第二章 柴油机的总体结构及主要零部件

船舶柴油机 第二章柴油机的总体结构及主要零部件 2 固定部件 Fixedparts 气缸盖 气缸 机体 机座 曲轴箱 第一节柴油机的概述 柴油机的主要零部件及系统 注 大型低速柴油机还有十字头组件 3 燃烧室组件 气缸盖 Cylindercover 气缸 Cylinder 活塞 Piston 往复 回转 活塞 Piston 连杆 Connectingrod 曲轴 Crankshaft 动力和辅助系统 起动系统 Startingsys 燃油系统 F Osys 润滑系统 L Osys 冷却系统 Coolingsys 操纵和控制系统 第一节柴油机的概述 换气系统 4 曼 曼恩B W 苏尔寿 瓦锡兰 卡特彼勒 YANMAR 三菱重工 第一节柴油机的概述 几种常见的柴油机 第二节燃烧室部件 活塞组件 1活塞的作用和工作条件 作用 在保证密封的情况下 完成压缩和膨胀过程组成运动机构 将力经连杆传递给曲轴 筒型机中承受侧推力 起滑块作用在二冲程机中 启闭气口 起滑块作用 工作条件 受燃气高温 高压 腐蚀 烧蚀作用热负荷和机械负荷很高 容易发生裂纹和变形磨擦与撞击 润滑困难 磨损严重具有较大的惯性力 柴油机产生振动 第二节燃烧室部件 要求 强度高 刚度大 密封可靠 散热性好 冷却效果好 摩擦损失小 耐磨损 中 高速柴油机还要求活塞重量轻 第二节燃烧室部件 活塞的构造 作用 在保证密封的情况下 完成压缩和膨胀过程组成运动机构 将力经连杆传递给曲轴 筒型机中承受侧推力 起滑块作用在二冲程机中 启闭气口 起滑块作用 工作条件 受燃气高温 高压 腐蚀 烧蚀作用热负荷和机械负荷很高 容易发生裂纹和变形磨擦与撞击 润滑困难 磨损严重具有较大的惯性力 柴油机产生振动 强度高 刚度大 密封可靠 散热性好 冷却效果好 摩擦损失小 耐磨损 中 高速柴油机还要求活塞重量轻 要求 第二节燃烧室部件 十字头式柴油机活塞 活塞头 耐热合金钢 活塞裙 耐磨铸铁 头和裙组装于活塞杆上 活塞杆由段钢制造 有四道活塞环 活塞内有冷却腔 振荡冷却 活塞杆内有插管 短裙 第二节燃烧室部件 筒形活塞式柴油机活塞W rtsil 32 由活塞头 活塞裙 活塞环和活塞销组成 小机器头 裙一体制造 头部用铸钢 裙部用球墨铸铁 头部有冷却腔 有两道压缩环和一道刮油环 裙部造得坚韧以承受侧推力 销孔两端切槽以适应变形 第二节燃烧室部件 活塞环 压缩环 气环 刮油环 活塞环的工作条件和要求 活塞环的工作条件 受到高温高压燃气的作用十分复杂的运动严重的摩擦和磨损润滑条件较差可能产生裂纹或折断 要求 良好的密封性能 耐磨 特别是抗熔着磨损的性能要高 要有适当的弹性 足够的强度和热稳定性 第二节燃烧室部件 作用 密封 传热 气环 密封原理 本身弹性和气体压力高速柴油机装3道 5道 低速柴油机装4道 6道 第二节燃烧室部件 断面形式 a为矩形环b为梯形环c为倒角环d扭曲环 搭口形式直搭口斜搭口重叠搭口 第二节燃烧室部件 活塞环材料要求及制造工艺 材料要求 弹性较好 摩擦系数小 耐磨 耐高温 有良好的初期磨合性 贮油性和耐酸腐蚀 一般采用合金铸铁 加硼 高硅 可锻铸铁 球墨铸铁制造工艺 表面镀铬 内表面刻纹以提高弹性 松孔镀铬 外表面开设蓄油沟槽 环外表面镀铜以利磨合 喷镀钼以防止粘着磨损等 