CMD-MAN B&W 10S90ME-C9.2大功率智能型船用低速柴油機制造

王冬冬 王 磊 劉 闖 潘家爵 董夢越

（上海中船三井造船柴油機有限公司，上海 201306）

?

CMD-MAN B&W 10S90ME-C9.2大功率智能型船用低速柴油機制造

王冬冬 王 磊 劉 闖 潘家爵 董夢越

（上海中船三井造船柴油機有限公司，上海 201306）

摘 要：10S90ME-C9.2是代表最新船舶發(fā)展趨勢的大型電控智能型柴油機，國內(nèi)首臺機目前由上海中船三井造船柴油機有限公司順利制造完工。在近兩年多的制造過程中，針對10S90ME-C9.2新機型的特點，公司突破了多個關(guān)鍵制造技術(shù)瓶頸，設(shè)計完成了多項制造工藝和工裝工具，形成了多項科研成果和專利技術(shù)。本文重點介紹其中的軸系扭振研究和改善技術(shù)、分段式曲軸安裝技術(shù)、超大型柴油機裝配技術(shù)和主機關(guān)鍵零部件的加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：柴油機 軸系扭振 分段式曲軸 裝配技術(shù) 加工技術(shù)

引言

近年來，為控制航運業(yè)溫室氣體排放、提高船舶能效，國際海事組織制定了一系列嚴(yán)格規(guī)則，在應(yīng)對主機的排放、能效等方面也提出了不少要求。同時，由于當(dāng)前的航運形勢和運價、油料成本等因素，現(xiàn)在集裝箱船的設(shè)計航速由原來的25節(jié)左右降至22節(jié)左右，甚至更低［1］。為此，與之相配的船用低速柴油機也向著長沖程、低轉(zhuǎn)速、低油耗和智能電控的方向發(fā)展。

10S90ME-C9.2是全球最大的船用低速柴油機專利商MAN公司，為了適應(yīng)這一集裝箱船市場的需求而設(shè)計的，其轉(zhuǎn)速與螺旋槳的匹配能進一步提升船舶推進效率。與類似系列的主機相比，其油耗約能省6g/kwh，EEDI指數(shù)初步估算可以降低約6%左右［1］。該機一經(jīng)推出，就憑借其節(jié)能環(huán)保、電控智能等特點獲得了廣大船東的青睞。

我國首臺10S90ME-C9.2已由上海中船三井造船柴油機有限公司成功制造完工。在近兩年的制造過程中，針對10S90ME-C9.2新機型的特點，公司突破了多個關(guān)鍵制造技術(shù)瓶頸，設(shè)計完成了多項制造工藝和工裝工具，形成了多項科研成果和專利技術(shù)。下面重點介紹軸系扭振研究和改善技術(shù)、分段式曲軸安裝技術(shù)、超大型柴油機裝配技術(shù)和主機關(guān)鍵零部件的加工技術(shù)。

1 軸系扭振研究和改善技術(shù)

船舶軸系的扭轉(zhuǎn)振動是影響柴油機安全運行的重要動力性能之一。當(dāng)軸系在較大的交變扭振應(yīng)力作用下長期運轉(zhuǎn)時，軸系部件可能會產(chǎn)生疲勞破壞。因此，控制軸系扭振應(yīng)力，滿足規(guī)范要求是設(shè)計首要考慮的內(nèi)容之一。10S90ME-C9.2作為大型集裝箱船的主機，整個軸系的扭振形式主要表現(xiàn)為二節(jié)扭振，其扭振特性決定了最受影響的部件是柴油機的核心部件——曲軸，因而對10S90ME-C9.2的扭振狀況進行正確評估和改善非常重要。

根據(jù)10S90ME-C9.2質(zhì)量-彈性數(shù)據(jù)和船舶的軸系設(shè)計資料，初步計算得到10S90ME-C9.2的曲軸扭振應(yīng)力。由于二節(jié)10次共振和8次共振，曲軸的扭振應(yīng)力大大超出了許可值，此計算結(jié)果不可接受。

為了降低10S90ME-C9.2的曲軸扭振應(yīng)力，嘗試安裝扭振減振器。經(jīng)過計算分析，配備扭振減振器D310/BF可以大幅減小二節(jié)10次共振和8次共振，如圖1所示。盡管在90r/m附近的曲軸扭振應(yīng)力仍然超過了名義扭振應(yīng)力許可值，但通過進一步的曲軸疲勞強度分析，確認該計算結(jié)果是可以接受的。

