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瓦锡兰4L20柴油机平衡轴的作用与日常检查保养

柴油机在运转过程中无法避免的会产生振动,这种振动会增加柴油机的机械负荷,降低各部件的使用寿命,严重时会导致柴油机无法正常运行。为了消除振动,可以通过增加缸数,比如六缸机、八缸机;可以改变排列状态,比如V 型机;还可以采用轻质活塞来减少运动件的质量等来使柴油机运转过程中更加稳定。瓦锡兰四缸机系列,因其特殊性,增加安装了平衡轴机构来平衡惯性力,稳定柴油机。

中高速直列四缸四冲程柴油机的工作循环中,活塞的运动速度非常快,而且速度很不均匀。在上下止点位置,活塞的速度为零,而在上下点中间的位置速度达到最高。由于活塞在气缸内做反复的高速直线运动,必然会在活塞、活塞销、连杆和曲轴上产生很大的惯性力。在曲柄臂上增加配重可以有效地平衡一部分惯性力,但是活塞连杆在运动中只有一部分质量参与直线运动,另一部分则参与旋转。除了上下止点位置外,各种惯性力若不能被完全平衡,则会使发动机产生振动。

理想的直列四缸四冲程发动机主要存在二阶往复惯性力不平衡,为了抵消二阶往复惯性力,进一步提升发动机的运转平稳性,瓦锡兰4L20 系列发动机底部设计有两根旋转方向相反,转速为曲轴两倍的平衡轴。

一、首先简单说明下什么是二阶往复惯性力,为什么就它不平衡。

假设活塞在运动过程中连杆不摆动,则活塞与曲柄的关系如下图:

直接从图中大家也可以直观的看到,由于活塞、连杆一直拉着曲轴,他们这一上一下加减速度,曲轴都要受到很大冲击力,曲轴再把这种力传递给发动机机体,于是就导致了发动机的抖动,即造成了发动机的往复惯性力。这种连杆不摆动的情况下,活塞、连杆的往复运动造成发动机的往复惯性力就是一阶往复惯性力。(车震就是这么产生了)

但是连杆不可能不摆动的,于是乎实际运动如下图:

实际活塞行程与连杆长度、曲轴半径之间的公式是这样子的:

Sk+lcosβ+rcosα=l+r

可以得出活塞加速度

可以简单的理解为:公式后面带“2 ”的部分就是代表着二阶往复惯性力。原因嘛,主要就是连杆的摆动,造成了发动机的二阶振动。(如果说一阶往复惯性力导致了车震,那么二阶往复惯性力就导致了不同姿势的车震)。

再上个图:

这张图告诉我们,四缸机它们的一阶往复惯性力两两相反,自己就抵消了;但是,二阶往复惯性力不仅没能抵消,反而是叠加的,越加越大——抖!而且二阶往复惯性力在曲轴转动一圈的过程中,产生两次大小和方向相同的力(矩)。

二、 平衡轴及其作用

平衡轴就是用来抵消发动机二阶往复惯性力的。平衡轴安装在曲轴下部,由两个平衡重组成(两个平衡重的作用是为了抵消平衡轴本身产生的离心力),转速是曲轴的两倍(因为在曲轴转动一圈过程中会产生两次相同的二阶往复惯性力),由曲轴通过齿轮带动驱动轴,驱动轴再带动两个平衡重快速旋转,平衡重在旋转的过程中所产生的合力刚好和活塞连杆机构旋转所产生的二阶往复惯性力方向相反、大小相同,因此相互抵消,使发动机的运转更加平稳可靠。

三、引起平衡轴故障的主要原因

1 、平衡机构是发动机的一个组成部分。平衡轴的良好运行还要以整机良好工况来保证。列如,各缸负荷不均匀,底座减震的有效等,都会影响平衡轴的运行质量。所以,在做好平衡机构维护的同时要做好整机的维护。

2 、平衡轴相对曲轴转角发生偏移。平衡轴的摩擦环组螺栓松动、传动机构齿轮间隙增大等,导致传动轴和平衡重之间发生偏移,也就是和曲轴转角相对位置发生变化,使平衡轴的减振效果下降,柴油机抖动增强,发生偏磨。或者平衡轴旋转部分发生轴向窜动,使进油口进油量不足,严重时导致平衡轴轴承衬套烧蚀、轴承座开裂等严重后果。

3 、滑油质量下降导致润滑不良。由于船用柴油机日常使用的大都是IFO 或者HFO ,劣质油的燃烧残留物不可避免的进入机油系统,使机油污染、杂质增多,再加上发动机的机油系统采用的是湿式油底壳,给机油的维护带来一定的困难。而系统机油质量好坏又直接影响发动机平衡轴机构的冷却和润滑。所以,处理好机油对与平衡轴机构关系重大。

