PA6 柴油機(jī)起動(dòng)閥故障分析與優(yōu)化方案

翦華軍，劉 揚(yáng)，姚永平

（1. 海軍 91999 部隊(duì)，山東青島 266011；2. 海軍 92330 部隊(duì)，山東青島 266011）

0 引言

PA6柴油機(jī)的性能指標(biāo)比較先進(jìn)，體現(xiàn)了現(xiàn)代中高速柴油機(jī)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鐵路機(jī)車動(dòng)力、船舶主機(jī)和陸地固定電站柴油機(jī)[1]。由于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特征以及工作環(huán)境因素的影響，易造成柴油機(jī)故障，當(dāng)柴油機(jī)不能正常工作時(shí)對(duì)船舶執(zhí)行任務(wù)有較大影響。因此，分析PA6柴油機(jī)起動(dòng)閥故障產(chǎn)生的原因，并對(duì)起動(dòng)閥進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，平時(shí)重視對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)閥的預(yù)防性檢修保養(yǎng)，對(duì)于進(jìn)一步提升PA6柴油機(jī)的穩(wěn)定性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 故障現(xiàn)象

某船是綜合電力推進(jìn)船，PA6柴油機(jī)在某船上作為發(fā)電機(jī)用，當(dāng)PA6柴油機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，影響全船用電量。PA6柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)B1缸起動(dòng)閥進(jìn)氣管溫度急劇升高，導(dǎo)致整根進(jìn)氣管外部油漆變黑并脫落的現(xiàn)象。在柴油機(jī)吹車或柴油機(jī)正常工作也有類似現(xiàn)象發(fā)生，使柴油機(jī)起動(dòng)成功率降低并有安全隱患。如果發(fā)生起動(dòng)閥卡滯，會(huì)燒壞起動(dòng)閥和進(jìn)氣管，嚴(yán)重的可能會(huì)引起火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2]。

2 故障應(yīng)急處置

柴油機(jī)出現(xiàn)故障后，情況復(fù)雜，處理不當(dāng)容易造成嚴(yán)重后果，若對(duì)此不加以及時(shí)的控制，可能在短時(shí)間內(nèi)造成柴油機(jī)事故性損壞，甚至發(fā)生人員傷亡[3]。如出現(xiàn)故障，一定要考慮到全船電力供應(yīng)與柴油機(jī)安全，必須妥善處置，盡量減少對(duì)艦艇機(jī)動(dòng)性的影響。通常的處置措施為：1）艦員立即向駕駛室報(bào)告，適當(dāng)降低推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，防止在網(wǎng)發(fā)電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；2）起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，完成電站轉(zhuǎn)換，逐漸增加負(fù)荷，恢復(fù)全船供電；3）起動(dòng)柴油機(jī)電動(dòng)滑油預(yù)供泵，打開(kāi)示功閥后電動(dòng)盤(pán)車，以防缸套過(guò)熱、活塞卡滯等情況發(fā)生；4）用壓縮空氣對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行吹車并排除故障。

3 故障原因分析

3.1 柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)

PA6柴油機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)圖1，PA6柴油機(jī)起動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)3 MPa的壓縮空氣進(jìn)入空氣分配器和氣缸蓋上的起動(dòng)閥，起動(dòng)空氣是由進(jìn)氣總管通過(guò)安裝在氣缸上的起動(dòng)閥進(jìn)入氣缸內(nèi)的，而起動(dòng)閥的開(kāi)關(guān)由空氣分配器按照柴油機(jī)起動(dòng)順序依次控制打開(kāi)。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，通過(guò)機(jī)旁控制箱的直流24 V電信號(hào)使起動(dòng)電磁閥通電工作后，一方面是向機(jī)組起動(dòng)控制口、機(jī)組正常停機(jī)控制口和主起動(dòng)閥控制口提供0.7 MPa氣源，另一方面是通過(guò)0.7 MPa的控制空氣將柴油機(jī)主起動(dòng)閥打開(kāi)，進(jìn)氣管內(nèi)進(jìn)入起動(dòng)空氣了，使3 MPa的起動(dòng)空氣通過(guò)起動(dòng)閥進(jìn)入柴油機(jī)工作氣缸內(nèi)，推動(dòng)柴油機(jī)活塞向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)并完成柴油機(jī)起動(dòng)。起動(dòng)階段結(jié)束后，主起動(dòng)閥切斷進(jìn)入氣缸的3 MPa壓力的壓縮空氣。

圖1 PA6 柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)

圖2 PA6 柴油機(jī)起動(dòng)閥位置

3.2 起動(dòng)閥結(jié)構(gòu)分析

PA6柴油機(jī)的起動(dòng)閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，主要組成元件有：閥體、彈簧、墊圈、活塞、活塞環(huán)、彈性墊圈、螺母M10。當(dāng)按下起動(dòng)按鈕時(shí)，空氣分配器的控制空氣進(jìn)入起動(dòng)閥活塞上部，起動(dòng)閥活塞在空氣作用力下推動(dòng)起動(dòng)閥活塞向下移動(dòng)，打開(kāi)起動(dòng)閥，讓起動(dòng)空氣從起動(dòng)閥進(jìn)入氣缸，推動(dòng)柴油機(jī)活塞運(yùn)行，使柴油機(jī)曲軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的起動(dòng)。

