注油器内漏的原因分析及处理

注油器内漏的原因分析及处理

该集装箱船的船体为jm-b。w12k98ec-c，等效旋转104rmin，精确产量6820kg。日本三角帆公司生产，采用自动电子离心分离器系统。该轮出厂营运即发现,气缸油耗量计算值低于实测值,差值有时达15%。检查气缸内发现气缸油量稍偏多,检查气缸油系统未见外漏,拆检和测量注油器及其附带的蓄压器都正常,确认不是注油器零、部件损坏和油压波动造成的。故障持续两年多,且另四条姐妹船也有同样情况,为便于统计气缸油实际耗量,公司甚至给五条姐妹船的气缸油日用柜进、回油管分别装备了流量计。实测值,经数月的小时耗量、日耗量、累计耗量统计比较,后来又有流量计计数,不会有错。肯定是计算值错误,又一直不知错在哪里。后又经过一个多月反复分析气缸油日耗量的计算、反复检查注油器及其系统、反复试验等,才发现注油泵出口阀(单向阀)设定压力过低,部分气缸油在注油泵加压前已漏入气缸(本文简称为“内漏”),而这部分油不在耗油量理论计算范围内。现简介注油器系统,从分析耗油量计算入手,讨论“内漏”及其产生原因、影响因素和处理方法,请指教。1注油器的工作过程每个气缸配有两只气缸油电子注油器(下简称注油器,见图1)。每只注油器五支注油柱塞泵,一只驱动活塞,一只电磁阀,五个注油管及其注油枪,还有供、回油系统(下简称供油系统)。(1)注油柱塞泵(图1仅显示一只,在右上部)誗功能是从吸油腔(压力1.5bar,由气缸油回油管路上的单向背压阀和蓄压器保持)吸入气缸油,加压后经出口单向阀(开启压力2bar)去主机气缸上的注油枪(开启压力1.8bar左右)。誗由驱动活塞上方的弹簧底盘带动。泵油行程,起点是柱塞上行至封住泵油腔吸油口,终点是柱塞上行最高点,始、终点间距离就是柱塞的有效行程。柱塞上行最高点指驱动活塞导杆碰到调节螺丝底部,改变套装在调节螺丝上的定距垫圈可改变驱动活塞行程亦即改变柱塞行程。(2)驱动活塞誗功能是驱动5只注油柱塞泵。誗受电磁阀控制。誗靠供油系统提供的40～50bar气缸油推动上行,靠复位弹簧复位。誗靠改变套装在调节螺丝上的定距垫圈改变驱动活塞行程,统一调节该注油器5只注油柱塞泵的注油量(该调节螺丝出厂时已调定,使用中最好不调动)。誗由“驱动活塞动作反馈探头”监测并反馈至控制器,包括驱动活塞动作持续时间(指从电磁阀得电到“驱动活塞动作反馈探头”探测到驱动活塞完成注油的时间,正常情况小于45ms)和动作次数(即注油柱塞泵冲程数),控制器人机界面显示动作延迟时间以及动作次数累计。(3)电磁阀电磁阀得电时瞬间触发,即动作时间极短。誗功能是控制驱动活塞动作———控制驱动活塞动作时机以保证注油定时精准;控制每只缸的电磁阀动作频率(单位时间注油次数总和)以保证符合各缸设定的注油量。誗由控制器控制,左位工作时动力气缸油驱动驱动活塞上行喷射气缸油,右位工作时动力气缸油回油并从一支路补充进入吸油腔。(4)供油系统(原理图见图2,只显示一个缸的一只注油器,其它注油器与之并联)泵站供给40-50bar的高压气缸油,分别送到每个注油器进油口(“气缸油进”),为减少压力波动,在每只注油器前供油管路上装有一只蓄压器,预充氮气压力25-30bar。去驱动活塞一路作为注油动力;“气缸油出”一路,回油至泵站小油柜,靠出口背压阀和一只蓄压器(每个注油器一个,预充氮气压力1.5～2.0bar)保持压力1.5bar;向上支路供注油泵注入气缸。