船用大型低速柴油機(jī)液壓缸單元國(guó)產(chǎn)化工藝研究

梁 翱

（佛山市南海中南機(jī)械有限公司，廣東佛山 528247）

0 引言

當(dāng)前環(huán)境保護(hù)和排放控制法規(guī)日益嚴(yán)格，國(guó)際海事組織（IMO）的海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）制訂的排放控制法規(guī)IMO Tier II和IMO Tier III，于2011年和2016年強(qiáng)制生效[1]。為滿足排放要求和進(jìn)一步提高船用大功率低速柴油機(jī)的性能，傳統(tǒng)的機(jī)械控制裝置難以勝任，新型的智能電控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。MAN公司的ME系列機(jī)型大功率低速柴油機(jī)就是其中的典型代表。

ME系列機(jī)型大功率低速柴油機(jī)是在傳統(tǒng)機(jī)械式MC系列機(jī)型上發(fā)展起來的，功能包括先進(jìn)的電子控制液壓-機(jī)械系統(tǒng)控制燃油噴射[2]，排氣閥的打開及關(guān)閉，以及起動(dòng)空氣和氣缸注油裝置的正時(shí)等。這套系統(tǒng)可以使柴油機(jī)在各個(gè)不同的功率輸出工況下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)，保證排放和性能的最優(yōu)狀態(tài)。

ME系列機(jī)型大功率低速柴油機(jī)相對(duì)于原MC系列機(jī)型，主要增加的功能部件包括液壓供油單元（HPS）、液壓氣缸單元（HCU）、柴油機(jī)控制系統(tǒng)（ECS），以及其他輔助機(jī)構(gòu)[3]。

其中新增的液壓氣缸單元在加工、裝配方面要求非常嚴(yán)格，其穩(wěn)定和可靠性直接影響整機(jī)的工作性能和穩(wěn)定性。原來國(guó)內(nèi)專利主機(jī)廠普遍直接進(jìn)口整套液壓氣缸單元，價(jià)格昂貴[3]，而且交期難以滿足要求。液壓氣缸單元主要從韓國(guó)、日本的廠家進(jìn)口，而這些廠商又是國(guó)內(nèi)主機(jī)廠的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。韓、日廠商通常優(yōu)先保證自身的需求，然后才考慮出口。為了打破長(zhǎng)期依賴進(jìn)口受制于人的局面，實(shí)現(xiàn)液壓氣缸單元的國(guó)產(chǎn)化非常必要。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于液壓氣缸單元大多側(cè)重理論分析和計(jì)算模擬[3-8]。本文通過對(duì)液壓氣缸單元圖紙及技術(shù)規(guī)范的技術(shù)消化吸收，加工工藝路線、方案的編制，加工、裝配過程的技術(shù)、質(zhì)量問題分析、處理。了解和掌握了液壓氣缸單元加工、制造和裝配過程的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制點(diǎn)。整理和提出的技術(shù)要點(diǎn)可供液壓氣缸單元及類似低速柴油機(jī)液壓控制系統(tǒng)加工、制造參考。

1 液壓氣缸單元

液壓氣缸單元的功能模塊原理圖如圖1所示，主要包含分配塊、燃油泵和排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓供油單元（HPS）通過雙層高壓管道提供高壓（約30 MPa）液壓油到液壓氣缸單元，雙層高壓管安裝有泄漏檢測(cè)裝配，作為緊急運(yùn)行用途，當(dāng)內(nèi)管泄漏時(shí)仍可以通過外管提供足夠的工作壓力。液壓氣缸單元的典型（60ME-C）整體外形如圖2所示。

分配塊負(fù)責(zé)將柴油機(jī)控制單元（CCU）發(fā)過來的電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓油的液壓動(dòng)力信號(hào)。經(jīng)過ELFI閥實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制噴油動(dòng)作。經(jīng)過ELVA/PEVA閥控制排氣閥的精準(zhǔn)開啟。

圖1 液壓氣缸單元原理圖

圖2 液壓氣缸單元軸側(cè)圖

圖3 分配塊軸側(cè)圖

燃油泵通過增壓活塞將低壓燃油增壓至60～100 MPa高壓，經(jīng)過噴油器霧化噴入氣缸燃燒。排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過二級(jí)活塞結(jié)構(gòu)推動(dòng)閥桿控制排氣閥的開啟，而空氣彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)排氣閥的關(guān)閉。

2 液壓氣缸單元關(guān)鍵零部件的加工

2.1 分配塊

分配塊為六面體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，內(nèi)部各種孔縱橫交錯(cuò)，上表面安裝燃油泵和排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，前側(cè)面安裝電磁控制閥和蓄能器，左、右兩側(cè)安裝高壓液壓油管。

