【船机帮】SULZER主机排气阀顶升机构及凸轮移位故障研究

导读

作为世界知名品牌的船舶主推进动力装置 ，SULZERRTA大型低速二冲程船用柴油机获得了广泛地应用。

该类型柴油机的排气阀顶升机构具有工作可靠、维护保养简便的特点。

但在一些机龄较长的机器上，由于管理不到位或疏于保养 ，该机型同样易引发主机运行故障。

本文将针对该机型主机排气阀顶升机构的故障进行研究，并提出相关管理建议，以供参考。

一、主机排气阀顶升机构故障案例

2012年3月4日至5月16日，某轮在营运过程中先后发生了6次主机排气阀顶升机构磨损、滚轮变形故障，最后两次还发生了气阀凸轮移位导致排气定时改变的严重事故。

该轮SULZER5RTA58型主机基本资料为：

缸径580mm，冲程2000mm，直流扫气，发火顺序为 1-3-5-2-4，额定转速为127r／min，配有轴带发电机。

以下将介绍这6次故障的现象及处理措施。

第一次故障发生在2012年3月4日航行中。

主机十字头双联滤器换洗频繁，系统油中出现大量金属磨料，短时问内主机滑油压力下 降至 0.2MPa(正常为0.23—0.3MPa)并低压报警。

停车后发现主机第4缸排气凸轮箱道门处冒烟，道门高温，打开道门进一步检查发现其排气阀顶升机构滚轮及衬套严重磨损。

处理措施：

在未确认故障原因的情况下，将顶升机构组件更换一备用 旧件装复，检查并清吹顶升机构油道 ，检查供油量正常 ，对主机曲拐箱等进行详细检查后恢复正常航行。

第二次故障发生在 5月5日靠天津港时。

检查发现主机系统油中含有铜质磨料，工人拆检主机第 4缸排气阀滚轮，衬套外表面磨损量约0.3mm深，滚轮及销轴尚好。

处理措施：

衬套更换一旧件，其他各部件原样装复。

此后进行靠离港操作，主机正常慢车运转约5个小时未见异常。

第三次故障发生在5月10日离天津港约 3个小时后。

主机第4缸凸轮箱道门高温，停车拆检其气阀顶升机构，发现滚轮、衬套及销轴磨损。

处理措施：

滚轮、衬套及销轴换用供船的国产新件，装 复后检查油道及供油情况正常，23:50恢复航行，航行后每隔10-15分钟对第4缸顶升机构道门温度进行跟踪检查。

第四次故障发生在5月11日03:02，距上次共正常航行近 3.5小时。

出现主机第4缸凸轮箱道 门高温现象，停航拆检，发现气阀顶升机构滚轮及衬套磨损。

处理措施：

找了一只旧的滚轮及衬套，因衬套有微变形，将衬套紧配安装于销轴上，衬套由全浮动改为仅外表面与滚轮之间半浮动形式，装复后检查供油情况正常，11:20恢复航行，航行后每隔10-15分钟跟踪检查该缸顶升机构温升等情况 。

第五次故障发生在11日13:40。

三管轮发现主机第4缸凸轮箱道门处冒烟，主机有异响，立即停机检查并进行拆检该缸气阀项升机构，滚轮受高温作用，表面烧黑，滚轮与凸轮表面粘熔。

处理措施：

滚轮 、衬套及挡圈均换用旧件，测量配合间隙，其中衬套与销轴0.05mm(正常为0.03-0.07mm)，滚轮与衬套0.07mm(正常为 0.06—0.10mm)，凸轮表面油石打磨处理，装复并检查供油情况均正常后，19:00动车恢复航行。

航行后即发现主机第4缸不发火，19:40停车检查供油系统及气缸 、气阀启闭情况未见异常；22:00主机第4缸单缸停油运行，主机转速约83r/min时测量第4缸压缩压力 0.10MPa，其它缸爆发压力 0.35MPa，加速至102r／min时测量第4缸压缩压力为0.14MPa，其它缸爆发压力0.45MPa，初步认为第4缸因压缩压力低而不发火。

用百分表粗略测量1—5缸排气阀启阀定时分别为(ATCD)：NO.1：37°，NO.2：34°，NO.3：27°，NO.4：81°，NO.5：29°，主机转速至约 93r／min时分别测量3、4两缸纯压缩压力分别为：0.40bar，14bar，综合各缸气阀定时及 3、4两缸压缩压力比较，基本上确定第4缸气阀凸轮移位，气阀定时错乱，气阀滞后开启及关闭，减小了压缩行程，从而影响压缩压力。

处理措施：

15日晚，工人上船对主机第4缸气阀凸轮定时作进一步检查并调整，用定时刻度盘比较测量3、4缸气阀定时为：NO.3：-5°，NO.4：+47°，确定主机第4缸气阀定时较第3缸滞后52°，将第4缸气阀凸轮调整复位，调整后各气阀定时为：