控制器系统,控制注油器电磁阀,保证注油器按注油定时和设定注油量注油,与本文讨论的故障关系不大,不详细介绍,图2也未显示。注油工作过程,从图2可知,由供油系统泵站提供的40-50bar气缸油送到各注油器“气缸油进”待命:誗当电磁阀被触发(通过电磁阀控制的滑阀)时充当驱动活塞上行的动力;驱动活塞上行带动五只喷射柱塞上行,压缩事先进入柱塞泵油腔的气缸油冲开上部的单向阀,由注油管系经注油枪喷射入气缸,完成一次注油。与此同时,“驱动活塞动作反馈探头”检测驱动活塞动作次数并反馈给控制器,因此控制器可显示注油器每冲程五只喷射柱塞泵所泵气缸油体积总和的设定值。誗当电磁阀失电复位后,驱动活塞靠复位弹簧下行,驱动活塞下面的“动力油”经电磁阀的滑阀进入“吸油腔”以补充此处滑油的短缺;多余的气缸油从“气缸油出”经回油管路回到供油系统泵站的油柜。与此同时,驱动活塞带动五只喷射柱塞下行泵油腔因出口是单向阀而被拉真空;当柱塞下行到打开泵油腔吸油口时,“吸油腔”内的气缸油,在泵油腔真空和“吸油腔”压力(1.5bar)共同作用下,迅速进入泵油腔,为下次注油做准备。2注油器测试结果通常,船舶每天计算气缸油日耗量,以核实实际测量数据。计算日耗油量,使用下式:日耗油量=日冲程总数×每冲程注油体积×容积效率此公式,大多数船舶长期使用,实践证明正确。该轮气缸油耗量计算值低于实测值,需分析计算日耗油量公式的三个因素。(1)日冲程数从控制器人机界面查阅控制系统根据驱动活塞动作反馈统计,且人工计数验证,确认无误。(2)容积效率η厂家推荐0.97。考虑注油器部件磨损导致内漏以及气缸油温度偏高等原因,实际容积效率应低于0.97。计算时容积效率仍取0.97,计算的耗油量应大于而不可能小于实际耗油量,不可能是计算错误的原因。(3)每冲程的注油体积“每冲程注油体积”,等于喷射柱塞的作用面积与其行程的乘积。喷射柱塞,解体注油器未见损伤,测量柱塞直径确认与厂家给的数值相同,作用面积没有改变。注油泵柱塞行程:如前述,“‘调节螺丝’上套有定距垫圈,改变定距垫圈的高度可改变喷射柱塞行程”,但该轮从未调节该定距垫圈,解体注油器亦未见定距垫圈损伤,可知注油泵柱塞行程没有改变。说明书给出“注油器每冲程的注油体积”2.24cm3。为了证实,拆解测量计算验证,喷射柱塞直径0.7cm,行程1.2cm,单只喷射柱塞一次注油体积π·D2·H·η=0.448cm3;每个注油器(五只喷射柱塞)每冲程注油2.24cm3,与说明书的数据一致,证明不是注油器硬件损坏和调整不当导致气缸油耗量计算值低于实测值。3注油器的“内部泄漏”3.1注油器原因分析(1)主机停车时,松开一只柱塞注油泵出口单向阀上方接头,注油背压是大气压,沿程阻力只有柱塞注油泵出口单向阀的设定开启压力2.0bar,手动操纵注油电磁阀,观察注油情况时发现:誗手动快速打开电磁阀(见图1的“得电动作”),柱塞注油泵出口单向阀上方接头有油喷出(为便于叙述,称为“喷油”),测得喷油量0.448cm3(同设定值),同时伴有注油器敲击声(驱动活塞顶端敲击“调节螺丝”下端)。誗手动快速释放电磁阀(见图2的“失电复位”),注油器又一次有油流出(为便于叙述,称其为“内漏”),测得漏油量约2cm3(远超过理论值0.448cm3),同样伴有注油器敲击声(驱动活塞撞击其下的注油器本体)。