2.1.1 原材料質(zhì)量控制

分配塊的材料目前有45#鋼鍛件和球墨鑄鐵鑄件兩種。分配塊在粗加工后應(yīng)進(jìn)行超聲波無損探傷，確認(rèn)內(nèi)部無鍛造、鑄造缺陷。精加工后所有零件的表面都應(yīng)該仔細(xì)目測(cè)所有外表面，內(nèi)孔、內(nèi)孔倒角、內(nèi)孔交叉部位，必要時(shí)使用放大鏡或工業(yè)內(nèi)窺鏡輔助檢查。質(zhì)量要求如下：

（1）表面必須要光滑平整，過渡部分圓滑無毛刺；

（2）每一個(gè)表面最多只允許有一個(gè)可打磨去除的缺陷，而且打磨去除深度不能超過1 mm；

（3）每個(gè)經(jīng)過打磨的缺陷需要經(jīng)過磁粉或著色滲透檢查確認(rèn)再無缺陷；

（4）超聲波在45#鋼鍛件和球墨鑄鐵鑄件中的傳播速度為5 490～5 600 m/s，如果在分配塊原材料中的速度低于5 400 m/s，此材料應(yīng)被拒絕使用。

2.1.2 加工難點(diǎn)分析

（1）分配塊液壓油孔縱橫貫穿，反復(fù)承受高壓沖擊，要求加工質(zhì)量高，表面不允許毛刺和缺陷；

（2）液壓油孔多為深孔、小孔，最深長(zhǎng)徑比達(dá)30倍；

（3）液壓高壓管道、控制閥塊的安裝面低于大平面，要求粗糙度RMS 0.8，平面度0.03，難以采用平面磨加工。

2.1.3 加工難點(diǎn)解決方案

（1）直徑小于等于25 mm的淺孔，采用合金涂層內(nèi)冷麻花鉆頭加工；大于25 mm的淺孔采用安裝合金涂層刀片的可轉(zhuǎn)位U鉆加工。

（2）直徑小于等于25 mm的深孔，采用鉆、鉸深約2倍的引導(dǎo)孔，再用高壓內(nèi)冷的槍鉆鉆頭加工余下深度；大于25 mm的深孔，同樣加工引導(dǎo)孔，刀具則采用專用帶引導(dǎo)支撐塊自平行、自引導(dǎo)的內(nèi)冷外排深孔鉆頭加工。

（3）所有孔切削參數(shù)均采用高轉(zhuǎn)速，低進(jìn)給方式，最大限度減少相交孔處的毛刺和翻邊。

（4）凹陷精密安裝平面經(jīng)過多次試驗(yàn)和檢測(cè)，工藝路線方案為，先粗加工平面，后加工孔，最后在精密加工中心上采用進(jìn)口品牌的帶修光刃的精密臺(tái)肩銑刀加工，最終檢測(cè)表明粗糙度和平面度均優(yōu)于圖紙要求。

（5）對(duì)于深孔相交孔處的毛刺和翻邊，常規(guī)的打磨工具無法伸入打磨，參考國(guó)外的工藝方案，引入軟球頭珩磨刷技術(shù)。用180#的軟球頭珩磨刷安裝在手持旋轉(zhuǎn)工具上在相交孔部位來回珩磨，快速去除毛刺、翻邊，再用320#細(xì)軟球頭珩磨刷精珩。

2.2 燃油泵

燃油泵外形如圖4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要有殼體、柱塞套（頂蓋）、增壓柱塞、燃油柱塞這幾個(gè)零件。燃油泵的柱塞套（頂蓋）在燃油噴射階段承受100 MPa的壓力，除了要嚴(yán)格控制原材料和熱處理外，還要進(jìn)行壓力測(cè)試，典型的壓力試驗(yàn)工裝如圖6所示，試驗(yàn)用的高壓油通過底部的接頭進(jìn)入柱塞套（頂蓋）的內(nèi)孔，通過壓力測(cè)試確保沒有內(nèi)部隱藏的缺陷存在。燃油泵的柱塞套（頂蓋）和柱塞是精密偶件，配合間隙0.025～0.035 mm，因要符合排放法規(guī)的要求，設(shè)計(jì)圖紙不能夠更改。主要加工難點(diǎn)如下：