第二节燃烧室部件 油环 油环的结构 原理单刃油环 双刃刮油环 飞溅润滑做回转运动的曲柄销轴承把润滑油甩到气缸壁上 气环的泵油作用 第二节燃烧室部件 承磨环 作用 专为十字头式活塞与气缸的磨合而设置 第二节燃烧室部件 活塞杆填料函 作用防止扫气空气和污油 污物漏入曲轴箱 以免加热和污染曲轴箱滑油 腐蚀曲轴与连杆等部件 防止曲轴箱中的滑油进到扫气箱中 污染扫气空气 第二节燃烧室部件 活塞销 作用 筒形活塞中连接活塞和连杆小端传递气体力和惯性力工作条件 尺寸小 润滑条件也较差 受摩擦和磨损要求 足够的耐疲劳强度 抗冲击 耐磨损和重量轻材料 优质碳钢或低碳合金钢 表面渗碳淬火结构形式 浮动式 固定式和半浮动式 第二节燃烧室部件 活塞的冷却 冷却液的输送方式 筒形机在曲轴连杆机构中开通道十字头机有套管式和铰链式机构 非冷却式活塞 径向散热型 热量主要通过活塞环传自气缸套并通过冷却水带走 冷却式活塞 轴向散热型 使用冷却介质 如淡水 滑油 对活塞顶内腔进行强制冷却 冷却方式 自由喷射冷却循环冷却振荡冷却喷射 振荡冷却 第二节燃烧室部件 气缸 1 作用 工作条件 2 气缸的构造 3 气缸套的磨损 第二节燃烧室部件 气缸的作用及工作条件 气缸是柴油机的主要固定部件之一 是燃烧室部件中的主体 柴油机的工作循环是在气缸的工作空间里进行的 活塞在气缸内部往复运动 主要作用 组成燃烧室 起导承作用并承受侧推力 筒形机 在其上开气口布置气道 十字头机 工作条件 上部受气缸盖安装预紧力 内壁受燃气高温 高压和低温腐蚀作用以及活塞的摩擦 敲击 侧推力 外部冷却水的腐蚀和穴蚀 四冲程机 贯穿螺栓结构中受压 非贯穿螺栓结构中受拉 第二节燃烧室部件 要求 足够的强度和刚度 良好的耐磨性和抗腐蚀性 良好的润滑和冷却 可靠的气封和水封 材料 气缸体多用灰铸铁 气缸套采用灰铸铁 耐磨合金铸铁或球墨铸铁 气缸体类型 单体式 大尺寸柴油机 分组式 大尺寸柴油机 整体式 中小型机用 气缸套类型 湿式缸套 外表面与冷却水直接接触 易产生穴蚀 腐蚀 散热性好 干式缸套 冷却水腔设于气缸体内 不与气缸套接触 不易产生穴蚀 腐蚀 散热性差 仅用于小型机 第二节燃烧室部件 气缸的构造 二冲程十字头式柴油机 MANB WS MC和S MC C型柴油机的气缸 1 由单体式气缸体和气缸套组成 2 冷却水进口在冷却水腔低处 由下而上流动 3 缸套只有上部固定 下部可自由膨胀 4 缸套凸肩又高又厚以形成薄壁强背和降低气缸体高度 减轻重量 5 气缸注油孔位于缸套中上部 布油槽向下倾斜 6 缸套上部凸肩区是气缸套中工作条件最恶劣部位 为保证其工作可靠结构上采用 高凸肩区钻孔冷却 燃烧室上移或下移 7 气缸套下部不用冷却 气缸套与冷却水套间形成冷却水腔 气缸套中 下部有较高的温度以保证气缸套最佳工作状况 消除腐蚀磨损 8 冷却水检漏孔位于两道橡胶密封圈之间 9 SMC C型机在缸套与气缸盖的密封面处设置一道活塞清洁环 直径比气缸套的内径略小 以除去活塞头部的积炭 减少缸套的磨损 第二节燃烧室部件 四冲程筒形活塞式柴油机 artsila32型机气缸套1 缸套内部上端设有防磨环 尺寸略小于缸套直径 以除去活塞头部结炭 使缸套的磨损率和滑油消耗率下降 2 缸套壁比较厚以使气缸套更好地承受侧推力 3 冷却水由气缸上部配水环进入 