(2)考虑到手动推动电磁阀不够快可能产生其他影响,为比较主机实际运转与主机停车时手动试验的情况,主机低速运行时,松开一只柱塞注油泵出口单向阀上方接头,注油背压和沿程阻力同上项,也有“喷油”和“内漏”,证实主机运行时也有“内漏”,也证实了手动推动电磁阀不够快没有产生其他影响。(3)为了解注油枪(有单向阀)的影响,主机吊缸检修时,手动操纵注油电磁阀,从缸套内观察注油情况(注油背压是大气压,沿程阻力包括柱塞注油泵出口单向阀的设定开启压力2.0bar和注油枪设定开启压力1.8bar),发现:誗手动快速打开电磁阀,“喷油”,注油量估计接近理论的0.448cm3,同时伴有注油器敲击声。誗手动快速释放电磁阀(复位),“内漏”,呈流入状(而不是“喷油”的喷射状),注油量远少于主机停车时试验的2cm3,可见“内漏”的压力很小,受注油枪的背压影响很大,同时伴有注油器敲击声。分析以上试验可知,“内漏”的特点有二:誗流量,流程阻力和/或背压越高,流量越低。誗同时伴有注油器敲击声。“驱动活塞”撞击其下的注油器本体,证明“内漏”发生在驱动活塞下行末期。统计数据也证实,主机扫气压力越高,理论计算与实测的气缸油耗量偏差比值越小,见表1。“内漏”不仅增加气缸油消耗,还会引发结碳加剧磨损等不良后果,必须消除。3.2注油量过多的表现分析“内漏”现象可知,气缸油注油系统没有外漏,气缸内有气缸油注油量过多的迹象,高出计算值的气缸油肯定进入了气缸气缸油进入气缸,必须具备液体流动的三个条件———有液体,有流道(无中断),足够的压力差。“内漏”也是液体流动,同样必须满足这三个条件。3.2.1液体收集本例是气缸油,充足。3.2.2注油管-注油枪“内漏”的起点是注油器内部,终点是注油枪出口。“内漏”的流道只能是注油器-注油管-注油枪。注油管和注油枪没有外漏。流道的形成,从图1推测,电磁阀复位(右位工作)后,“驱动活塞”失去驱动力下行至最低点,带动注油泵柱塞也下行至最低点打开“泵油腔吸油口”,气缸油得以进入泵油腔以及排出通道。3.2.3注油器回油时注油点位置的动力源分析即起点压力大于流道的各种阻力与出口背压之和。流道有两处可能中断,一是柱塞注油泵出口单向阀(设定开启压力2.0bar),一是注油枪出口单向阀(设定压力1.8bar)。不中断的条件是油液压力足够。足够的压力差比较复杂,试逐一分析。“内漏”的出口,在气缸内注油孔处,压力随活塞行程变化。主机运转时,柱塞注油泵出口单向阀和注油枪的设定开启压力不变,背压(出油口的环境压力)就是扫气压力。理由是,内漏”时第一道活塞环肯定在注油孔以上:誗“内漏”在“喷油”之后。而“喷油”的时机(注油定时)是活塞上行(压缩)第一道活塞环到达注油孔时,“喷油”之后第一道活塞环必然已上行越过注油点。誗“内漏”时,第一道活塞环仍在注油点以上,还来不及下行达到注油点。因为:前面谈到过“‘驱动活塞’动作延迟时间(指从电磁阀得电到“驱动活塞动作反馈探头”探测到驱动活塞完成注油的时间,正常情况小于45ms)”。而主机活塞,上行经注油点(“喷油”)后,需再上行约700mm(实测数据)才到达上止点,然后再下行700mm才能再次到达注油点。即使主机以额定转速104r/min运转,这一段行程也需170ms,所以“内漏”时第一道活塞环仍在注油点以上。实际观察,比对“内漏”与“驱动活塞动作反馈”的二极管闪烁间隔,也证实“内漏”发生在“驱动活塞”和油泵柱塞位于下止点附近。