圖3 PA6 柴油機(jī)的起動(dòng)閥結(jié)構(gòu)

3.3 原因分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，造成柴油機(jī)起動(dòng)進(jìn)氣管外部油漆變黑并脫落的原因是缸內(nèi)高溫高壓可燃?xì)怏w倒灌入進(jìn)氣管內(nèi)，進(jìn)一步分析結(jié)果是由于起動(dòng)閥鎖緊螺母有松動(dòng)造成的。發(fā)生此故障后，對(duì)某船4臺(tái)PA6柴油發(fā)電機(jī)共48個(gè)起動(dòng)閥進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)12個(gè)起動(dòng)閥鎖緊螺母有松動(dòng)現(xiàn)象。分析導(dǎo)致螺母松動(dòng)的主要原因及影響排除故障存在的設(shè)計(jì)不足，總結(jié)歸納主要有以下5個(gè)方面。

1）起動(dòng)閥本身存在的質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，使用的起動(dòng)閥存在起動(dòng)閥預(yù)緊力值標(biāo)定不準(zhǔn)、彈簧的彈力不夠、活塞的行程不滿足要求，導(dǎo)致該起動(dòng)閥出現(xiàn)故障。由此可見(jiàn)，起動(dòng)閥的質(zhì)量問(wèn)題是故障原因之一。

2）檢修保養(yǎng)方法不規(guī)范。按照柴油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)等級(jí)，起動(dòng)閥每工作6 000 h應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行全面檢查保養(yǎng)。檢修保養(yǎng)主要存在下列不足：

（1）沒(méi)有按時(shí)間間隔要求進(jìn)行等級(jí)保養(yǎng)檢修起動(dòng)閥。

（2）拆檢起動(dòng)閥后沒(méi)有按要求對(duì)活塞環(huán)、密封墊等進(jìn)行更換。

（3）沒(méi)用對(duì)閥體的閥面進(jìn)行研磨與檢查。

（4）回裝時(shí)沒(méi)有對(duì)閥體內(nèi)部和活塞上涂上機(jī)油及鎖緊螺母沒(méi)有按要求擰緊，回裝時(shí)沒(méi)有檢查閥的正確工作行程不少于4 mm。由此可見(jiàn)，起動(dòng)閥的檢查保養(yǎng)問(wèn)題是故障發(fā)生的主要原因。

3）起動(dòng)閥活塞過(guò)長(zhǎng)。由于機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境較差，當(dāng)起動(dòng)時(shí)使用的壓縮空氣較臟并且濕度較大，易導(dǎo)致活塞體與閥體接觸處卡死或者生銹，加上活塞環(huán)質(zhì)量原因，使活塞無(wú)法回彈，導(dǎo)致起動(dòng)閥閥桿、活塞卡死等現(xiàn)象，造成起動(dòng)閥不能正常關(guān)閉。

4）起動(dòng)閥閥桿螺栓頭結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷。起動(dòng)閥的閥螺栓頭一端有錐形小孔，當(dāng)起動(dòng)閥鎖緊螺母松動(dòng)時(shí)，拆下進(jìn)氣管，無(wú)法用螺絲刀按住閥桿螺栓頭，用扳手?jǐn)Q緊松動(dòng)螺母，只有從缸內(nèi)拆下起動(dòng)閥后才能擰緊鎖緊螺母。

5）柴油機(jī)起動(dòng)空氣進(jìn)氣管設(shè)計(jì)不合理?？諝膺M(jìn)氣管與起動(dòng)閥蓋的法蘭距離太近只有5 cm，而整個(gè)起動(dòng)閥長(zhǎng)度為15.5 cm。當(dāng)起動(dòng)閥故障時(shí)，無(wú)法從缸內(nèi)取出起動(dòng)閥，只有拆下這一列六缸的起動(dòng)進(jìn)氣管后，才能取出故障起動(dòng)閥，給排故帶來(lái)極大的不方便。

綜上所述，故障原因是起動(dòng)閥在開(kāi)啟位置卡滯或關(guān)閉不嚴(yán)造成。

4 故障排除

檢查排除故障不能只憑經(jīng)驗(yàn)，必須熟悉該柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，懂得分析故障機(jī)理，才能從源頭梳理故障原因，分析可能導(dǎo)致該故障發(fā)生的直接原因，再理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐漸排除[4]。拆卸空氣分配器進(jìn)氣管，打開(kāi)B列起動(dòng)閥進(jìn)氣管，卸下B1缸封蓋螺母，從閥腔內(nèi)取出起動(dòng)閥，對(duì)起動(dòng)閥進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)閥鎖緊螺母松動(dòng)，導(dǎo)致彈簧無(wú)法復(fù)位。從而分析判斷是因?yàn)闅飧灼饎?dòng)閥因關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致高溫高壓的燃?xì)獾垢Z入進(jìn)氣總管，造成B1缸局部進(jìn)氣管溫度急劇升高，管外部油漆變黑并脫落。最后按要求對(duì)螺母進(jìn)行緊固，起動(dòng)柴油機(jī)后故障現(xiàn)象消除。