只对凸肩区进行冷却以降低低温腐蚀影响 第二节燃烧室部件 第二节燃烧室部件 图2 14Wartsila32型柴油机气缸套1 防磨环 2 配水环 3 镀铬陶瓷活塞环 4 裙部压力润滑 5 低摩擦设计的球墨铸铁裙部 第二节燃烧室部件 气缸套的磨损 气缸套的磨损类型熔着磨损磨料磨损腐蚀磨损 1 熔着磨损 润滑不良 局部高温等使摩擦表面金属直接接触 产生熔着磨损2 磨料磨损 硬质颗粒进入两摩擦面之间形成磨料 产生磨料磨损3 腐蚀磨损 燃料中的硫成分在燃烧时被氧化 与水蒸汽结合在露点温度下生成亚硫酸和硫酸 腐蚀气缸套 形成腐蚀磨损 第二节燃烧室部件 气缸套的穴蚀在气缸套外表面冷却壁上出现光亮无沉淀物的蜂窝状小孔群损伤现象称为穴蚀 穴蚀的类型 空泡腐蚀 闭式循环淡水冷却柴油机 和电化学腐蚀 开式海水冷却柴油机 磨损规律 四冲程机通常左右方向磨损大 主要由于侧推力存在使活塞环与缸壁相对运动所致 同一横截面呈椭圆形 纵剖面呈锥形 二冲程机磨损不均主要由于活塞组件不对中 气缸套穴蚀的主要原因 缸套振动 措施 在缸体上安装防腐蚀锌板 或水中加缓蚀剂和防锈油等 第二节燃烧室部件 气缸盖的构造 气缸盖的作用 工作条件及要求 气缸盖 气缸盖的类型 作用 组成燃烧室 安装各种阀件 喷油器 气缸起动阀 示功阀 安全阀 排气阀 四冲程和直流扫气二冲程机 进气阀 四冲程机 四冲程机布置进 排气道和气阀摇臂机构工作条件 受螺栓预紧力和缸套支撑反力作用 工作中受燃气高温 高压作用 冷却水腔受水腐蚀 结构复杂 金属分布不均匀而产生的应力集中 尤其是阀孔之间的狭窄区域 鼻梁区 最恶劣要求 足够的强度和刚度 良好的冷却 可靠的气封和水封 气缸盖上各种阀件的拆装 维护方便 冷却水腔的水垢容易清除 第二节燃烧室部件 1 单体式 与缸套接合面处密封性好 拆装 检修方便 但增加了柴油机的长度和重量 用于大功率中速 低速及强化程度较高的高速柴油机上 2 整体式 结构紧凑 刚度提高重量减轻 但易变形 密封性差 一般用于 150 的中小型高速机 3 分组式 特点介于上述两者之间 一般用在缸径较大的中小型高速柴油机上 第二节燃烧室部件 气缸盖的类型 第二节燃烧室部件 2 大型低速柴油机气缸盖的构造 MANB WS MC C型柴油机气缸盖为例 1 高度较大以提高刚度 强度 2 薄壁强背 钻孔冷却 3 倒锥形燃烧室利于换气和燃烧 4 缸盖螺栓由液压拉伸器固紧 工作时受拉应力 5 缸盖 缸套接合面下移以避开火焰直接冲击 保护接合面 3 中速柴油机气缸盖的构造 Wartsila32 1 缸盖上有两个进气阀 两个排气阀 表面镀司太立合金 阀杆镀铬 镍钼合金 2 进排气道左右分布以减少高温排气对低温进气的加热 3 多管道集合元件完成新气进入 废气排出 冷却水排出多项功能 第二节燃烧室部件 燃烧室部件承受的负荷 燃烧室 当活塞处在上止点时 由气缸盖底面 气缸套内表面及活塞顶共同组成的燃料与空气混合和燃烧的空间 1 机械负荷 2 热负荷 3 结构特点 第二节燃烧室部件 1 机械负荷 机械负荷指柴油机部件承受最高燃烧压力 惯性力 振动冲击等的强烈程度 1 安装预紧力引起的负荷 2 气体力引起的机械应力 第二节燃烧室部件 1 安装预紧力引起的负荷 螺栓的预紧力p 气缸盖上表面安装应力为拉应力下表面为压应力大小与螺栓预紧力成正比与气缸盖的高度成反比 