（1）柱塞套內(nèi)孔H7配合公差，內(nèi)孔表面滲氮處理，粗糙度RMS 0.05，圓柱度0.01，與安裝端面跳動(dòng)0.01；

圖4 燃油泵軸側(cè)圖（安裝在分配塊上）

圖5 燃油泵剖視圖

（2）柱塞表面滲氮處理，外圓粗糙度RMS 0.1，圓柱度0.004，與端面垂直度0.005。

燃油泵加工難點(diǎn)解決方案：

（1）柱塞套粗加工、高溫去應(yīng)力，內(nèi)孔半精磨后，離子滲氮處理，一次裝夾精磨內(nèi)孔和安裝端面，精密研磨內(nèi)孔；

（2）使用精密氣動(dòng)量?jī)x檢測(cè)內(nèi)孔尺寸并記錄用來配磨柱塞；

（3）柱塞滲氮后在高精度外圓磨上磨外圓和端面，外圓留余量，經(jīng)低溫去應(yīng)力和人工時(shí)效處理后備用；

（4）根據(jù)每個(gè)柱塞套內(nèi)孔測(cè)精密測(cè)量數(shù)據(jù)在瑞士斯圖特（STUDER）S30超精密外圓磨床上磨削外圓。

圖6 柱塞套壓力試驗(yàn)圖

2.3 排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)

排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖7所示，主要包含氣缸殼體，上蓋，下蓋，一級(jí)活塞，二級(jí)活塞套。氣缸殼體采用球墨鑄鐵鑄造，關(guān)鍵是要控制好鑄件的質(zhì)量。所有非加工面和加工面都要目測(cè)檢驗(yàn)，非加工面的所有可視缺陷不需要可打磨去除，打磨的表面要圓滑過渡，而且要經(jīng)過滲透著色檢測(cè)。所有加工面部允許有可視的缺陷。加工后要按規(guī)范進(jìn)行壓力和泄漏檢測(cè)，確保內(nèi)部無缺陷。

圖7 排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)剖視圖

2.4 液壓氣缸單元（HCU）裝配前后的清洗和去毛刺

液壓氣缸單元（HCU）所包含的分配塊及其相連的液壓部件含有非常小的工作間隙，整個(gè)液壓系統(tǒng)對(duì)于臟物和細(xì)小的碎屑非常敏感。所有零部件在裝配前必須去毛刺和清洗，所有內(nèi)孔必須要用內(nèi)窺鏡仔細(xì)檢查，防止異物進(jìn)入液壓系統(tǒng)。

（1）用軟球頭珩磨刷來去除內(nèi)孔的毛刺；使用有機(jī)溶劑和超聲波清洗機(jī)中清洗內(nèi)外表面，目測(cè)表面應(yīng)無油脂和臟物；清洗后用壓縮空氣反復(fù)干吹各孔內(nèi)部。

（2）使用煤油或類似脫脂清洗液沖洗所有內(nèi)孔，沖洗后用壓縮空氣吹干。

（3）目測(cè)所有孔的表面清潔度，用內(nèi)孔檢測(cè)儀或內(nèi)窺鏡檢查所有深孔的內(nèi)表面確保無臟物和毛刺。

（4）清洗后檢查確認(rèn)所有孔干凈和無臟物、毛刺后，在孔內(nèi)部填充氣相防銹劑或刷涂防銹劑，之后立即用塑料堵頭或膠帶封閉所有開放孔口，防止臟物進(jìn)入。

3 結(jié)束語

液壓氣缸單元是ME機(jī)型的新增核心部件，通過關(guān)鍵零部件的試制，交客戶檢測(cè)、測(cè)試，并裝機(jī)使用。國(guó)產(chǎn)化的液壓氣缸單元長(zhǎng)時(shí)間在船舶主機(jī)實(shí)際工作環(huán)境中裝機(jī)運(yùn)行，性能穩(wěn)定、可靠、壽命符合設(shè)計(jì)要求。

在船用柴油機(jī)國(guó)產(chǎn)化過程中除了引進(jìn)圖紙和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，也應(yīng)盡可能引入國(guó)外加工工藝。關(guān)鍵零部件在國(guó)產(chǎn)化過程中應(yīng)重視工藝過程控制，關(guān)鍵控制點(diǎn)和特殊過程要提前策劃，編寫過程控制方案、技術(shù)要求落實(shí)到人員，加工操作前要清楚工藝要求，如何控制，會(huì)出現(xiàn)什么問題，出現(xiàn)問題如何解決。要重視國(guó)外加工工藝和技術(shù)的充分消化、吸收，要結(jié)合國(guó)內(nèi)人員水平、工藝裝備、原材料質(zhì)量等實(shí)際情況改進(jìn)。