NO.1：+1°，NO.2：0°，NO.3：-5°，NO.4：-5°，NO.5：-5°。

16日00：30-01：30主机试运转1小时，第4缸恢复正常。

第六次故障发生在16日13：30起锚续航时。

19：00发现主机第3缸气阀凸轮箱道门高温，各缸排温不均，增压器伴有轻度喘振，主机转速 自动下降；

19：10全船跳电，停主机 ，对第3缸气阀顶升机构拆检，衬套及滚轮磨损，滚轮受高温作用，表面烧黑，滚轮与凸轮表面粘熔 ，对第3缸气 阀定时检查发现，凸轮定时滞后约130°，并轴向向前移动约2mm。

处理措施：

顶升机构组件更换供船翻新件，船方自制调整凸轮的液压工具接头 ，对主机第3缸气 阀凸轮调整至正常位置(-4°)，17日07：15动车起锚，恢复航行，至此主机工作恢复正常。

二、该轮主机排气阀

顶升机构故障机理分析

第一次故障前，即3月4日之前即发现主机系统油油质不好，轻度乳化，润滑条件变差导致 1.5缸凸轮及滚轮表面均有不同程度的拉痕，系统油中出现大量金属磨料，滑油压力下降至报警值以下，导致滚轮磨损，第4缸首先发生故障；

由于故障的原因未找到即更换备件投入运行，导致两个月后第二次故障的出现；

同样的修理方法引发了第三次、第四次故障的出现，但故障间隔明显缩短，也为第五次故障埋下了隐患；

第四次的尝试性修理直接导致了第五次更严重的故障；

对第五次故障维修不当使故障迁移至第三缸，引发第六次故障。

从上述故障发生及解决过程中不难看出，同样的故障反复出现，并且呈加重趋势，轮机员的管理责任是比较明显的，具体体现 为：

对该类型故障的检修只是停留在更换备件上，而对其根本原因未予深究；平时疏于保养，未能对先期预兆予以足够重视；检修经验不足，急于进行尝试性修理而未充分估计后果。

(1)供船备件的配合间隙及材质问题是导致磨损故障的直接原因。

笔者对该故障的检修过程进行仔细的比对分析发现，5月5日更换的滚轮、衬套及销轴是供船的新件，其配合间隙偏小，用手转动阻力较大。

而5月10日当时船上还有一套新滚轮备件组，因担心配合间隙及材质等有问题 ，便找了一套旧衬套、销轴及滚轮。

因衬套椭圆不能自由装配于销轴，便将全浮动改为了衬套外表面与滚轮之间的半浮动形式，进行尝试性装复使用。

而结果表明，虽然改半浮动不影响衬套外表面油的供给，但大大提高了衬套外表面与滚轮之间的相对运动速度，再加上与滚轮的配合面达不到原设计要求，从而再一次造成了磨损事故。

(2)排气凸轮项升机构因磨损改变了工作部件受力工况，虽经检修但未好转是引发故障的深层次原因。

5月10日至5月16日，主机排气凸轮顶升机构先后共发生4次故障，前面3次均发生在第 4缸，最后一次(5月16日)，当3、4缸驱动油泵及顶升机构对调安装后，磨损故障即转移到第3缸。

当晚在拆检第3缸排气阀顶升机构时，同时拆检了驱动油泵，驱动油泵活塞、环及缸壁均良好，无拉痕或卡阻现象，排除了驱动油泵卡阻导致滚轮外力变大的原因。

由此可见，故障的根源在于顶升机构本身。

进一步检查发现，第4缸排气 阀滚轮与凸轮在轴向不对中，滚轮向后偏约5mm以上，滚轮一边约5mm不能与凸轮接触，使滚轮与凸轮的压力集中偏于前部；

再从几次换下的销轴磨损情况看，基本上都是一端磨损严重，也可以反应出滚轮与凸轮应力分布不均的问题 ，具体如图1所示。

(3)部件制造工艺差，工况恶劣，检修时安装达不到设计要求是故障发生的根本原因。

从5月11日换下的滚轮外表情况可以看出，滚轮表面比较光洁，颜色未发黑，可见滚轮受热程度并不严重，如图2所示。

5月16日拆检换下的滚轮因受热程度很高，表面烧黑，与凸轮发生粘熔,如图3所示。

比较可知,该故障的几次连续发生，其发热、磨损规律呈加重趋势。

受热传导及系统油的冷却作用，通常凸轮上的温度会得到有效的控制，但如果滚轮发生卡阻时，滚轮与凸轮由滚动摩擦变为滑动摩擦，凸轮的温度会大大升高，凸轮温度单纯受这样的高温作用一般情况应不足以使凸轮发生移位(此凸轮是通过800kg的液压力涨开内加衬套，紧配于凸轮轴上)。

在5月16日拆检中，详细检查了顶升本体，发现本体定位销槽两边磨出较深台阶，如图4所示。

由此推测:

顶升本体在缸体内发生周向偏转，定位销与销槽有磨损和卡阻，顶升机构上升时大大增加了滚轮附加于凸轮上压力，当凸轮温度升高到一定程度，综合受滚轮压力增大的影响促使凸轮向倒车方向发生周向移位。