气缸套安装应力主要存在于其上部的凸肩部位应力的大小与螺栓预紧力 成正比 与其凸肩的高度成反比 气缸盖底面和冷却面的温差可达300 400 在底面和冷却面分别产生压 拉热应力 在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低 消失 甚至产生残余拉应力 第二节燃烧室部件 2 气体力引起的机械应力 气缸盖水冷面为拉应力触火面为压应力 弯曲应力与缸盖底板半径的平方成正比 与底板厚度的平方成反比 活塞活塞顶板在最高燃烧压力作用下产生很大的弯矩和弯曲应力水冷面为拉应力触火面为压应力 燃烧室部件中由气体压力而产生的机械应力都和最高爆发压力成正比 与部件壁厚成反比 第二节燃烧室部件 2 热负荷 热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度 热流量及热应力的强烈程度 热负荷的表示方法 热应力 由温差作用形成的应力称热应力 热流密度q 单位时间内单位面积的热流量q Q F 温度场 受热部件中温度分布图 准确表示受热部件的热负荷 排气温度 简单 实用 第二节燃烧室部件 由温差作用形成的应力称热应力 板厚 膨胀系数q 热流密度 导热系数 泊松比E 弹性模数 热应力火侧为压应力 水侧为拉应力与热流密度成正比 与壁厚成正比 第二节燃烧室部件 热疲劳 热疲劳产生的裂纹多数在触火面上形成和发展 以致造成损坏 因为这里受到较大的残余拉应力和较大的热应力与机械应力合成的压应力的交变作用 燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳 热疲劳与柴油机的累计转数并无多大关系 主要取决于机器的起动 运行 停车的循环次数 故亦称低频应力 第二节燃烧室部件 3 燃烧室部件的结构特点 为了降低活塞顶板的机械应力 应增加活塞顶的厚度活塞顶板厚度的增加又会导致热应力的增加 钻孔冷却 冷却水孔实际上将壁分为冷热两部分 热区很薄 薄壁 减少了热应力 冷区很厚 强背 减少了机械应力 薄壁强背结构 薄壁就是燃烧室部件的受热壁要薄 以减少热应力 强背就是在薄壁的背面设置强有力的支承 以降低机械应力 第二节燃烧室部件 燃烧室部件的常见损伤及管理 1 燃烧室部件的常见损伤形式 1 活塞裂纹2 活塞顶烧损3 活塞环的异常磨损 粘着和折断4 气缸套过度磨损 2 燃烧室部件的管理要点 第二节燃烧室部件 1 活塞裂纹 裂纹故障中气缸盖的裂纹较为多见 原因主要由热疲劳及应力集中现象引起 原因 机械应力和热应力的共同作用 第二节燃烧室部件 2 活塞顶烧损 活塞顶烧损在直流扫气及油冷柴油机活塞上出现的较多 活塞顶高温下氧化变薄 1 活塞环的异常磨损 正常磨损 磨损速度 0 3 0 5mm kh厚度均匀异常磨损 磨损速度很快磨损后厚度极不均匀原因 设计 材质 热处理等因素管理 磨合不良 运行中超负荷 润滑不好 滑油品质不合要求 燃烧不良 冷却不佳 摩擦表面有硬质颗粒等 2 活塞环的粘着 活塞环槽内有沉积物和积炭使活塞环在环槽中不能自由运动原因 活塞或气缸过热 滑油过多 滑油不净 燃烧不良等 第二节燃烧室部件 3 活塞环的折断 原因 搭口间隙过小环槽内积炭活塞环压入造成环断的主要因素气缸套失圆 环端挂气口 环槽过度磨损等影响 燃烧室的密封性 而且碎块也容易进入增压器 