圖1 安裝扭振減振器時的10S90ME-C9.2（10U1，F(xiàn)SB 244870）曲軸扭振應(yīng)力

但此結(jié)果仍處于臨界狀態(tài)，并不令人十分滿意。除了常規(guī)的發(fā)火角度10U1外，10S90ME-C9.2還有另外一種發(fā)火角度，稱為10U2，如表1所示。另外，S90ME-C9.2曲軸有兩種曲拐設(shè)計，如表2所示。

表1 10缸柴油機發(fā)火角度［2］

表2 S90ME-C9.2兩種曲拐比較

根據(jù)理論分析，初步估計10U2能夠有效降低扭振，用曲拐FSB 244865替代FSB 244870能夠提高共振頻率，降低扭振應(yīng)力。采用10U2的發(fā)火角度，F(xiàn)SB 244865的曲拐加扭振減振器，重新計算10S90ME-C9.2的扭振，得到如圖2所示的曲軸扭振應(yīng)力。

和圖1所示方案相比，采用圖2所示方案不僅可以使曲軸承受的扭振應(yīng)力得以大幅降低，曲軸更安全，而且降低了曲軸的總重量，約38噸，節(jié)省了成本。

圖2 安裝扭振減振器時的10S90ME-C9.2（10U2，F(xiàn)SB 244865）曲軸扭振應(yīng)力

盡管采用發(fā)火角度10U2的方案不論是從安全上還是經(jīng)濟上都優(yōu)于10U1的方案，然而相比10U1，該發(fā)火角度也有缺陷。對均勻發(fā)火的柴油機而言，柴油機各缸的不平衡慣性力和離心力都是可以相互抵消的，因而不存在不平衡力，只剩下不平衡力矩。力矩的大小主要由發(fā)火順序決定。對非均勻發(fā)火的柴油機（例如10缸機）而言，其發(fā)火角度的選取應(yīng)盡可能地消除不平衡力和減小不平衡力矩。發(fā)火角度10U1能滿足這一條件，而10U2的1次和2次不平衡力過大且不能通過曲軸自由端和推力端的平衡重予以消除，需要采取額外措施。

經(jīng)過計算，在10S90ME-C9.2的第4、5、6、9、10缸的十字頭滑塊上分別安裝860kg、860kg、522kg、860kg、860kg的平衡重，可大幅減小采用發(fā)火角度10U2帶來的不平衡力，如表3所示（表中所有數(shù)據(jù)均為安裝曲軸自由端和推力端平衡重能達到的最理想結(jié)果）。

表3 10S90ME-C9.2兩種發(fā)火角度的平衡性比較

最終確定的方案是，發(fā)火順序10U2，曲拐FSB 244865，扭振減振器D310/6以及十字頭上加平衡重。此方案能最有效率地降低曲軸扭振應(yīng)力，最好地保護主機軸系。

2 分段式曲軸安裝技術(shù)

曲軸對于一臺主機的意義就好比一個人的心臟，在主機運行中扮演著動力輸出者的重要角色。10S90ME-C9.2采用前、后分段式拼接結(jié)構(gòu)，中間用螺栓連接，不同于以往所有機型整體式的設(shè)計。

曲軸分段處的連接是過盈設(shè)計。兩分段曲軸以及鏈輪連接孔必須通過同鉸來保證精度，裝船時緊配螺栓需冷套安裝?？紤]到10S90ME-C9.2臺位試車結(jié)束后，曲軸要拆分成兩段分別發(fā)運。若臺位試車時直接采用裝船的緊配螺栓，拆除時會有很大風(fēng)險損壞到曲軸連接孔和螺栓本體。因此，需設(shè)計出有效的裝配手段，既保證順利連接后的精度要求和扭矩傳遞，又滿足試車后拆卸方便的要求。

針對上述情況，研討了臺位試車時三種曲軸分段連接技術(shù)：1∶500錐度螺栓/錐度螺栓孔，HOF液壓螺栓和小過盈量的緊配螺栓。其中，使用HOF液壓螺栓無需“冷套”安裝，可利用導(dǎo)向工具直接裝妥到位，并借助液壓拉伸，使錐形套膨脹，保證膨脹螺栓與連接孔的表面過盈配合度，實現(xiàn)了扭矩的傳遞。拆卸時，通過油壓使錐形套收縮，螺栓可以方便取出，避免對連接孔造成傷害，滿足了可拆卸的要求。雖然此方法會大幅提高制造成本，但也會大大降低拆裝時損壞螺栓孔的風(fēng)險，減輕安裝難度。從盡可能提高產(chǎn)品質(zhì)量的角度，最終選擇在臺位試車時采用HOF液壓螺栓。

