關于某型柴油機水拉管使用管理經驗淺析

孫虎

摘要：活塞是柴油機運轉的重要結構，對于大型低速二沖程柴油機來說，由于活塞所受的熱負荷和熱應力較大，需要特別關注活塞冷卻機構工作情況。本文通過介紹某型主機柴油機活塞冷卻水拉管結構，梳理分析了活塞冷卻水拉管容易遇到的管理難點，并針對性提出了相應措施，為活塞冷卻水拉管的使用管理提供了一定的經驗借鑒。

Abstract： Piston is an important structure of diesel engine. For large low-speed diesel engine， due to the large thermal load and stress on the piston， special attention should be paid to the working condition of the piston cooling mechanism. By introducing the piston cooling water pipe structure of the diesel， the management difficulty of the piston cooling water pipe is analyzd and the corresponding measure is raised， which providing the experience for the management of the piston cooling water pipe.

關鍵詞：活塞;水拉管;液擊;漏泄

Key words： piston;water pipe;liquid strike;leakage

0? 引言

活塞作為柴油機中主要傳動和承載部件，性能的好壞將直接影響柴油機的可靠性和使用壽命[1]，由于其既要承受較高的熱負荷，又要承受較高的燃氣壓力，即機械負荷，需要能在高溫高負荷下正常工作[2]，這要求活塞要有良好的冷卻條件。保證活塞冷卻機構的有效運行，是關系整個柴油機的重要管理內容。尤其是對于低速大型二沖程主機柴油機來說，其活塞所受的熱應力大，若柴油機活塞的熱負荷過高，散熱不當更易出現活塞燒蝕、熱裂、機油結焦甚至拉缸等問題[3]。大型柴油機的活塞冷卻系統通常采用油冷與水冷兩種，當活塞頂面積過大，當潤滑油達不到冷卻要求后，常采用水冷卻系統。

1? 該型柴油機水拉管結構及工作原理

該型主機柴油機型號為MAN K9Z60//105E，活塞冷卻系統為水拉管式，采用淡水冷卻。冷卻水從裝在發動機上的一個分配總管經過空氣室流到每個活塞，它通過套管機構和活塞桿中的孔道進入和排出活塞冷卻空間。冷卻水腔為內外夾層式套管，冷卻水經內管對活塞頂噴射冷卻后，沿外管流至水拉管出水管，最后經機體排出，達到活塞冷卻目的。

套管支架用螺釘旋在十字頭上，在它的端部有兩個套管。冷卻水的進入管和排出管連接在活塞桿上，它們各和一個套管相連通。兩個套管插入空氣室中，上部用填料箱來密封。空氣室設在機架的凹腔中。在進水空氣室上裝有止回閥，用來調節從空氣泵輸入的空氣。

水拉管在下機體冷卻水腔上下抽動時，高速壓縮撞擊冷卻水，由于液體的不可壓縮性，撞擊產生的沖擊壓力會作用在活塞頂上，嚴重時會撞裂活塞，造成重大機械事故。為了減弱由于套管往復運動所引起的，亦即由于水柱的加速和減速所引起的壓力波動，在空氣室中需要有一個氣墊。它由專用的空氣穩壓泵實現，裝設在柴油機的自由端，由曲軸驅動。穩壓泵連續把少量的壓縮空氣輸入空氣室，空氣通過一個可調整的止回閥進入進水空氣室的上部。當水拉管快速下行，便會壓縮系統中氣墊，對系統及活塞起到較好的保護作用。

2? 活塞冷卻水拉管管理難點

在實際使用管理中，水拉管由于其結構設置及工作環境，需要重點關注兩個方面。

2.1 水拉管液擊

冷卻水自下機體冷卻腔與水拉管相連，水拉管在十字頭軸承上下運動帶動下，將冷卻水輸送至活塞桿冷卻水腔。若水拉管冷卻水腔供氣中斷，氣墊消失，造成水拉管下行時容易形成液擊。如2016年，主機在145rpm高速運行時，右主機突然發出嚴重金屬敲擊聲，聽音判斷聲源為第八缸水拉管伸縮部位，為確保主機運行安全，不發生惡性機械事故，值班人員果斷停車。

因穩壓泵同時向九缸活塞冷卻水腔供氣，如一缸發生液擊現象，共性氣源故障可能性不大，即穩壓泵故障可能性極小，經檢查，機器穩壓泵工作狀態無異常。隨后停車拆卸檢查水拉管相應附件，發現調節供氣的單向閥因長時間工作，閥芯凸肩磨平，卡死在閥座內，造成冷卻水腔供氣管堵塞，無法形成氣墊，造成液擊。其中，該單向閥的功用主要是：當水拉管下行時，冷卻水腔壓力會瞬間高于穩壓泵供氣壓力，為防止冷卻水倒流至穩壓泵，在供氣管與水腔連接處增設了單向閥，較好地解決了冷卻水倒流問題。但如該閥卡死或堵塞，則可能影響冷卻水腔氣墊的正常形成。

