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童顺波
摘要:文章研究某柴油机在功率提升设计改进中遇到的问题,分析了柴油机功率提升后曲轴、气缸套、活塞、活塞环等主要零部件机械和热负荷状况,并对这些零部件进行了设计改进,改进后的零部件通过了性能和耐久试验,满足了柴油机功率提升的要求。
Key:柴油机;功率提升;改进途径
1问题的提出
现代柴油机发展局势是升功率越来越大,同时满足不断严格的排放法规要求。我司某型号柴油机增压后功率强化目标65KW/r/min,但改进前实际最大功率为53kW/r/min,若功率大于53kW/r/min,柴油机曲轴箱通风装置排出的气体会明显增大,同时伴有明显的机油耗增加现象(增加30%)。
2为解决功率提升过程遇到的问题,对柴油机关键零部件分析,以找出改进方案
气缸套的相对变形
δ=t/l=PNmax·l·l(3·l·E·J)
式中:t-由于气缸侧压力产生的弯曲挠度;
E-材料的弹性模数;
PNmax-气缸最大侧压力;
J=π/64(D-D4)-气缸截面的惯性矩。
δ的许用值≤;,显示气缸套刚度不满足功率提升后要求。
气缸套受到柴油机燃烧的爆发压力和活塞的侧压力。正常情况下,气缸套与活塞环贴合良好。当气缸套刚度差,因变形量大产生失圆,缸套和活塞环之间产生缝隙,燃烧气体从缝隙中流出,活塞环刮机油作用减弱,造成柴油机曲轴箱
通风装置排气量加大,并带有排机油颗粒现象,机油耗增加。如果变形量过大超出设计值,缸套和活塞环之间接触不均匀,造成局部接触应力高,润滑油膜遭到破坏,柴油机易出现拉缸。
原柴油机曲轴材料为QT900-2,表面氮化处理。通过的曲轴的强度校核发现,(要求安全系数n≥),原曲轴强度设计不能满足强化后柴油机要求。
球铁曲轴滚压圆角后,疲劳强度能提高30%以上,与曲轴相关装配的零部件结构无需改变。曲轴强度校核发现,将曲轴采用氮化加滚压圆角的工艺方法满足柴油机功率强化到65KW/2400r/min功率要求,准备装用氮化滚压圆角曲轴进行试验。
3改进方案实施
提高气缸套的刚度方法:(1)增加气缸套厚度可增加刚度,但柴油机机体缸套部分水腔体积相应会减小,不利于缸套散热,而柴油机功率提升后热负荷却增大,因此该方案不可取。(2)将缸套下支撑向上移动15mm,增加缸套支撑刚度,从而减少缸套振动。该方案柴油机机体和缸套改动较小,效果明显,方案可行。柴油机曲轴由氮化曲轴改为氮化滚压圆角曲轴,曲轴材料不变。
4改进后性能试验
将装气缸套下支撑上移、滚压圆角曲轴的柴油机进行性能试验,柴油机性能达到改进预期目的,改进前后對比数据如表1。
5可靠性试验情况
将装气缸套下支撑上移、滚压圆角曲轴的柴油机进行功率提升后可靠性试验,开始柴油机工作时各项性能指标表现正常,当柴油机连续运转200小时后,柴油机曲轴箱通风装置排气量开始增大,并有轻微的排机油现象,同时排气温度也比可靠性试验开始时升高25℃,可靠性试验终止。拆开柴油机进行检测发现,气缸套有拉缸现象,活塞环磨损严重,()。柴油机的气缸套、活塞、活塞环不满足功率提升后的柴油机负荷要求,可靠性试验失败。(如图2所示)
6可靠性试验出现的问题原因分析
