the operation of diesel engine， throttle rod in a certain range of high frequency jitter， lower or higher than this range of speed， jitter phenomenon eliminated. Some of these faults can be solved by adjusting the governor， and some can't be solved after adjustment. In view of this problem， we analyze the connection of the joystick system， the internal structure of the governor， the installation mode of the governor seat， the driving structure of the governor and so on， find out the main factors and make corresponding solutions.

关键词： 油门拉杆;调速器;推力轴承间隙;调速弹簧;锥齿轮间隙

Key words： throttle rod;governor;thrust bearing clearance;speed-regulating spring;bevel gear clearance

中图分类号：U262.11                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0167-03

0  引言

某船用中速机在市场验证中，遇到一个比较棘手的问题。多台柴油机在500r/min-750r/min工况运行过程中，控制喷油泵的操纵杆系手柄（油门拉杆）存在剧烈抖动现象（高频），但柴油机转速没有明显变化，功率和输出扭矩也很稳定，没有波动。当柴油机转速低于或高于此转速段时，油门拉杆抖动现象消失，柴油机正常运转。虽然此现象不会影响发动动力性、经济性和可靠性，但给客户造成了不好的使用体验，对产品口碑有一定的影响。针对这一问题，我们对柴油机的整个油门控制系统，进行了深入分析，排查。

1  原因分析

柴油机的转速是由装在靠近飞轮端操纵侧的调速器来控制的。调速器的动力来源是通过曲轴旋转带动正时齿轮系转动，正时齿轮系的凸轮轴齿轮再驱动调速器座锥齿轮组件，然后经直齿圆锥齿轮变速后带动调速器传动轴工作。调速器通过输出轴与喷油泵控制装置的调速摇臂相连接，操纵杆系在连接到喷油泵供油齿条上，将调速器输出的角行程，转换为喷油泵齿条的直行程，来控制喷油泵油量增减，进而控制柴油机转速变化。如图1所示。

调速器是柴油机的转速控制机构。柴油机在一定的转速下稳定运行的条件是输出的功率必须与外界负荷相平衡，而外界负荷的变化必将引起柴油机转速的相应变化。柴油机的输出功率直接与喷油泵送入气缸的燃油量有关。如果喷油泵供油量保持不变，那么外界负荷减小时转速就会升高;外界负荷增加时，转速就会降低。调速器的作用是当柴油机转速降低时，自动增加喷油泵的供油量;转速升高时自动减少喷油泵的供油量，使喷油泵的供油量始终与外界负荷相适应，从而来保证柴油机的稳定运行。

通过研究柴油机整个油门控制系统零部件组成，排查各零部件的功能，观测各零部件在柴油机试验过程中状态，查阅调速器使用说明书，分析造成油门拉杆抖动的可能原因有以下几点：①调速器一致性差异，主要表现在滑阀系统（柱塞和滑阀套）间隙超差;球头、推力轴承磨损，组件配合间隙超差;调速弹簧弯曲;动力齿轮啮合齿隙超差;传动轴油封损坏;调速器系统中有空气等。②调速摇臂安装不合理。③弹性连接机构弹簧设计不合理。④调速器用油不合理。⑤调速器传动速比不合。⑥调速器驱动不稳定，主要表现在调速器座传动齿轮系的安装，齿隙超差;传动齿轮齿形、粗糙度超差;齿轮轴弯曲;调速器驱动轴受扭转力;调速器连接螺栓松动。⑦油门拉杆组件卡滞。详见图2故障树。

2  制定验证计划

根据以上原因故障树分析，结合试验中心柴油机台架试验故障现象表现，联合厂内质量、技术、工艺，共同制定表1验证计划。

3  验证并确定根本原因

3.1 调速器一致性差异验证

柴油机在试验过程中，有的故障现象可以通过调整调速器的补偿调整解决。例如，①调整补偿指针，柴油机起动后，松开固定补偿指针的螺母，把指针放到刻度板上最大位置处，然后旋紧螺母;②调整补偿针阀开度，打开底座上的補偿节流针阀2～3圈，让柴油机游车几分钟，使调速器油路中的空气排出，然后松开补偿指针螺母，把补偿指针放到刻度板上最小位位置，旋紧螺母;③慢慢关小针阀开度直至游车恰好终止，不要超过这个位置;调完关闭针阀，确认针阀开度大于1/4圈，补偿指针小于80%刻度，调速器工作正常。调速器结构原理图详见图3。

有的故障现象调整调速器补偿后，仍然无法解决，但更换调速器后故障消除。这种情况主要是调速器一致性差异造成。针对此情况，我们将有故障现象的调速器和无故障现象的调速器进行单独拆检，对主要零部件尺寸，装配后尺寸进行对比分析。发现影响调速器输出轴稳定工作的因素有：滑阀系统间隙，球头和飞锤质量，推力轴承装配间隙，调速弹簧形状、动力齿轮啮合齿隙等。通过多次试验、测量分析确定，关键因素是推力轴承装配间隙是否超差，调速弹簧刚度一致性是否稳定。以上两点如能保证，调速器的一致性就能得到基本保证，就不会造成调速器输出轴抖动，进而带动油门拉杆抖动。

