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瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

時間:2020/3/26 20:35:56 點擊:

  內容提示:瓦錫蘭4缸機,優點是占用空間小。缺點是由于安裝有平衡軸,后續保養比較麻煩。作為輪機管理人員來說,要在思想上重視它,對其保養檢查工作時要細致、認真。...
柴油機在運轉過程中無法避免的會產生振動,這種振動會增加柴油機的機械負荷,降低各部件的使用壽命,嚴重時會導致柴油機無法正常運行。為了消除振動,可以通過增加缸數,比如六缸機、八缸機;可以改變排列狀態,比如V型機;還可以采用輕質活塞來減少運動件的質量等來使柴油機運轉過程中更加穩定。瓦錫蘭四缸機系列,因其特殊性,增加安裝了平衡軸機構來平衡慣性力,穩定柴油機。

中高速直列四缸四沖程柴油機的工作循環中,活塞的運動速度非常快,而且速度很不均勻。在上下止點位置,活塞的速度為零,而在上下點中間的位置速度達到最高。由于活塞在氣缸內做反復的高速直線運動,必然會在活塞、活塞銷、連桿和曲軸上產生很大的慣性力。在曲柄臂上增加配重可以有效地平衡一部分慣性力,但是活塞連桿在運動中只有一部分質量參與直線運動,另一部分則參與旋轉。除了上下止點位置外,各種慣性力若不能被完全平衡,則會使發動機產生振動。

理想的直列四缸四沖程發動機主要存在二階往復慣性力不平衡,為了抵消二階往復慣性力,進一步提升發動機的運轉平穩性,瓦錫蘭4L20系列發動機底部設計有兩根旋轉方向相反,轉速為曲軸兩倍的平衡軸。

一、首先簡單說明下什么是二階往復慣性力,為什么就它不平衡。
假設活塞在運動過程中連桿不擺動,則活塞與曲柄的關系如下圖:
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

直接從圖中大家也可以直觀的看到,由于活塞、連桿一直拉著曲軸,他們這一上一下加減速度,曲軸都要受到很大沖擊力,曲軸再把這種力傳遞給發動機機體,于是就導致了發動機的抖動,即造成了發動機的往復慣性力。這種連桿不擺動的情況下,活塞、連桿的往復運動造成發動機的往復慣性力就是一階往復慣性力。(車震就是這么產生了)
 
但是連桿不可能不擺動的,于是乎實際運動如下圖:     
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

實際活塞行程與連桿長度、曲軸半徑之間的公式是這樣子的:
Sk+lcosβ+rcosα=l+r
可以得出活塞加速度
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

可以簡單的理解為:公式后面帶“2”的部分就是代表著二階往復慣性力。原因嘛,主要就是連桿的擺動,造成了發動機的二階振動。(如果說一階往復慣性力導致了車震,那么二階往復慣性力就導致了不同姿勢的車震)。

再上個圖:
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
 
這張圖告訴我們,四缸機它們的一階往復慣性力兩兩相反,自己就抵消了;但是,二階往復慣性力不僅沒能抵消,反而是疊加的,越加越大——抖!而且二階往復慣性力在曲軸轉動一圈的過程中,產生兩次大小和方向相同的力(矩)。
 
二、平衡軸及其作用                                       
平衡軸就是用來抵消發動機二階往復慣性力的。平衡軸安裝在曲軸下部,由兩個平衡重組成(兩個平衡重的作用是為了抵消平衡軸本身產生的離心力),轉速是曲軸的兩倍(因為在曲軸轉動一圈過程中會產生兩次相同的二階往復慣性力),由曲軸通過齒輪帶動驅動軸,驅動軸再帶動兩個平衡重快速旋轉,平衡重在旋轉的過程中所產生的合力剛好和活塞連桿機構旋轉所產生的二階往復慣性力方向相反、大小相同,因此相互抵消,使發動機的運轉更加平穩可靠。
 
三、引起平衡軸故障的主要原因
1、平衡機構是發動機的一個組成部分。平衡軸的良好運行還要以整機良好工況來保證。列如,各缸負荷不均勻,底座減震的有效等,都會影響平衡軸的運行質量。所以,在做好平衡機構維護的同時要做好整機的維護。

2、平衡軸相對曲軸轉角發生偏移。平衡軸的摩擦環組螺栓松動、傳動機構齒輪間隙增大等,導致傳動軸和平衡重之間發生偏移,也就是和曲軸轉角相對位置發生變化,使平衡軸的減振效果下降,柴油機抖動增強,發生偏磨。或者平衡軸旋轉部分發生軸向竄動,使進油口進油量不足,嚴重時導致平衡軸軸承襯套燒蝕、軸承座開裂等嚴重后果。

3、滑油質量下降導致潤滑不良。由于船用柴油機日常使用的大都是IFO或者HFO,劣質油的燃燒殘留物不可避免的進入機油系統,使機油污染、雜質增多,再加上發動機的機油系統采用的是濕式油底殼,給機油的維護帶來一定的困難。而系統機油質量好壞又直接影響發動機平衡軸機構的冷卻和潤滑。所以,處理好機油對與平衡軸機構關系重大。
 