使增压器损伤 第二节燃烧室部件 4 气缸套过度磨损 原因 I 结构设计 材料选用 加工装配质量II 管理 气缸或活塞过热 活塞环密封性不好 刮油环装得不对或刮油性能下降 燃油 滑油或进气中含硬质颗粒过多 磨合不良 气缸油量过多或过少 燃油与滑油不匹配 气缸冷却过度 扫气中有水或有清洗空冷器的洗濯剂等 正常磨损 铸铁缸套每千小时0 1mm左右 2 燃烧室部件的管理要点 3 观察孔 扫气口 检查 1 磨合注意加负荷和润滑 按磨合程序进行 2 运行中的监视注意运行参数 润滑 声音 4 吊缸检查 第二节燃烧室部件 4 吊缸检查 检查清洁测量 第二节燃烧室部件 第三节曲柄连杆机构 曲柄连杆机构是柴油机的主要运动件 主要包括曲轴和连杆 对于十字头式柴油机还包括十字头组件 曲柄连杆机构的主要作用是将活塞的往复运动转换成回转运动 并输出动力 一 十字头 crosshead 组件作用 连接活塞与连杆传递气体力与惯性力承受侧推力导向结构 十字头本体 十字头轴承 连杆小端轴承 十字头销 十字头滑块 导板 图十字头的构造1 活塞杆 2 连杆小端轴承盖 3 十字头销 4 滑块 5 连杆小端轴承座 6 连杆杆身 十字头组件的工作条件 十字头本体和轴承要承受周期性的气体爆发压力 十字头滑块要承受侧椎力的作用 特别是十字头轴承 由于单向受力及连杆只作摆动 不易形成良好的润滑 工作条件更为恶劣 十字头本体 十字头本体上有与活塞杆相连的通孔或平台 前者是活塞杆穿过十字头本体并用螺帽固定的形式 使十字头轴承工作可靠性降低 已基本不用 后者是用螺栓将活塞杆下端凸缘与十字头连接的形式 十字头滑块 十字头滑板的结构型式主要有 双滑块结构 十字头销的两端套上滑块 并用压板将其定位 特点是 工作比较平稳可靠 有较大的空间便于维修和拆装 因此应用广泛 单滑块结构 只有一块滑块 用螺钉紧固在十字头本体上 特点是 布置较紧凑 受力也较合理 维修和拆装不如双滑块结构方便 现在已很少采用 圆筒形滑块结构 由于筒形导板要布置在连杆摆动平面上 而且前后都有 因而使柴油机其它部件的布置维修和拆装都很不方便 因此 这种结构仅为个别机型使用 十字头轴承 十字头轴承工作分析和提高可靠性措施工作特点 轴承比压大 力大 尺寸受限 难以形成足够的润滑油膜 摆动角速度时大时小 且不断改变方向 使之处于边界润滑状态 单向受力 二冲程机十字头销始终压在轴承下瓦上 受力不均 部件变形 局部受力严重 一般内侧受力较大 易发生故障 提高十字头轴承可靠性措施1 降低轴承比压 扩大承压面 加大轴颈直径 用全支撑式轴承2 使轴承负荷分布均匀 避免局部比压过高 3 保证良好的润滑和冷却 保证油压 合理开设油槽 槽数太多 承压面承载能力下降 太少则布油不均匀 选择合适的间隙 间隙太大 油压不易建立 油膜不易行成 间隙太小热量不易带走 4 采用薄壁轴瓦 疲劳强度高 加工精度高 拆装更换方便 5 提高十字头销颈表面光滑程度 二 连杆 连杆的工作条件和要求 作用 传递力 连接曲轴与活塞或十字头 工作条件 运动复杂 小端做往复运动 大端做回转运动受力复杂 气体力 惯性力 有冲击性轴承摩擦和磨损 要求 耐疲劳 抗冲击 有足够的强度和刚度连杆长度应尽量短连杆轴承工作可靠 寿命长加工容易 拆装维修方便材料 中碳钢 优质碳钢或合金钢 2 连杆的构造 