某船推进柴油机排气温度异常故障原因分析.docxVIP

某船在国内采用了额定转速为1500r/min的MTU956高速大功率柴油机作为该船推进主机，两台主机各自通过万向联轴器、减速齿轮箱驱动双轴系，进而带动螺旋桨。

在一次航行试验中，推进柴油机左机的多个气缸发生了排气温度异常的故障，进而导致降负荷停机。

故障发生后，船厂迅速组织有关单位赶赴现场，对左机进行了初步外观勘察，发现某个气缸进气支管外表面油漆焦黄。

打开缸盖罩壳后，发现排气挺杆断裂、进气挺杆弯曲。

通过调取推进监控系统的历史运行数据得到，多个气缸都存在排气温度异常，且变化规律不完全一致。

因此，要判断气缸的排气挺杆断裂是否为该次故障的直接原因，还需要结合气缸拆检、尺寸测量以及排气挺杆的力学分析，对各缸排气温度的规律进行合理解释。

一、故障现象描述

调出推进监控系统的历史数据得出，某日11时19分至25分B7、B8、B9、B10缸排气温度异常，但整机排气温度平均值基本稳定在600°C左右。

其中B7缸排气温度在11时19分后，持续下降至400°C以下;?

B10缸则先是迅速降低至400°C以下，然后又迅速升高到800C左右;?

B8缸排气温度则一直在800°C以上;?

B9缸排气温度基本维持在700°C附近,即超过平均排气温度100℃左右。

二、拆检项目确定

故障发生后，对故障柴油机进行了初步勘察，发现B6缸进气支管外表面油漆焦黄,打开缸罩壳发现排气挺杆断裂，进气挺杆弯曲。

该型柴油机进、排汽挺杆规格为精拔45-φ25x2.5YGB3639,挺杆长度分别为444.8mm和358.8mm,对挺杆的机械性能要求为抗拉强度645MPa，延伸率4%。

为进一步分析故障原因，决定对各气缸进行针对性检查，具体检测项目如下:

1)通过吊缸，检查发生排气温度异常的B6-B10等气缸内部情况;

2)检查其余各气缸的缸盖、缸套和活塞顶等零部件表面情况;

3)超声波测量各气缸进、排气挺杆的壁厚情况;

4)对B6缸损坏的进、排气挺杆做力学和断口失效分析。

三、检测结果

1、各气缸部件检查情况

对B6-B10缸分别进行了吊缸检查，情况为:

?1)对比情况正常的B5缸，B6~B10缸的进气支管烟熏严重，如图1所示;

图1缸进气支管烟熏情况

2)B6、B8、B10缸的进气阀杆和阀面皆烟熏严重，如图2所示;?

图2进气阀杆和阀面出烟熏情况

3)在B10缸套表面的10点至5点钟方向，有一道贯穿划痕，且该缸活塞顶的积碳程度较为严重，分别如图3、图4所示。

图3缸套表面的划痕情况

图4气缸活塞顶积碳情况

除此之外，检查其余各气缸的缸盖、缸套和活塞顶等零部件表面情况，均未发生异常，且各缸进、排气挺杆均目测无异常。

2、各气缸进、排气挺杆壁厚检查情况

用超声波测量了各缸进、排气挺杆的壁厚，这里以圆心为对称点，取两侧壁厚测量值作为一组数据，设为(Di1,Di2),i=l2,2......n。

其中，Di1di2，n为测量数据的总组数。

为反映挺杆壁厚的偏差程度，定义偏差度dmax=max(Di2/Dil),i=1,2,....n。

显然，dmax越大，则表明挺杆壁厚的偏差程度就越大，测量结果见表1。

从测量数据可看出，B6缸排气挺杆的壁厚偏差程度要远小于其余各缸，故可判断该挺杆在加工内孔时偏移较大，导致该杆的局部壁厚偏差严重。

3、进、排气挺杆力学和断口失效分析结果

图5给出了排气挺杆的受力分析图，当气缸排气时，挺杆下部受到凸轮的作用力F2，并将该推力传给上部的摇臂，后者经摇臂轴，将受力传递给气阀端，从而开启气阀进行排气。

图5排气顶杆受力分析

此时，气阀对摇臂的反作用力为F3，摇臂对挺杆的反作用力为F1。

经断口失效分析表明，由于B6气缸排气挺杆壁厚偏差严重，该处承受能力极差，导致其工作时存在弯曲变形，且内壁加工壁厚较粗糙，在交变应力的作用下，首先裂纹在薄壁区域的内壁萌生裂纹，裂纹以疲劳的方式扩展。

图6给出了裂纹扩展的三个方向，包括:

从薄壁往厚壁处扩展的两个方向(a和b)以及厚壁处由外向内的一一个方向(c)。?

图6排气顶杆截面的裂纹扩展情况

当裂纹扩展到挺杆剩余截面无法承受其工作应力后，发生断裂。

当B6缸排气挺杆断裂后，排气阀始终处于常闭状态，排气受阻，使B6缸内燃气压力升高。

当进气阀开启时，进气挺杆承受的压力不断升高，经力学分析确认，不断增高的压力值最导致进气挺杆被压弯曲。

四、故障原因分析

根据故障情况及检测结果，可以推断气缸排气温度异常的故障是由于排气挺杆断裂导致，其他现象均由此引起。

图7和图8分别给出了各缸排气管布置图和进汽阀开启时刻图，基于两者对故障原因分析如下:

图7?各缸排气管布置图

图8各缸排气阀开启时刻图

1)B6-B10缸的进气支管烟熏严重原因分析。

B6缸排气挺杆断裂导致排汽阀常闭后，缸内