根據(jù)10S90ME-C9.2主機曲軸連接孔的特性、扭矩傳遞所需的最小過盈量等技術(shù)參數(shù)，首先確定了液壓螺栓的規(guī)格。接著，根據(jù)液壓螺栓的技術(shù)要求以及現(xiàn)場操作情況，設(shè)計出相應(yīng)的工裝，制定相關(guān)的安裝和拆卸工藝。

安裝時，先將前段曲軸根據(jù)軸向減振器的油槽來定位落座，并使用工具使1#曲拐保持在上止點位置附近。隨后，將后端曲軸吊入落座，并通過盤車使前、后段曲軸曲拐角度滿足發(fā)火要求，分段連接孔孔號相互對應(yīng)（粗調(diào)對中）。之后，在三處連接孔分別裝入導(dǎo)向工具，使得連接孔孔位完全對中。

如圖3所示，將液壓螺栓連同中間錐套依次裝入孔中，在中間錐套沿拉緊方向上放入止動板，并裝妥液壓拉伸器。根據(jù)錐套與孔的間隙計算出拉緊壓力值，接通高壓油泵與液壓拉伸器的油路，拉伸緊配螺栓。待軸向壓力達到計算值后，拉伸即結(jié)束。此時，液壓螺栓已同連接孔過盈配合連接。

圖3 液壓螺栓安裝［3］

拆卸時，如圖4所示，先將拆卸端的螺母泵松動并旋出保證一定的拆卸距離，在拉伸螺栓的中部螺孔擰上打壓接頭并接入高壓油路，往螺栓上打壓接頭中泵入高壓油，待油壓上升至一定值后，拉伸螺栓連同中間錐套即可自動松脫。

圖4 液壓螺栓拆卸［3］

3 超大型柴油機裝配技術(shù)

10S90ME-C9.2主機作為目前國內(nèi)最大主機，缸數(shù)多，外形尺寸大，重量重，對裝配工作是一個挑戰(zhàn)。

首先，整機采用模塊化安裝工藝形式，在預(yù)裝階段保證相應(yīng)的大件上所有部件的完整性，減少合攏后的工作量，既簡化操作流程，又便于及時發(fā)現(xiàn)問題，大大提高了工作效率。

當(dāng)采用模塊化安裝后，分段大件合攏時管路的對接采用中間合攏管的形式。一旦出現(xiàn)管系對中超差時，僅需單配合攏管即可保證管路的順利連接，實現(xiàn)了降本增效，又解決了多缸分段主機的管路連接問題。

由于10S90ME-C9.2主機合攏、拆分將會產(chǎn)生前、后段機座、機架整體以及前、后段缸體共5大件，因此為應(yīng)對不同起吊狀態(tài)下的工況，針對起吊工具、駁運工裝進行多條件參數(shù)設(shè)計，使得每套大件能夠滿足多種部件安裝狀態(tài)下的起吊要求。新設(shè)計“連桿總成轉(zhuǎn)運架”設(shè)備，如圖5所示，使得這套運動部件可一次性整體獨立轉(zhuǎn)運，可將10套主機連桿總成分兩批直接快速轉(zhuǎn)運。既有效降低了作業(yè)量，更方便合攏階段的垂直起吊。

活塞總成組件作為又一個重要的運動部件，在部裝結(jié)束后，需在大件合攏前吊入缸體內(nèi)。但考慮到此時活塞無法固定于十字頭組件上，為防止其下落而設(shè)計了“分段式活塞固定工具”，如圖6所示，將活塞桿按一定距離固定于氣缸體下平面。合攏時，待活塞桿與十字頭接觸，活塞桿受力提升，固定裝置自動分成兩段，極易拆卸。分段活絡(luò)式固定裝置在應(yīng)用當(dāng)中具有安裝和拆卸簡單、無需調(diào)節(jié)的特點，可降低機內(nèi)作業(yè)強度，縮短作業(yè)周期，有效提高勞動生產(chǎn)率。

圖5 連桿總成轉(zhuǎn)運架

圖6 分段式活塞固定工具

10S90ME-C9.2區(qū)別于以前主機的另一大特點就是曲軸鏈輪處于主機中部，且有兩個中間鏈輪，如圖7所示。此處空間狹小，為保證將鏈條安全便捷地按圖示穿入機內(nèi)，設(shè)計了“安裝輔助導(dǎo)軌”。件1、2、3、4依次由操縱側(cè)大門蓋裝入機架并連接；從第85節(jié)處起吊鏈條，依次緩慢地從機架齒輪箱頂蓋口送入，長邊靠操縱側(cè)；最后將下部的鏈條裝于轉(zhuǎn)運架內(nèi)，將轉(zhuǎn)運架固定在機架底部［4］。

