大型船舶柴油機排氣閥自動互研裝置的設計

湯 明，李 臣

（江蘇海事職業技術學院，江蘇南京 211170）

0 引言

大型船舶柴油機排氣閥閥盤和閥座是柴油機燃燒室的一部分。工作時排氣閥閥盤、閥座會受到燃氣高溫、高壓作用；燃燒產物對閥盤、閥座的腐蝕作用；氣閥在關閉時與閥座會產生撞擊和磨損等因素，導致閥的密封面產生變形、麻點、凹坑、燒蝕和剝落等缺陷。為了消除缺陷，保證排氣閥密封性，必須定期對閥盤和閥座進行研磨。

排氣閥的研磨包括機械研磨和互研兩部分。機械研磨是通過磨閥機械分別對閥盤和閥座的密封面進行機械切削加工，以消除閥盤和閥座密封面上明顯的缺陷。機械研磨形成的密封面配合誤差和局部殘留的微小劃痕，必須通過互研予以去除。所謂互研就是在排氣閥密封面上涂敷研磨磨料（研磨砂或研磨膏），通過閥面之間互相撞擊的相對運動，磨料在閥盤與閥座的密封面間不斷滑動和滾動，形成切削運動，去除多余材料，從而提高排氣閥密封面配合精度。目前，排氣閥互研尚無專門自動控制的機械裝置。人工操作既費時又費力。為此，設計了一種自動控制的排氣閥互研裝置，通過自動推動排氣閥閥盤反復撞擊閥座，實現閥盤與閥座的自動互研運動。

1 總體設計思路

排氣閥人工互研是指將閥盤和閥座倒置在工作臺（閥架）上，操作者通過杠桿將閥桿翹起，使閥桿在重力作用下自由下落，閥盤與閥座產生撞擊運動（圖1）?；谌斯せパ械牟僮髟?，設計、研制出一種能夠自動輸出往復運動的裝置，驅動排氣閥閥盤作往復運動，從而實現排氣閥自動互研。它利用控制電路的繼電器控制氣動系統電磁換向閥線圈通斷電，交替改變電磁換向閥的工作位置，進而改變氣動系統執行氣缸的控制空氣通路，實現氣缸循環往復運動。執行氣缸推動排氣閥盤向上運動，回程時靠閥盤重力下落，從而達到設計目的。

2 自動控制電路的設計

2.1 電路控制原理（圖2）

電路采用船舶電源（220 V 或110 V 交流電）直接供電。自動控制電路用到2 只時間繼電器KT1 和KT2，一只中間繼電器KA。中間繼電器控制電磁換向閥F 線圈通斷電：接通電源，電源指示燈L1 亮，將啟停按鈕SB 閉合，運行指示燈L2 亮，KA 得電，其常開觸頭吸合，F線圈得電（閥芯動作），KT1 得電，延時到KT1常閉觸頭斷開KA 電源，F 線圈失電（閥芯復位），KT1 常開觸頭閉合，KT2 得電，延時到KT2 常閉觸頭斷開，KT1 失電，KT1 常閉觸頭閉合，KA 再次接通電源，其常開觸頭閉合，F 線圈再次得電（閥芯動作），如此自動循環往復，直至SB 斷開。

電磁換向閥F 的線圈通斷電周期，由時間繼電器延時時間決定。KT1 控制KA 通電時間（即電磁換向閥F 通電時間），時間繼電器KT2控制KA 失電時間（即電磁換向閥F 失電時間）。

