導讀

　　柴油機作為發(fā)電使用時轉速較高，通常不低于 1500 r/min，而柴油機進排氣系統(tǒng)涉及到的部件多且分散不集中，不僅需要很好地完成新氣充分吸入和廢氣徹底排出，還需要通過配氣機構要完成對進排氣門開閉時機的精準控制。

　　運行過程中如果出現(xiàn)進排氣道異響時需要引起足夠重視，比如由于氣流紊亂導致進氣不暢、排氣不徹底，甚至引起進氣道內著火，或者由于進排氣道中有雜物，容易造成渦輪增壓器的損壞、氣門頭部卡滯甚至燒蝕的故障發(fā)生。

　　

　　一、故障現(xiàn)象

　　我們研究的發(fā)電柴油機是 75kW 康明斯陸用發(fā)電機組的原動機，為直列六缸四沖程水冷增壓機，型號 6BT5.9，單機功率 92 kW。

　　具體故障表現(xiàn)為：

　　機組正常起動至怠速運行時，在柴油機進氣入口處聽到持續(xù)異響，觀察儀表發(fā)現(xiàn)柴油機轉速略有波動，但機組未出現(xiàn)明顯的運行不平穩(wěn)，其余各項運行參數(shù)未發(fā)現(xiàn)異常。

　　二、故障原因

　　出現(xiàn)異響，排查范圍集中在進排氣系統(tǒng)及配氣機構部分，可能的原因有：

　　a. 進氣道中有雜物。

　　空氣濾清器破損，進氣導流罩葉片斷裂，固定濾芯的螺釘松動;

　　廢氣渦輪增壓器軸承損壞，潤滑油道出現(xiàn)堵塞不通，進氣加壓葉輪或廢氣驅動葉輪出現(xiàn)損壞;

　　進氣道橡膠管破損等都有可能產(chǎn)生異響。

　　b. 氣門間隙過大或過小。

　　由于調節(jié)不當或機器長時間運行產(chǎn)生的磨損，導致柴油機進排氣門不能按照規(guī)定的配氣相位角度(見圖1)開閉氣門。

　　出現(xiàn)進排氣的紊亂，造成氣流倒灌、不能充分進氣或徹底排氣，也會形成氣道異響。

　　

　　▲圖1 6BT5.9 型柴油機配氣相位圖

　　c. 配氣機構部件損壞。

　　如果某個缸出現(xiàn)氣門桿變形卡滯、或者氣門彈簧斷裂、氣門傳動組件配合錯位、推桿彎曲變形、挺柱凸輪摩擦副出現(xiàn)損壞，甚至配氣傳動齒輪出現(xiàn)斷齒或破裂等，也會使配氣機構不能正常運行，進排氣道出現(xiàn)異響。

　　三、故障修理

　　按照由外而內、先易后難的原則依次進行檢修：

　　a. 檢查進氣道各部件。

　　打開空氣濾清器，檢查兩級濾芯及導流罩，未發(fā)現(xiàn)破損或雜物;

　　起動柴油機，用聽音棒聽廢氣渦輪增壓器進氣葉輪以及軸承部位未發(fā)現(xiàn)雜音。

　　通過各個部位的檢查和判斷，發(fā)現(xiàn)異響聲音不是雜亂無規(guī)律的，也不是金屬敲擊碰撞聲，而是有規(guī)律的氣流聲，初步判斷是燃燒后的廢氣從氣缸向進氣道排出，導致氣流倒灌，從而在空氣濾清器入口處形成持續(xù)規(guī)律的響聲。

　　并且，通過比對機組怠速與全速時的情況發(fā)現(xiàn)，聲響的斷續(xù)頻率與轉速成正比，也可印證此判斷。

　　因此，可以排除進氣道內存在雜物或進氣道部件損壞的可能性，故障范圍縮小到配氣機構部分。

　　b. 檢查配氣機構。

　　由于是氣流倒灌引起的異響，可知燃燒后的廢氣由于排氣門開啟時間不足或者根本未開啟，致使廢氣在進氣門打開時由進氣道排出，從而造成異響。

　　從配氣相位圖中觀察，每個工作循環(huán)中，排氣門打開角度應為 248°，排氣提前角高達 58°，目的也是為了使得排氣能夠徹底充分。

　　造成排氣門打開角度不夠，應當進行各缸進排氣門間隙的檢查，如發(fā)現(xiàn)異常應及時調整。

　　通過檢查發(fā)現(xiàn)，第五缸排氣門間隙明顯偏大，大于排氣凸輪的最大升程 6.74 mm，且搖臂上調整間隙的鎖緊螺母(見圖2)已經(jīng)振松，過大的氣門間隙致使搖臂無法碰到氣門桿，排氣門完全關閉無法開啟。