5 優(yōu)化改進(jìn)方案

若能夠解決上述問(wèn)題，一是提高柴油機(jī)工作可靠性與維修性，二是給柴油機(jī)設(shè)計(jì)師們提供一個(gè)新的思路，以便設(shè)出更人性化的裝置。根據(jù)本人工作實(shí)踐探索，對(duì)起動(dòng)閥與進(jìn)氣管進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)方案與管理。

1）優(yōu)化起動(dòng)管結(jié)構(gòu)。在柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)或柴油機(jī)進(jìn)廠修理時(shí)，只要把空氣進(jìn)氣管與起動(dòng)閥蓋的法蘭距離增加到20 cm，見(jiàn)圖4。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)閥出現(xiàn)故障時(shí)，艦員可方便從缸內(nèi)取出起動(dòng)閥，無(wú)需把故障列六缸的整根進(jìn)氣管拆下。排除故障時(shí)間從單人工作60 min減少至20 min，提高排除故障的效率。2019年初，某船利用進(jìn)廠修理機(jī)會(huì)對(duì)進(jìn)氣管進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，艦員反映效果好。

圖4 PA6 柴油機(jī)的起動(dòng)進(jìn)氣管

2）優(yōu)化起動(dòng)閥結(jié)構(gòu)。針對(duì)起動(dòng)閥鎖緊螺母松動(dòng)的情況，緊固時(shí)需將整列進(jìn)氣管拆下，故障排除時(shí)間較長(zhǎng)。優(yōu)化方案是在不影響起動(dòng)閥強(qiáng)度的前提下，在鎖緊螺栓端中間設(shè)置一道2 mm～3 mm寬的小槽，與平口螺絲刀相符。當(dāng)出現(xiàn)鎖緊螺母松動(dòng)時(shí)，在不從缸內(nèi)取出起動(dòng)閥的情況下，使用平口螺絲刀固定住起動(dòng)閥閥桿并用板手對(duì)螺母進(jìn)行緊固，可有效縮短排故時(shí)間，排故時(shí)間從20 min減少到5 min。

3）加固鎖緊螺母。當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)受震動(dòng)影響較大，起動(dòng)閥非常容易松動(dòng)。為了防止螺母松動(dòng)，對(duì)起動(dòng)閥的鎖緊螺母采用雙螺母進(jìn)行鎖緊。起動(dòng)閥采用雙螺母進(jìn)行鎖緊后，柴油機(jī)從原來(lái)每工作6 000 h鎖緊螺母有18個(gè)起動(dòng)閥松動(dòng)情況到后續(xù)沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象。

4）重視預(yù)防保養(yǎng)。重視裝備日常檢修工作，提升艦員的責(zé)任意識(shí)。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，起動(dòng)閥運(yùn)行環(huán)境差，受機(jī)器震動(dòng)影響大，起動(dòng)閥很極易松動(dòng)。在平時(shí)管理柴油機(jī)時(shí)，把起動(dòng)閥的維護(hù)保養(yǎng)作為一項(xiàng)重要工作。在柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，必須注意檢查起動(dòng)閥技術(shù)狀態(tài)，執(zhí)行重大任務(wù)前認(rèn)真檢查螺母是否松脫，還要檢查閥的正常工作情況，活塞行程不少于4 mm。因此，應(yīng)當(dāng)定期對(duì)所有起動(dòng)閥進(jìn)行拆檢緊固。盡管客觀上會(huì)有很多因素困擾我們，但相信只要利用科學(xué)的方法，就能解決遇到的問(wèn)題[5]。

經(jīng)過(guò)2年來(lái)的試驗(yàn)驗(yàn)證，將改進(jìn)后的起動(dòng)閥在某單位8臺(tái)柴油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤使用；使用過(guò)程中，起動(dòng)閥未出現(xiàn)螺母松動(dòng)、卡死、密封不嚴(yán)、漏氣等問(wèn)題。實(shí)踐證明該結(jié)構(gòu)改進(jìn)完全滿足柴油機(jī)的使用要求，降低了起動(dòng)閥的故障率，提升了柴油機(jī)整體性能，可在PA6柴油機(jī)中推廣使用。

6 結(jié)論

艦船PA6柴油機(jī)起動(dòng)閥的故障會(huì)對(duì)艦船的正常航行帶來(lái)不同程度的影響，需要被高度重視。因此在日常工作中，應(yīng)該提升對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)閥故障的重視程度，制定科學(xué)的檢修保養(yǎng)制度，從而全面提升故障的診斷與處理效率。遇到問(wèn)題，不能局限于書(shū)本和以往工作的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)抓住故障現(xiàn)象細(xì)節(jié)，從原理上深入分析，搞清楚系統(tǒng)控制過(guò)程。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，思路清析、安全處理、準(zhǔn)確定位，方能快速排除故障，保證艦船正常航行。