4 主機關(guān)鍵零部件的加工技術(shù)

10S90ME-C9.2的機座、機架、連桿和活塞桿等主機關(guān)鍵零部件，相比于以前的機器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重以及部分區(qū)域精度要求高，加工制造難度大幅上升。

圖7 鏈條安裝

4.1 機座主軸承座與主軸承蓋的加工

10S90MEC機座主軸承座與主軸承蓋連接采用一種向下楔進、向心彈性收緊、中分面（HALF面）及側(cè)定位面外翻30°的設(shè)計。連接面配合精度要求高，加工難度大。針對此，設(shè)計出專用的斜面加工工裝。

工裝分為一雌一雄兩塊，分別用于主軸承座主與主軸承蓋的加工。主軸承座工裝利用軸向減震器的定位銷孔做定位來加工斜面；主軸承蓋工裝利用主軸承蓋內(nèi)孔定位來加工斜面。主軸承蓋與主軸承座工裝事先經(jīng)過配對加工，使得兩塊工裝配對時的斜面間隙滿足圖紙要求的

（X+Y）/2=0.21～0.36mm要求，從而使得按此工裝加工的主軸承座與主軸承蓋也滿足此圖紙要求。由于工裝使用簡便，安裝后只需對刀加工即可，使得加工效率提升50%（見圖8），且加工質(zhì)量得到保證，免去了主軸承蓋安裝時間隙不合格而造成的返修損失。

圖8 使用模板加工主軸承座

4.2 機座主軸承座（HALF面上）連接螺孔加工

由于孔與主軸承座側(cè)邊開檔面相隔很近，之前的工藝采用主軸加上接長桿后使用麻花鉆等低速刀具鉆孔。由于接長桿剛性很差，且以其振動，使得加工時效率更低，孔的粗糙度也不理想（見圖9）。為了克服HALF面孔加工的難題，設(shè)計半方形加長特殊附件，如圖10所示。這種專用附件的結(jié)構(gòu)特性很好的解決了此處的加工問題，給加工提供了足夠的剛性，使得加工效率提高40%，加工質(zhì)量也得到很大改善。

圖9 HALF面孔加工對比圖一

圖10 HALF面孔加工對比圖二

4.3 機架加工技術(shù)

10S90ME-C9.2機架不同于以往的常規(guī)機型，它分為兩段。其結(jié)構(gòu)形式為前段連接面處帶有橫幅板，以加強結(jié)構(gòu)；后段連接面處中間無橫幅板連接，且連接面下部開口，結(jié)構(gòu)鋼性差，給加工后拼接造成極大麻煩。以前傳統(tǒng)的加工方法為：在大型臥式鏜床上加工，兩段分開各自加工，首先連接面粗精加工，然后連接銷孔鉆鉸，最后連接。原方法加工及連接后、前后段連接面、上平面、底平面及側(cè)邊均有錯位現(xiàn)象存在。為克服以上弊端，設(shè)計如下工藝，并取得了預(yù)期效果。

4.3.1 連接面加工

機架倒放，連接面面向龍門，底平面、側(cè)面（工藝定位面）及連接面在同一工位上完成，保證幾何精度以及以后連接成整體后的平直度。要求粗精分開，中間經(jīng)應(yīng)力釋放，見圖11和圖12。

圖11 后段倒置 　

圖12 前段倒置

4.3.2 連接面普通孔加工

普通連接孔鉆孔及背刮由鏜床完成，見圖13和圖14。

圖13 后段連接孔加工

圖14 前段連接孔加工

4.3.3 連接面定位銷孔加工

前后段連接面相向上龍銑，采用側(cè)面定位塊定位，另一側(cè)下部后端連接處支頂（消除變形），保證與前端兩側(cè)面平直。90°附件前后水平轉(zhuǎn)180°，分別加工定位銷孔。通過同一部機床幾乎同一位置的加工，保證定位銷孔的位置精度，從而保證整體連接的質(zhì)量（見圖15）。

圖15 機架連接面銷孔加工

通過上述方法克服了原加工方法和裝備的缺陷，提供了加工分段式機架的加工合理方法，避免了因鋼板單薄、結(jié)構(gòu)鋼性差帶來的加工變形錯位，從而達到簡化工藝、提高工效、降低成本以及保證質(zhì)量的目的。