　　

　　▲圖2 6BT5.9 柴油機配氣機構

　　c. 檢查調整氣門間隙。

　　按照 6BT5.9 型柴油機氣門間隙標準要求，分別是進氣門 0.25±0.05mm和排氣門 0.50± 0.05mm ，要注意的是檢查調整應當在機器處于冷態(tài)進行，具體的步驟這里不再贅述。

　　筆者按照兩缸法[1]對所有氣門進行檢查，發(fā)現(xiàn)除第五缸排氣門外，第二缸排氣門間隙略微偏大，為0.58mm，其余氣門的間隙值均符合要求。

　　調整完畢后起動柴油機，異響聲音消除。

　　但是，在機組運行約 20h 之后，異響又開始出現(xiàn)，并有逐步增大的趨勢。

　　再次進行各缸氣門間隙檢查發(fā)現(xiàn)，第五缸排氣門的間隙有明顯偏大，約 3mm，并且排氣門搖臂上的鎖緊螺母未發(fā)現(xiàn)松動，搖臂和氣門組件也無異常。

　　拆下第五缸搖臂總成，取出排氣門推桿進行檢查，也未發(fā)現(xiàn)彎曲變形或損壞。

　　由此可確定，五缸驅動排氣門的凸輪-挺柱摩擦副應該出現(xiàn)了嚴重的磨損。

　　d. 拆卸氣門傳動組件。

　　凸輪和挺柱的檢查相對較復雜，將挺柱和凸輪軸全部取出，需要進行一定程度的拆卸才能進行，這通常是在柴油機運行時間達到大修級別時才進行的項目。

　　如果嚴格按照大修的步驟[2]進行，不僅需要將柴油機和發(fā)電機分離，還需要將柴油機上翻轉臺架，這樣操作費時費力，也容易由于不必要的拆裝造成故障范圍擴大化。

　　據(jù)此，我們制定了更簡潔便利的拆裝方案，既不翻轉機器，也不與發(fā)電機分離，具體分五步進行：

　　第一步，放掉水箱中的冷卻液，將水箱拆下;

　　第二步，拆下散熱風扇、傳動皮帶和齒輪室蓋;

　　第三步，將所有缸搖臂上氣門間隙調節(jié)螺釘擰至最高位置，將所有挺柱都提到最高位，用扎帶固定防止下滑;

　　第四步，拆下燃油輸油泵，從自由端拆下凸輪軸擋塊，將凸輪軸抽出;

　　第五步，放掉油底殼中的潤滑油，拆下油底殼，將所有挺柱取出。

　　e. 檢查挺柱和凸輪[3]。

　　挺柱的檢查主要包括兩個指標：

　　第一，桿身直徑不小于15.94mm;

　　第二，底面穴蝕直徑單個不超過 2mm，所有不超過 6mm，且邊緣不能有穴蝕。

　　經(jīng)檢查測量，所有挺柱桿身直徑均符合要求，在底面磨損方面，五缸排氣門挺柱最嚴重，約 6 mm 厚的底面凸臺部分完全磨掉，只剩桿身部分，見圖3。

　　

　　▲圖 3 檢查挺柱底面穴蝕情況

　　從放出的機油中也發(fā)現(xiàn)了多個大小不一的金屬碎屑;

　　另外，還有第二缸和第四缸的排氣門挺柱底面出現(xiàn)穴蝕不合格，需要更換。

　　凸輪的檢查也有兩方面的指標：

　　第一，凸輪最大直徑：進氣門大于47.04 mm，排氣門大于46.77 mm;

　　第二，表面穴蝕直徑，在凸輪頂端 ±20°范圍內不超過 2 mm，在凸輪頂端 ±20°范圍外不超過6 mm。

　　經(jīng)檢查測量，所有凸輪的指標均正常，尤其是五缸排氣門挺柱接觸的凸輪也未發(fā)現(xiàn)過量磨損或穴蝕超標的情況。

　　f. 機器安裝和調試。

　　更換損壞的挺柱后，機器按照與拆卸相反的順序進行安裝。

　　安裝時注意以下四點：

　　第一，安裝配氣機構時需在各個接觸面涂抹105 潤滑脂;

　　第二，凸輪軸齒輪要嚴格按照標識與曲軸齒輪和供油齒輪進行連接，確保各系統(tǒng)的精準配合;