圖1 排氣閥人工互研示意

圖2 控制電路原理圖

2.2 繼電器的選擇

繼電器是電路中的控制元件。繼電器工作電制與船舶電網電制一致，同時還需要考慮下列因素。

（1）中間繼電器觸頭工作電流應大于電磁換向閥線圈的工作電流（電磁換向閥選擇詳見3.3）。

（2）為了提高時間調節的準確性，時間繼電器應選用電子式或數顯式通電延時時間繼電器（延時最小值不大于0.5 s）。

（3）時間繼電器觸頭工作電流應大于中間繼電器和時間繼電器線圈工作電流。

線圈的工作電流，根據繼電器或電磁換向閥銘牌參數，由S=UI 計算得到。其中，S 為線圈的視在功率，VA；U 為線圈電壓，V；I 為線圈工作電流，A。

3 氣動系統的設計

3.1 氣動系統工作原理

氣動系統采用船舶自有的控制空氣（0.7 MPa）作為氣源。系統需要一只電磁換向閥、一只執行氣缸。電磁換向閥控制進入氣缸的控制空氣的通路。氣動系統工作原理如圖3 所示：工作時執行氣缸固定于排氣閥閥桿下面，將閥桿插入閥桿頂頭安裝孔。電磁換向閥F 線圈失電時，換向閥工作于右位氣缸上下腔通大氣，閥盤靠重力落座于閥座上。電磁換向閥線圈得電時，換向閥閥芯動作，閥工作于左位，控制空氣經換向閥進入執行氣缸下腔，氣缸柱塞上移推動排氣閥桿向上運動。電磁換向閥線圈再次失電時，換向閥靠彈簧復位，閥盤重新落座，如此循環往復實現閥盤與閥座互研。

閥盤與閥座的撞擊頻率（互研頻率）由電磁換向電磁閥F 線圈通斷電周期決定。閥盤行程通過執行氣缸下部的調節螺母調節。

圖3 氣動系統原理

3.2 執行氣缸的選擇

氣缸是系統的執行元件。根據排氣閥互研的基本原理和要求，氣缸的選擇應注意下列問題：

（1）選用雙作用、法蘭固定式行程可調氣缸。

（2）氣缸行程選擇（150～200）mm。行程過大，撞擊嚴重，磨料消耗過快；行程過小撞擊太輕，效果下降，研磨時間過長。

（3）根據氣缸的負載（閥桿重量）、工作壓力等因素確定合適的氣缸直徑，以確保氣缸實際輸出力略大于工作負載（即閥桿重量）。氣缸的實際輸出力由式（1）確定。

式中 F——氣缸實際輸出力，kgf

P——氣缸工作壓力，kgf/cm2，本設計取6

D——氣缸直徑，cm

d——氣缸行程調節桿直徑，cm

A——氣缸的負載率，本設計取0.5

根據閥桿重量，推算出氣缸（D2-d2）值，進而選擇合適的氣缸。

3.3 電磁換向閥的選擇

電磁換向閥既是控制電路的執行元件，也是氣動系統的方向控制元件。選擇電磁換向閥應考慮如下因素。

（1）電磁線圈電制應與船舶電網電制一致。

（2）閥體采用直通式兩位四通Y 形或類似結構，確保執行動作迅速及時。

（3）合理選擇閥的流動能力Cv或有效流通面積，其計算公式如下：

式中 D——氣缸直徑，cm

d——氣缸行程調節桿直徑，cm

Vmax——氣缸最大運動速度，mm/s，本設計取200 mm/s（按氣缸最大行程200 mm，每分鐘循環30 次設計）

P0——使用壓力，kgf/cm2，本設計取7

P——氣缸工作壓力 kgf/cm2，本設計取6

△P——閥進出口設計壓差，kgf/cm2

S——閥的有效流通面積，mm2

3.4 配管的選擇

氣動系統連接管通徑，應與氣動元件接口一致。該數據可從氣動元件銘牌上查出。

4 研磨工作臺總體設計

研磨工作臺是固定排氣閥閥殼的框架式支撐結構，同時用來安置電氣控制箱及執行氣缸（圖4）。研磨工作臺臺面上的4只固定螺桿，用于安裝固定倒置在工作臺上的排氣閥閥殼，螺桿的根部套有調節墊片，可調節閥殼的垂直位置。位于工作臺下部的執行氣缸通過固定螺桿固定在工作臺上，氣缸底部安裝有調節墊片用于調節氣缸的垂直位置。電氣控制箱位于工作臺左上，電源開關、啟停按鈕、指示燈、繼電器、電磁換向閥等元件都安裝于控制箱內。電磁換向閥與執行氣缸采用軟管連接。電氣控制箱底部的氣源接口，連接到船舶控制空氣系統。

5 結論

大型船舶柴油機排氣閥自動互研裝置，通過自動控制電路控制氣動系統的電磁換向閥，從而交替改變執行氣缸的氣體通路，使執行氣缸循環推動排氣閥桿，形成閥桿上下循環往復運動，實現排氣閥自動、安全、高效互研，將船員從繁重危險的體力勞動中解脫出來。裝置組成元件少、元件通用性強、制造成本低、操作方便、維護工作量少等優點，具有一定的推廣實用價值。

圖4 研磨工作臺結構