3.2 调速摇臂安装不合理验证

通过查阅调速器说明书，要求发动机齿条全行程占调速器输出轴全行程80%，最大、最小位置各留10%的余量，空载到满载占调速器输出轴全行程约60%，如图4所示。通过调整摇臂安装位置尺寸L，如图5所示，可以满足调速器的使用要求。经过试验查证，适当缩小L的长度，有利于降低油门抖动，但不能完全解决。说明调速摇臂安装位置可以一定程度缓解抖动现象，但不能完全消除，不是主因。

3.3 弹性连接机构弹簧设计不合理验证

故障发生初期，怀疑是弹性连接机构弹簧共振造成抖动现象。设计新弹簧，提升弹簧刚度，刚度是原来弹簧的10倍，然后进行装机验证。多次试验后，发现，弹性连接机构弹簧提升刚度后，对缓解油门拉杆抖动，有一定效果（抑制调速器输出轴抖动），但不能完全消除抖动现象。因此认为，不是共振造成的，弹性连接机构弹簧刚度值，不是油门拉杆抖动的主要原因。

3.4 调速器用油不合理

对调速器用油进行排查，调速器油符合相关标准（46# L-TSA汽轮机油，GB-11120-1989）要求;柴油机运行过程中，油温也未超限值（限值：80℃）。对润滑油品质进行质量检测，成分、粘度等指标符合标准;油品中未见杂质，未变色，满足调速器说明书使用要求。

3.5 调速器传动速比不合适

对调速器速比进行校核计算，柴油机运行的转速段乘以速比（1.5）算出的调速器工作转速，满足调速器工作转速推介范围（500r/min-1500r/min）。与同类机型对比，速比差异不大，也在统计学范围内。详见表2。

3.6 调速器驱动不稳定

经过梳理，影响调速器驱动的主要因素有：花键套、锥齿轮组、齿轮轴、调速器座轴孔等零件加工质量，锥齿轮啮合间隙，轴向间隙等，详见图6。通过对零部件质量检测，以及对比同类机型齿轮传动啮合间隙，发现锥齿轮啮合间隙对齿轮驱动的稳定性影响很大。对故障件进行实地测量，发现在个别方向上锥齿轮齿隙超差达到0.46mm。图纸与工艺要求，锥齿轮齿隙0.12mm-0.24mm。重新选装配对锥齿轮，装配后控制齿隙范围在0.16mm-0.23mm，重新试车，油门拉杆抖动现象消除。因此，齿隙超差造成调速器驱动不稳定，是产生油门拉杆抖动的主要原因之一。

3.7 油门拉杆组件卡滞

通过与油门拉杆组件配合间隙对比分析，传动轴与轴承孔隙间控制合理。对有油门抖动故障的和没有抖动故障的柴油机传动轴与轴承孔隙间进行实测，测量结果满足图纸要求。用弹簧秤拉动操纵杆系，显示阻力相当，受理均小于4Nm，满足设计要求。

4  总结

通过以上原因分析、改进、验证，确定了此船用柴油机油门拉杆抖动的主要原因是：①调速器中的推力轴承装配间隙超差;②调速器中的调速弹簧质量超差;③调速器传动座锥齿轮啮合间隙超差。改进措施：①严格控制调速器推力轴承装配间隙、指定调速弹簧供应商，保证调速弹簧质量一致性;②出厂试验时，加严了调速器在700r/min-1100r/min范围内的转速波动考核;③严格控制调速器座锥齿轮啮合间隙、保证间隙满足要求。本次对同一型号不同柴油机表现出相同故障现象的问题进行了分析总结，为今后工作中遇到类似问题，提供了分析思路和解决问题的办法。

参考文献：

[1]孙艳秋，陈延春.柴油机周期性“游车”的诊断和排除[J].农机使用与维修，2003（05）.

[2]毕来文，吉学之，乔军.6200Z型柴油机故障分析两例[J].山东内燃机，2000（01）.

[3]任荣社，孙昌将，郑发彬，章炜.12V180柴油机游车故障分析与排除[J].内燃机，2006（06）.

[4]谭竑.16V240ZJD型柴油机大修时游车问题浅析[J].内燃机车，2005（06）.

[5]闫甲良.6DK28e柴油机发电机组游车故障分析及排除[J].柴油机，2005（02）.

[6]劉之伦.船用机械液压式调速器及常见故障处理[J].设备管理与维修，2014（06）.

[7]白亚玲.一种闭式飞机减速转向器锥齿轮副的啮合间隙检测装置及检测方法[J].机械工程师，2021（2）.