四、針對平衡軸需要做的日常檢查和保養
1、保持各缸工況良好。不但要關注排溫,還要經常性測量各缸爆壓保證各缸輸出功相同,以減少柴油機其它振動源對平衡軸的影響。
 
2、平衡軸機械部分的檢查。

發動機運轉每間隔1000小時(即換機油時)檢查平衡軸與曲軸轉角相對位置是否正確。若不正確,要通過擰松摩擦環組的螺絲來調整(一缸在上止點零度時,平衡軸自然下垂,剛好可以用專用工具固定住)。要特別注意螺絲的收緊力按說明書要求收緊20-22NM,除此之外還要檢查軸承間隙及供油量。平衡軸軸承間隙不同的說明書上的數值稍有不同,建議以自己船上的英文版說明書為準。且平衡軸軸承間隙的測量,日常檢查時只能測量非推力軸承處,推力軸承因為有卷邊,無法直接用塞尺測量。配上幾張現場操作圖:軸承間隙的測量、摩擦環組鎖緊螺絲的檢查與緊固、專用工具的安裝。
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

3、保證良好的潤滑。
包括穩定的滑油壓力、良好的油質、軸承處有充足的潤滑油量等
 
首先是自沖洗濾器要確保安裝到位,濾棒狀況良好,每次清洗濾器時不能匆匆了事,可以用柴油(或專用清洗劑)浸泡一夜,第二天再進行清潔和吹洗,清潔干凈后用手電筒檢查濾棒內的濾網是否有破損,如有破損,必須更換。各處密封圈每次都要檢查其彈性是否滿足密封要求,如果有些發硬,需要立刻更換。配三張濾器檢查照片。
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

更換滑油時,曲軸箱盡可能清潔干凈。清潔完曲軸箱后補油,先補充150L,啟動預潤滑油泵,檢查平衡軸軸承處出油量,此處冒油時間應比活塞銷處往下滴油時間稍早,如果滯后于活塞銷處冒油時間,并且出油量少,則可能是相關油道變小導致軸承處潤滑油量變少。需要特別注意。如圖所示。
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養
定時段檢查滑油油質,防止滑油中進入燃油、水等。如圖所示,100小時和200小時運行的副機,機油油質較好,外圈明亮,600小時的副機機油,外圈發黃,是油質氧化變質的現象。200小時的油斑,擴散區顏色較淺,外圈明亮。600小時的油斑外圈明顯變黃,擴散區發暗黑,中心區區域較黑。經常自查油質,根據油質變化稍調換油時間,及時調整柴油機的工況,比如更換活塞環、翻缸頭、校油頭等。

定時清洗離心濾器,發現油泥增厚或者有金屬碎屑等要檢查原因,并及時更換滑油,檢查清洗自沖洗濾器。
瓦錫蘭4L20柴油機平衡軸的作用與日常檢查保養

柴油機日常運行時,注意觀察記錄滑油溫度與壓力的參數,以利于日后參考、對比。發現壓力與溫度異常,要及時停車檢查。對滑油冷卻器、溫控閥及滑油泵要定期拆檢。說明書推薦時間為8000小時。可以根據具體工況進行適當調整。
 
五、案例
案例1、某T輪,一號副機(瓦錫蘭4L20)在運行中振動較大,船員誤認為由于四缸機平衡性差所致,未采取任何措施尚維持運行。一日,發動機振動突然加劇,導致無法繼續運轉,停機檢查發現平衡軸襯套嚴重燒蝕破裂。油底殼的平衡軸軸承座有裂紋,平衡軸拉毛。
分析原因之一是未有定期對平衡軸進行檢查。其二,系統處理不善導致滑油中雜質較多,傳動軸中間油孔積存油泥,使去軸承的油量大大減少,致使潤滑不良。

案例2、某M輪,二號副機(瓦錫蘭4L20)一日當負荷增加至300KW以上時,發動機發出異常聲音,隨即整機振動厲害,無法工作,停機檢查發現平衡軸軸承嚴重燒蝕、碎裂,軸承座有裂紋。
分析原因:一,軸承油量少,潤滑不足。二,摩擦環組螺栓松動,傳動軸發生位移并導致發生偏磨。

小結
瓦錫蘭4缸機,優點是占用空間小。缺點是由于安裝有平衡軸,后續保養比較麻煩。作為輪機管理人員來說,要在思想上重視它,對其保養檢查工作時要細致、認真。無論是換油、洗濾器還是吊缸后,都要先進行充分的預潤滑(個人建議最少1個小時),并進行盤車,然后才能投入運行。更換滑油時,最好停預潤滑油泵4個小時以上再進行清潔,這時系統中滑油基本都回流到了油底殼,再去放油會比較干凈徹底。帶吊桿的船舶,在用船吊裝卸貨時,副機沖擊負荷會比較大,如果同時還要壓排水,此時可以考慮三機并行。冬季要進行熱機再吃負荷,防止滑油溫度低、粘度大導致的潤滑不良。

濾器是清凈滑油、守護平衡軸最重要的一道屏障,對其檢查和清潔都要認真細致,發現問題及時解決,絕不可以帶病上陣,湊合運行。

作者:吳信超 來源:信德海事

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