四、针对平衡轴需要做的日常检查和保养

1、 保持各缸工况良好。不但要关注排温,还要经常性测量各缸爆压保证各缸输出功相同,以减少柴油机其它振动源对平衡轴的影响。

2 、平衡轴机械部分的检查。

发动机运转每间隔1000 小时(即换机油时)检查平衡轴与曲轴转角相对位置是否正确。若不正确,要通过拧松摩擦环组的螺丝来调整(一缸在上止点零度时,平衡轴自然下垂,刚好可以用专用工具固定住)。要特别注意螺丝的收紧力按说明书要求收紧20-22NM ,除此之外还要检查轴承间隙及供油量。平衡轴轴承间隙不同的说明书上的数值稍有不同,建议以自己船上的英文版说明书为准。且平衡轴轴承间隙的测量,日常检查时只能测量非推力轴承处,推力轴承因为有卷边,无法直接用塞尺测量。配上几张现场操作图:轴承间隙的测量、摩擦环组锁紧螺丝的检查与紧固、专用工具的安装。

3 、保证良好的润滑。

包括稳定的滑油压力、良好的油质、轴承处有充足的润滑油量等

首先是自冲洗滤器要确保安装到位,滤棒状况良好,每次清洗滤器时不能匆匆了事,可以用柴油(或专用清洗剂)浸泡一夜,第二天再进行清洁和吹洗,清洁干净后用手电筒检查滤棒内的滤网是否有破损,如有破损,必须更换。各处密封圈每次都要检查其弹性是否满足密封要求,如果有些发硬,需要立刻更换。配三张滤器检查照片。

更换滑油时,曲轴箱尽可能清洁干净。清洁完曲轴箱后补油,先补充 150L,启动预润滑油泵,检查平衡轴轴承处出油量,此处冒油时间应比活塞销处往下滴油时间稍早,如果滞后于活塞销处冒油时间,并且出油量少,则可能是相关油道变小导致轴承处润滑油量变少。需要特别注意。如图所示。

定时段检查滑油油质,防止滑油中进入燃油、水等。如图所示,100 小时和200 小时运行的副机,机油油质较好,外圈明亮,600 小时的副机机油,外圈发黄,是油质氧化变质的现象。200 小时的油斑,扩散区颜色较浅,外圈明亮。600 小时的油斑外圈明显变黄,扩散区发暗黑,中心区区域较黑。经常自查油质,根据油质变化稍调换油时间,及时调整柴油机的工况,比如更换活塞环、翻缸头、校油头等。

定时清洗离心滤器,发现油泥增厚或者有金属碎屑等要检查原因,并及时更换滑油,检查清洗自冲洗滤器。

柴油机日常运行时,注意观察记录滑油温度与压力的参数,以利于日后参考、对比。发现压力与温度异常,要及时停车检查。对滑油冷却器、温控阀及滑油泵要定期拆检。说明书推荐时间为8000 小时。可以根据具体工况进行适当调整。

二、案例

案例1 、某T 轮,一号副机(瓦锡兰4L20 )在运行中振动较大,船员误认为由于四缸机平衡性差所致,未采取任何措施尚维持运行。一日,发动机振动突然加剧,导致无法继续运转,停机检查发现平衡轴衬套严重烧蚀破裂。油底壳的平衡轴轴承座有裂纹,平衡轴拉毛。

分析原因之一是未有定期对平衡轴进行检查。其二,系统处理不善导致滑油中杂质较多,传动轴中间油孔积存油泥,使去轴承的油量大大减少,致使润滑不良。

案例2 、某M 轮,二号副机(瓦锡兰4L20 )一日当负荷增加至300KW 以上时,发动机发出异常声音,随即整机振动厉害,无法工作,停机检查发现平衡轴轴承严重烧蚀、碎裂,轴承座有裂纹。

分析原因:一,轴承油量少,润滑不足。二,摩擦环组螺栓松动,传动轴发生位移并导致发生偏磨。

三、小结

瓦锡兰4 缸机,优点是占用空间小。缺点是由于安装有平衡轴,后续保养比较麻烦。作为轮机管理人员来说,要在思想上重视它,对其保养检查工作时要细致、认真。无论是换油、洗滤器还是吊缸后,都要先进行充分的预润滑(个人建议最少1 个小时),并进行盘车,然后才能投入运行。更换滑油时,最好停预润滑油泵4 个小时以上再进行清洁,这时系统中滑油基本都回流到了油底壳,再去放油会比较干净彻底。带吊杆的船舶,在用船吊装卸货时,副机冲击负荷会比较大,如果同时还要压排水,此时可以考虑三机并行。冬季要进行热机再吃负荷,防止滑油温度低、粘度大导致的润滑不良。

滤器是清净滑油、守护平衡轴最重要的一道屏障,对其检查和清洁都要认真细致,发现问题及时解决,绝不可以带病上阵,凑合运行。

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