判斷故障原因后，通過將閥芯重新加工裝復，柴油機高速運行，水拉管冷卻腔內壓變化正常，右主機水拉管液擊現象消除。

2.2 水拉管漏水

活塞在氣缸內進行往復直線運動，接入活塞的冷卻水管需隨活塞運動而上下伸縮，故冷卻系統設水拉管供水裝置，該裝置因設置于機體內腔，由于供水結構受柴油機結構及填料函運行影響，很容易發生大量冷卻水漏泄現象，這將直接影響柴油機冷卻效果，甚至污染柴油機潤滑油質量，影響柴油機的正常運行。通過實踐總結，發現造成水拉管大量漏水的主要因素有：

2.2.1 水拉管不可消除的導板間隙

因水拉管必須在跟隨活塞上下往復運動中實現連接循環冷卻水的要求，水拉管被安裝在柴油機十字頭軸承的外殼上，跟隨十字頭軸承及活塞做同步運動，故十字頭軸承上下運動的導板間隙也就等同于水拉管與管套密封的最小間隙，且這個間隙不可消除，需要柴油機在進廠修理等時機調整好導板間隙。

2.2.2 水拉管及拉管托架變形

該型主機水拉管因其活塞行程達105厘米，水拉管設置長度達150厘米。水拉管在高速往復運動過程中不斷承受往復壓縮的沖擊，很容易產生水拉管本身及托架彎曲形變。形變到一定值后，彎曲或傾斜的水拉管便會過度擠壓密封填料，造成填料及密封環異常磨損。這需要及時檢查測量水拉管彎曲度，如2010年，該型柴油機某缸水拉管漏水嚴重，經拆卸測量發現徑向跳動量為0.3mm，屬于規定中徑向跳動量大于0.2mm應校直或換新，外徑圓度偏差大于0.1mm應換新的要求，后經換新水拉管后漏水量明顯降低。

2.2.3 水拉管密封消耗性的磨損

活塞冷卻機構填料箱用于插入空氣室的套管密封，由上下兩部分組成，上部主要用密封環形成對曲軸箱的密封，下部主要用密封填料形成對空氣室的密封，兩部分填料都裝在機架的凹底中。具體結構如圖1，在外殼的上部分（9）中，有兩個三段合成的密封環（13）和一個三段合成的潤滑環（17）。它們都由裝在環外周凹槽中的拉伸彈簧（15）壓緊，并活動的裝在套環（14）中。套環用壓緊環（18）固定在外殼的上部分中。在外殼的下部分（7）中有一個裝在套環（19）中的帽形密封套（12）、墊圈（20）以及裝在導套（22）中的填料（21）。填料是由一個壓緊墊圈、一個壓緊環、三個唇狀密封圈和一個推力環組成。它們的高度，在安裝好后應當被壓縮1.0到1.5毫米。在密封環磨損間隙過大及填料擠壓磨損變形量萎縮后，導致水拉管與填料函的間隙超標引起漏泄。要定期觀察有無滑油或水從套管中流出，以此判斷活塞冷卻機構填料函的作用是否良好。若有滑油流出，表明填料箱對曲軸箱空間的密封遭到破壞。若有水流出，則表明密封填料對空氣室空間密封遭破壞。

3? 幾點思考

①工作中要經常探摸水拉管冷卻腔外壁，有明顯脈動沖擊時，要加強觀察該缸冷卻水腔壓力變化情況，及早處置，防止故障進一步擴大。②柴油機運行管理中，發現水拉管液擊且不能短時消除，必須立即停車，防止液擊造成重大機械事故。③要經常檢查水拉管冷卻腔水壓變化情況，發現異常跳動升高后，應拆檢系統單向閥。④在更換水拉管或對水拉管進行彎曲度、垂直度修正后，先低速運轉1h，停車檢查套管磨合情況。運轉時從觀察孔查看漏水情況以及用紅外測溫儀檢測套管溫度。初期磨合時允許觀察孔有輕微漏水現象，如漏水量較大，可適當調整填料壓帽，注意不要過緊。試驗結束，打開導門，檢查套管磨合情況，不允許有拉毛現象、并檢查套管機內部位的漏水情況，不允許有明顯水跡。⑤柴油機運行中，經常傾聽有無異常的摩擦聲，要定期對套管密封處注油，延長其使用壽命。

4? 結語

活塞冷卻機構是大型低速二沖程柴油機的重要附屬機件，其工作成效直接關系著柴油機運轉效果。作為管理人員，在柴油機使用管理中，必須要及時關注活塞冷卻水拉管工作情況，尤其是檢查有無異常響聲、大量漏泄等情況，及時予以排除水拉管液擊、水拉管變形、填料函失效等故障，保障柴油機的正常運轉。

參考文獻：

[1]潘志剛.某船用低速柴油機活塞性能研究[D].江蘇：江蘇科技大學，2015.

[2]馬春燕.柴油機活塞的有限元分析[D].河北：河北工業大學，2014.

[3]陳浩瀚.船用柴油機活塞冷卻油腔振蕩傳熱特性分析[D].北京：北京理工大學，2016.