十字头式柴油机连杆 RTA型柴油机连杆的构造 柴油机连杆 筒形活塞式柴油机连杆 W rtsil 38W rtsil 20V形机连杆 RTA型柴油机连杆 小端 大端和杆身组成 小端为薄壁轴瓦 大端直接浇铸厚壁轴瓦 杆身由锻钢制造 船用大端 有压缩比调整垫片 14 两端轴承座与杆身一体制造 两端为薄壁轴瓦 车用大端 14 柴油机连杆 W rtsil 38杆身为合金钢锻制圆截面船用大端小端为阶梯形 W rtsil 20杆身为合金钢锻制工字形截面斜切口 V形机连杆 4 连杆螺栓 工作条件二冲程柴油机 只受到预紧力的作用 压 四冲程柴油机 预紧力和惯性力的作用 拉压 附加弯矩材料 韧性好 强度高的优质碳钢或合金钢结构 柔性结构 采用精细加工螺纹 断面变化处以及螺纹部采用大圆角过渡 必须严格按照说明书规定进行安装预紧力的大小预紧方法预紧次序对连杆螺栓的检查与换新等 安装 三 曲轴 1 曲轴的工作条件和要求 汇集各缸动力输出 带动附属设备 受力复杂 气体力 往复惯性力 离心力 弯矩 扭矩 应力集中严重附加应力很大轴颈磨损 曲轴作用 工作条件 对曲轴的要求 疲劳强度高足够的刚性有足够的承压面积轴颈有良好的耐磨性曲柄的布置要合理 2 曲轴的构造 柴油机曲轴1 自由端 2 轴向减震器活塞 3 单位曲柄 4 推力环 5 功率输出端 曲轴的构造曲轴主要由若干个单位曲柄 自由端和飞轮端以及平衡块组成 如图所示 单位曲柄是曲轴的基本组成部分 由主轴颈 曲柄销和曲柄臂组成 为了平衡曲柄不平衡回转质量产生惯性力 有的还在曲轴上装有平衡重 为了减轻曲轴的重量和减小惯性力 曲柄销和主轴颈一般都采用空心结构 轴颈与曲柄臂相连接的过渡圆角处由于截面急剧 应采用足够大的过渡圆弧 曲轴的结构形式 1 整体式曲轴 锻造 铸造 2 套合 红套 冷套 3 焊接式曲轴 4 分段式曲轴 曲柄的排列 气缸的排号 由自由端排起由动力端排起曲柄的排列原则 1 柴油机的动力输出要均匀二冲程柴油机为360 i 四冲程柴油机为720 i 2 要避免相邻的两个缸连续发火 3 要使柴油机有良好的平衡性 4 要注意发火顺序对轴系扭转振动的影响 1 直列四冲程四缸发动机 曲拐对称布置于同一平面内 相邻作功气缸的曲拐夹角为720 4 180 发动机工作顺序有1 3 4 21 2 4 3 2 直列四冲程六缸发动机 曲拐对称布置于三个平面内 相邻作功气缸的曲拐夹角为720 6 120 发动机工作顺序有1 5 3 6 2 4 1 4 2 6 3 5 1 6 3 4 2 5 1 4 2 6 3 5 3 四行程V型八缸发动机 曲拐对称布置于四个平面内 或1个 相邻作功气缸的曲拐夹角为720 8 90 发动机工作顺序有1 8 4 3 6 5 7 2 3 曲轴的疲劳损坏 疲劳损坏是机件在交变负荷作用下产生裂纹并逐渐扩展 随着裂纹的逐渐发展 截面逐渐减小 最后因截面尺寸不足而发生突然断裂 疲劳损坏的断面特征 渐断区的纹理 波浪线状的 有螺旋线状的 两者兼备 疲劳断面的三个区域初始裂纹区 渐断区 突断区 弯曲疲劳损坏和扭转疲劳损坏的原因 1 弯曲疲劳损坏轴承不均匀磨损引起 多发生长期使用后 2 扭转疲劳损坏过大的附加扭转应力引起 一般是出现在运转初期 四 曲柄连杆机构的故障及管理 十字头滑块和导板 滑块和导板寿命较长 故障较少 白合金偏磨 疲劳碎裂 十字头销