驱动活塞动作反馈的原理是,驱动活塞对着反馈探头的外圆面有两道槽(“上槽”和“下槽”):注油器不泵油时,“上槽”对着反馈探头,此时“驱动活塞动作反馈探头”的状态二极管暗;注油器泵油即驱动活塞上行,驱动活塞两槽之间的柱面对着反馈探头,状态二极管亮;注油器继续上行泵油,“下槽”对着探头,状态二极管暗;注油器泵油再上行到上止点(驱动活塞到达顶点),“下槽”以下的圆柱面对着探头,状态二极管亮(从电磁阀得电到这个时刻,也就是前面说的驱动活塞“动作持续时间”,不大于45ms)。驱动活塞下行,也有同样的过程。所以,注油器每泵一次油,反馈二极管的状态是暗—亮—暗—亮—暗—亮—暗,即每一次注油(往返)就闪烁三次。注油器每一冲程的“内漏”都发生在状态二极管第三次亮之后,也就是“驱动活塞”和油泵柱塞位于下止点附近。“内漏”都发生在驱动活塞和油泵柱塞位于下止点附近,也就是油泵柱塞已打开油泵腔吸油口,气缸油得以进入泵油腔以及排出通道,只要这时油压高于流程阻力,就会产出“内漏”。(2)流程阻力流程阻力很简单,只有柱塞泵出口单向止回阀设定开启压力(2.0bar)、注油枪设定开启压力(1.8bar)、注油管阻力等三部分,且注油管阻力很小可忽略。(3)起点(注油器内部)压力当电磁阀复位(右位工作)后,“驱动活塞”下行至最低点,注油器内油液大部分流向回油管路,小部分流向吸油腔和注油泵腔。理论上,液体不可压缩,体积不变时压力可以瞬时变化。电磁阀复位,若驱动活塞不动,驱动活塞下方油压能够瞬间等于注油器回油压力1.5bar。但实际情况并非如此。电磁阀复位,驱动活塞受复位弹簧弹力作用下行相当一个油泵,注油器内部容积变小。而容积变化有一个过程,所导致的压力变化,不同于体积不变的压力瞬时变化,相应有一个动态的过程,即,注油器内油压是逐步降低的,“驱动活塞”到达下止点之前和之后的很短时间内,注油器内油压高于回油压力1.5bar而且可能高出较多,但船上无法测量和计算具体压力和时间长短。实践是检验真理的唯一标准。无论注油器内油压多高和持续时间长短,存在“内漏”本身就表明注油器内压力大于流程阻力与主机扫气压力之和(忽略注油管阻力)。况且,形成“内漏”所需的注油器内油压并不高,只要高于出口单向止回阀的设定开启压力2.0bar、注油枪的设定开启压力1.8bar、主机扫气压力(正常最大)2.5bar等(忽略流动阻力)三项之和(2.0+1.8+2.5=6.3bar),原在驱动活塞下方的气缸油(部分)就会进入气缸,形成“内漏”。还有一个有力的实证。该型号电子注油器是一款老型号产品的改进型,而使用老型号电子注油器从不存在耗油量实测值大于计算值的现象。经比较,这两种型号产品的最大区别是注油泵出口阀设定的开启压力,老型号是25bar,而现使用的型号是2.0bar,少了23bar。顺便提及,驱动活塞复位弹簧的弹性过大也易产生“内漏”,但经比对,新老产品的复位弹簧相同。这也足以解释“内漏”的两个特点。(1)流量,流程阻力和/或背压越高,流量越低誗主机停车时手动快速释放电磁阀,拆开的柱塞注油泵出口单向阀上方接头处,背压是大气压,沿程阻力只有柱塞注油泵出口单向阀的设定开启压力2.0bar,测得注油量约2cm3;主机低速运行时,拆开的柱塞注油泵出口单向阀上方接头处,背压和沿程阻力同上项,测得的注油量也较多。誗主机吊缸检修时,从缸套内观察,注油背压是大气压,沿程阻力包括柱塞注油泵出口单向阀的设定开启压力2.0bar和注油枪设定开启压力1.8bar