(1)柴油机功率提升后,活塞、活塞环所受的机械负荷和热负荷同时增加,活塞第一道环处的润滑油在高温下易变质,变质后的润滑油在活塞环处形成积碳,活塞环处于半粘接状态,活塞环失去弹性。在润滑失效的情况下,活塞、活塞环、气缸套在工作过程磨损异常加大,很容易出现拉缸,伴随机油耗增加,柴油机曲轴箱废气加大。(2)从拆下的活塞看,活塞内腔有受高温变色现象。柴油机功率提升后,活塞头部热负荷增加后,也会导致活塞头部热膨胀过大,容易使活塞头部与气缸套发生粘接,产生拉缸现象。因此,必须采取措施解决活塞头部及活塞环处的温度(特别是第一道活塞环)。
7可靠性试验出现的问题改进方案
(1)活塞顶部采用阳极氧化处理,-,氧化膜层隔热性好,能使活塞头部减少热量吸收,降低活塞头部温度。(2)活塞裙部石墨化处理,-。石墨涂层具有良好的自润滑性能,活塞裙部喷涂石墨后,即可改善活塞初期磨合性和启动时的防拉缸性能,又可起减磨作用,减少
缸套和活塞摩擦。(3)在活塞头部内第一道环槽附件增加环形冷却油道,机体上的喷嘴将机油喷入活塞头部内环形冷却油道内,进一步降低活塞头部热负荷(原柴油机设计是在活塞头部外壁喷油冷却,冷却效果差)。
(1)第一道活塞环由桶形环改为双面梯形环。梯形环在径向运动时,测隙不断变化,能把胶状油焦从环槽中挤出,从而使环槽中的机油不断更新,将活塞环处的积碳减少到最少程度。(2)考虑到排放法规越来越严格,EGR技术应用是我司降低柴油机NOX的技术路线。EGR工作时,废气进入气缸内,废气中的微粒吸附在缸套或缸套内的机油上,造成气缸套、活塞环磨损增加,而废气中的硫化物,最终也可能生成H2SO4,也会对气缸套、活塞环等件加速磨损。因此,活塞环采用铬陶复合镀(CKS),CKS活塞环具有良好的耐磨性和高温承载性。
,以增加活塞喷嘴喷出机油量来降低活塞头部温度。机油的主要作用是减少零部件的磨损和摩擦功,对零件表面进行冷却和清洗。采用加大流量机油泵来满足活塞冷却喷嘴处的喷油量增加的需求,改进后机油泵比原机油泵流量增加了20%,确保柴油机在高速全负荷时机油压力仍然达到设计值,也降低了主轴承和连杆轴承的工作温度,提高这些轴承的可靠性。柴油机强化程度提高后,传递到机油和冷却水的热量也会相应增加,该问题通过增加柴油机的机油散热器和冷却水散热器散热面积解决。
气缸套长期受到活塞环的往复运动,受到气体大的压力燃烧气体的高温冲击力,工作条件非常恶劣。气缸套上部承受的压力特别大,温度也高,润滑油膜建立和保持较困难。这要求气缸套有较好的耐磨性、减磨性、抗咬合性和自润滑性。原柴油机装用硼气缸套,现采用硼铸铁等离子淬火气缸套提高缸套的耐磨性和抗拉缸性。采用菱形交叉网纹等离子淬火缸套,气缸套等离子淬火后的网纹硬化带有极高的硬度,成为气缸套表面坚硬的骨架;而未淬火缸套表面质地较软,在活塞环与气缸套运动摩擦过程中,形成相互封闭的微油池,大大改善了磨损环境。带EGR柴油机吸气过程中进入的微颗粒,也能嵌入而未淬火质地较软缸套表面区,减少了表面划伤。因此,等离子淬火气缸套表面有软硬相间的网络组织,具有及好的耐磨性和抗拉缸性。改进后的活塞、活塞环、气缸套及润滑冷却系统装在带有EGR的柴油机进行性能试验,性能达到设计要求(功率由53KW/2400r/min提升到功率65KW/2400r/min)。同时柴油机也顺利通过1000小时可靠性试验。(如表2所示)
,,零部件磨损均正常,如图3所示。
结束语
通过对该柴油机的机体(气缸套下支撑上移)、曲轴、活塞、活塞环、气缸套及润滑冷却系统的设计改进,使该增压型柴油机的功率提升了22%,柴油机性能和可靠性都达到了设计改进目标。
Reference
[1][M].中国农业机械出版社.
[2]史绍熙,[M].中国农业机械出版社.
[3]杨国成,[J].江苏理工大学学报,2000.
 
-全文完-