顶升机构视图如图5所示，顶杆“1”下方有一推力块“2”，然后用固定环“3”及螺丝固定，顶杆“1”与推力块之间应保持一定的间隙。

这样,正常运转中顶杆除上下运动外还可以自由转动，一方面可以补偿顶杆端部如果有偏磨可能会发生的轻微周向转动;另一方面顶杆自由转动，也有利于顶杆端部的均匀磨损，而第4缸顶升机构的顶杆与下方推力块处于紧配状态，顶杆不能自由转动。

解体供船的翻新件顶升组件及第4缸换下的顶升机构之固定环尺寸如图6所示。

左侧固定环高度尺寸(48.5/38)为供船的翻新件，右侧固定环尺寸(37.5/48)为第4缸换下件，由于第4缸换下件固定环高度偏小0.5mm,使得装配后顶杆与推力块之间成紧配状态，不能自由转动，从而不能补偿顶杆因磨损不均发生微小的周向转动。

5月15日,工人调节第4缸气阀凸轮后，对凸轮表面进一步进行油石打磨，打磨后，红油检查滚轮与轮接触面积，滚轮与凸轮接触明显不均(要求应达到95%以上)。

由此可见，第4缸排气阀滚轮的工作条件较差，当发生磨损时,顶杆的轻微转动得不到补偿会引起本体周向偏转，使定位销压向销槽的某一侧而发生销与销槽卡阻。

滚轮与凸轮轴向接触应力分配不均，引起滚轮端磨损严重并呈定的圆锥度，发生轻度的与凸轮轨道跑偏，同时也会产生一定量的轴向分力，一方面易造成定位销与销槽卡阻，引起滚轮与凸轮的压力及摩擦力增大，另一方面使滚轮与凸轮的轴向应力分布不均，在运转中也会产生一定量的轴向分力，最终引起5月16日凸轮不仅周向滞后移位，也发生了一定量的轴向移位。 

正是由于前四次对故障发生原因的认识不够，故障解决不彻底，才导致了第五次、第六次凸轮移位的严重事故。

三、排气阀顶升机构管理的思考

(1)把握供油不足导致迅速磨损，温度短时间快速升高的故障规律。

在几次拆装后的运转过程中，发现滚轮磨损加剧往往在短时间内迅速发生，在几次恢复航行后，对滚轮及凸轮箱道门温度进行每隔10-15分钟跟踪测量检查，前几小时内，道门温度无明显变化，而每次都是在短短的时间内发现道门温度快速升高。

如因配合间隙不当、配合面不良或油中磨料等因素，磨损产生的少量铜屑，基本可以被系统油带走，因此3月4日第4缸气阀滚轮检修后一直运转了两个多月时间，至5月5日第二次拆检中，只是衬套存在一定量的磨损，

而滚轮及销轴尚好，即说明这一点。 

在项升机构上升和下降过程中,受凸轮顶升力及弹簧压力作用，滚轮、衬套及销轴始终是处于单侧受力状态，旦磨损至一定程度， 磨下的铜屑会逐渐堆积在布油槽周围，当布油槽堵塞，供油量严重不足后，即会发生迅速磨损，甚至卡阻现象，温度短时间内也会快速升高。

(2)强化备件验收环节，安装达到设计要求可有效防止故障发生。

滚轮本身工作条件比较差，设计要求也比较高，不仅其表面要满足一定的硬度、光洁度，还要保证两者接触面积达到95%以上，一方面其各部件的配合间隙应保证处于正常范围，另一方面材料本身的热膨胀系数要满足要求。

(3)提高管理水平，加强平时预防保养是杜绝此类故障的关键。

通过对该故障的解决可见，要保证滚轮与凸轮的可靠运转，除部件本身要达到设计标准，还要保证油道畅通，滑油的可靠供给。

主机运行中轮机员一旦发现某缸油量偏小，润滑不良，要及早查出原因，避免油道不畅，检查1-5缸各滚轮与凸轮表面均有不同程度的轻度拉痕及磨痕,这是系统油含有磨料的结果,油含水乳化，油受污染，长期下来,容易造成油道不畅的问题。

在平时的常规保养中,要细心检查各缸油量的供给情况,注意喷嘴是否不畅或堵塞,检查滚轮与凸轮接触情况,加强系统油的分离,提高系统油质。

滑油滤器保证可靠过滤,清洗滤器时多注意滤器的污染情况，如发现有金属磨料，根据磨料的性质,初步判断磨损的部位,尽早查出并消除污染源。

在拆装检修中，要仔细检查各部件的磨损情况,分析磨损的原因并予以消除,测量各配合间隙,保证在说明书要求的范围之内，必要时更换备件。

四、结束语

从上述故障的发生及处理过程可知,设备的磨损、粘熔等故障有其自身的规律,轮机员必须在遵循规律的基础上开展检修工作。

该故障发生、发展并引发更严重的后果告诉我们,只有建立健全预防保养制度,提高管理水平和检修技能才能从根本上减少此类故障的发生。

END