4.4 連桿的加工

10S90ME-C9.2的連桿，大小端油槽相對復(fù)雜。主要有以下難點：油槽位于連桿厚度中心線上，刀柄必須接長，刀柄接長后剛性變差；過渡圓弧半徑太小，加工小圓弧段時，刀盤吃刀量太大，震動劇烈；刀盤厚度相對于半徑太薄，剛性差；切削余量不均勻。

基于此情況，設(shè)計出多套加工方案，提前利用相近刀具進行多次刀具模擬試切，選取最優(yōu)刀具與接桿組合方案。根據(jù)以前的加工經(jīng)驗，三面刃銑刀刀具直徑越大、與要加工部位圓弧直徑越接近、刀具厚度越薄、刀具接桿越長，加工時所產(chǎn)生的振動越劇烈。根據(jù)這些，同時參照最優(yōu)組合方案，完成專用三面刃銑刀及接桿的設(shè)計（如圖16所示）。接長桿直徑220mm，刀盤直徑410mm。為解決加工時不均勻的切削余量，專門設(shè)計了走刀軌跡如圖17所示：粗銑分三段，先走大圓弧，去除一部分余量，然后中間部分通過多次切削去除中間部分余量；最后按照圓弧精加工軌跡，進行仿形銑削加工；加工時，采用宏程序編制程序軌跡，操作者可以隨時調(diào)整每刀切深，使加工效率達到最高，加工振動最小。

圖16 連桿的大小端油槽工裝及刀具

圖17 連桿大小端油槽加工軌跡［5］

4.5 活塞桿加工

10S90ME-C9.2的桿身接近5m。設(shè)計要求粗糙度達到Ra0.4、圓度誤差小于0.01。這種超長軸類零件剛性差、彎曲變形大，在磨削時容易引起振動。它使活塞桿桿身表面粗糙度增大、形位誤差升高，導(dǎo)致活塞桿填料函密封性變差，影響柴油機的整體性能。

從機床、砂輪、工件、冷卻液、操作方法這5個方面進行綜合考慮，設(shè)計出兩頂針+雙托架的方式進行裝夾，將磨削工序安排在軋輥磨床上。雙托架固定能提高工件的剛性，防止磨削時桿身彎曲變形；軋輥磨床使機床工藝系統(tǒng)具有足夠的剛度，盡量減少外界的干擾。磨削時，分粗磨、半精磨、精磨三個階段，逐級提高加工精度。粗磨時，將砂輪始終保持鋒利狀態(tài)，防止砂輪堵塞后誘發(fā)自激振顫。由于精磨時磨削壓力成倍增長，影響整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定，精磨只進行一次，采用最小的磨削深度和低進給，活塞桿桿身的粗糙度由拋光來保證。經(jīng)過大量的試磨驗證，通過實踐逐步找到了產(chǎn)生振動的原因，取得合理、可靠的磨削參數(shù)，使磨削效率達到最高，表面質(zhì)量大幅提升。

5 結(jié)語

通過10S90ME-C9.2首臺機的成功制造，積累了大量技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗，為后續(xù)各種新型大缸徑船用低速柴油機的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

［1］MAN Diesel turbo.Propulsion of 8，000-10，000 teu Container Vessel［C］.2011.

［2］MAN Diesel turbo.Vibration Data/Fire Sequence［C］.MAN Diesel，2012.

［3］上海恩派克.10S90ME-C9.2曲軸連接液壓緊配螺栓使用說明書［C］.2012.

［4］上海中船三井造船柴油機有限公司.10S90ME-C9.2組裝工藝［S］.2012.

［5］上海中船三井造船柴油機有限公司.10S90ME-C9.2加工工藝［S］.2012.

Manufacture of B&W 10S90ME-C9.2 CMDMAN High Power Intelligent Marine Low Speed Diesel Engine

WANG Dongdong，WANG Lei，LIU Chuang，PAN Jiajue，DONG Mengyue
（Shanghai ship Mitsui shipbuilding Diesel Engine Co，Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 201306）

Abstract:10S90ME-C9.2 is the representative of the latest trends in the development of the ship's large electronically controlled intelligent diesel engine， the domestic first machine at present by my company successfully completed. In nearly two years of manufacturing process， according to the characteristics 10S90ME-C9.2 new models and breakthrough the key bottleneck in manufacturing technology，designed and completed a number of manufacturing processes and tools，forming a number of achievements in scientific research and technology patents. This paper focuses on the research and improvement of the shaft torsional vibration， the section type crankshaft installation technology， the assembly technology of the super large diesel engine and the processing technology of the key parts of the main engine.

Key words:diesel engine， shaft torsional vibration，segmented crankshaft， assembly technology， processing technology