　　第三，安裝搖臂總成時應對所有氣缸蓋螺栓進行重新擰緊;

　　第四，進行機油和機油濾清器的更換。

　　安裝完成后起動機組并帶載，累計運行 30 h，情況正常。

　　本次柴油機出現(xiàn)進氣道異響的過程可歸納如下：

　　柴油機在運行時，由于第五缸排氣門挺柱發(fā)生磨損致使氣門間隙增大，氣門與搖臂撞擊加劇，搖臂鎖緊螺母松動，并加重了挺柱的磨損，導致排氣門無法打開，在進氣門打開時由進氣道排出，產(chǎn)生異響。

　　發(fā)現(xiàn)故障后，首先進行的是五缸排氣門間隙的調整，在挺柱已經(jīng)發(fā)生磨損的情況下強迫配氣機構繼續(xù)運行，結果致使挺柱的磨損加劇，再次出現(xiàn)異響。

　　四、預防措施

　　a. 日常操作使用。

　　造成挺柱穴蝕甚至嚴重損壞，最直接的原因是潤滑不良所導致的，而表面磨損最嚴重的時刻通常是柴油機在環(huán)境溫度過低時運行，或者長時間怠速或低負荷運行，以及進行頻繁起停操作時。

　　此次故障的發(fā)生恰恰是發(fā)生在冬季，室內溫度多次低至零下;

　　另外，由于設備是用于教學，在使用過程中也經(jīng)常進行頻繁起停并長時間怠速運行，無形中加劇了磨損。

　　b. 改善機組性能。

　　可以給柴油機加裝冷卻水預熱裝置，以應對低溫環(huán)境;

　　潤滑油的牌號也可以由先前的 15W-40 改為 5W-40，增強設備的低溫潤滑性能;

　　另外，可以在進排氣道上加裝壓力表(真空表)，以便實時監(jiān)測進排氣壓力。

　　c. 提升零件強度。

　　挺柱凸輪材料均為冷激鑄鐵，挺柱表面還經(jīng)磷化處理，但挺柱出現(xiàn)了嚴重磨損，由此可知一旦表面磨損出現(xiàn)穴蝕，那么接下來的磨損將急速加劇[4]，需要及時更換零件。

　　可以考慮在設計環(huán)節(jié)通過優(yōu)化凸輪線型的方法來降低接觸表面的早期磨損[5];

　　也可以采取措施來提升挺柱表面強度，比如增加各種涂層的方法[6];

　　還可以考慮調整凸輪和挺柱的材質硬度來改善接觸面摩擦性能[7]。

　　

　　五、總結

　　作為發(fā)電機組原動機使用的柴油機，通常連續(xù)運行時間長且變載運行頻繁，因此要求操作人員具備全面綜合的設備運行狀態(tài)判斷和異常情況處理分析能力。

　　并且定期進行柴油機各系統(tǒng)的檢查維護，發(fā)現(xiàn)異響等故障時要能進行全面仔細的分析，并結合實際情況制訂合理有效的檢修方案，嚴密規(guī)范地完成修理，將故障及時排除。

　　[參考文獻]

　　[1] 聶永濤, 趙慶松, 孫偉. 正確測量和調整氣門間隙保障柴油發(fā)動機正常工作[J].重型汽車, 2016, (3): 46-47.

　　[2] 康明斯 B 系列發(fā)動機大修手冊 [M].襄樊: 東風康明斯發(fā)動機有限公司, 2012.

　　[3] 溫煒堅, 王飛, 汪俊. 汽車發(fā)動機構造與檢修[M].北京:北京郵電大學出版社, 2011.

　　[4] 段倫靜, 覃文潔, 李欣. 柴油機凸輪-挺柱的接觸應力分析及疲勞壽命估算[J].車用發(fā)動機, 2014, (2): 1-6.

　　[5] 王飛, 蔣傳平, 汪志義, 等.柴油機凸輪-挺柱磨損分析與摩擦副匹配試驗研究[J].安徽科技學院學報, 2016, (3):67-74.

　　[6] 劉冠成, 盧繼平, 唐其超, 等. 凸輪-挺柱摩擦副涂層的性能分析[J]. 江漢大學學報(自然科學版), 2015, (6):559-565.

　　[7] 趙會軍, 袁寶良, 李曉娟. 挺柱/凸輪材料配對試驗研究[J].現(xiàn)代車用動力, 2013, (2): 48-51.

　　原創(chuàng)作者系：

　　海軍士官學校

　　王瑞成，張紅濤