การวิเคราะห์และการแก้ปัญหาการสึกหรอผิดปกติของฝาสูบและบ่าวาล์วไอเสียในเครื่องยนต์ดีเซลทางทะเล

หลังจากผ่านไปประมาณ 60 ชั่วโมงของการบำรุงรักษาและการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลขับเคลื่อนหลักทางทะเลบางประเภทใน W5 พบว่าระยะห่างของวาล์วไอเสียของ 40 กระบอกสูบเกินพิกัดความเผื่อ และบ่าวาล์วไอเสีย 38 ตัวสึก เกินขีดจำกัดการซ่อมฝาสูบ หลังจากเปลี่ยนฝาสูบใหม่ 38 อันและใช้งานประมาณ 60 ชั่วโมง ก็เกิดการสึกหรอบริเวณบ่าวาล์วไอเสียขนาดใหญ่อีกครั้ง และใช้ดีเซลยานยนต์ 0 # สำหรับการทดสอบการนำทางทั้งสองครั้ง จากปรากฏการณ์ความผิดปกติ ให้แสดงรายการแผนผังข้อบกพร่องของการสึกหรอผิดปกติของฝาสูบและบ่าวาล์วไอเสีย และวิเคราะห์และแก้ไขปัญหาจากสามประเด็น ได้แก่ การบำรุงรักษาและการติดตั้ง คุณภาพของส่วนประกอบ และสภาวะการใช้งาน

จากการวิเคราะห์และตัดสินกลไกความผิดปกติ สาเหตุของความผิดปกติคือการใช้น้ำมันดีเซลของรถยนต์ 0 # รายการที่มีปริมาณซัลเฟอร์ต่ำ ซึ่งไม่สามารถสร้างชั้นป้องกันการสึกหรอที่มีประสิทธิภาพ และเร่งการสึกหรอของบ่าวาล์วไอเสีย มีการเสนอวิธีแก้ปัญหาที่สอดคล้องกันสำหรับการสึกหรอที่ผิดปกติของบ่าวาล์วเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งเป็นแนวทางสำหรับการวิเคราะห์ข้อบกพร่องที่คล้ายกันในภายหลัง

ในวันที่ 2019 เมษายน เรือลำหนึ่งได้ดำเนินการซ่อมแซมที่อู่ต่อเรือ เครื่องยนต์ดีเซล MTU956V20 สองเครื่องได้รับการซ่อมแซมและบำรุงรักษาตามมาตรฐานระดับ W5 (แต่ละเครื่องยนต์ทำงานประมาณ 5,800 ชั่วโมงก่อนการซ่อมแซม และในระหว่างการซ่อมแซม มีการเปลี่ยนฝาสูบ 2 อันเนื่องจากบ่าวาล์วไอเสียสึกหรอเกินฝาสูบ ขีดจำกัดการซ่อมแซม) ในเดือนกันยายน หลังจากซ่อมแซมและติดตั้งระดับ W5 เสร็จสิ้น เครื่องยนต์ดีเซลไม่สามารถสตาร์ทได้เมื่อใช้งานประมาณ 60 ชั่วโมง หลังจากการตรวจสอบพบว่าระยะห่างของวาล์ว 40 กระบอกสูบเกินค่าเผื่อ และบ่าวาล์วไอเสีย 38 ตัวสึกเกินขีดจำกัดการซ่อมแซมฝาสูบ หลังจากเปลี่ยนฝาสูบใหม่ 38 ตัวในเดือนพฤศจิกายนและใช้งานไปประมาณ 60 ชั่วโมง ก็พบว่าบ่าวาล์วไอเสียสึกหรอเป็นส่วนใหญ่อีกครั้ง การทดสอบการนำทางทั้งสองใช้ 0 # ยานยนต์ดีเซล หลังจากเปลี่ยนฝาสูบ 9 อันเป็นครั้งที่สอง เรือลำหนึ่งใช้ -10 # ดีเซลในการทดสอบการนำทางและงานต่อ ๆ ไป สลับกับ 0 # ดีเซลยานยนต์ (ส่วนใหญ่เป็นดีเซล 10 #) ณ เดือนธันวาคม 2020 ใช้งานได้ประมาณ 1,000 ชั่วโมง (เวลาทำงานสะสมประมาณ 6,900 ชั่วโมง) โดยไม่มีการสึกหรอหรือความล้มเหลวที่ผิดปกติของฝาสูบและบ่าวาล์วไอเสีย

เมื่อเครื่องยนต์ดีเซลกำลังทำงาน เพลาลูกเบี้ยวจะขับเคลื่อนวาล์วไอเสียให้เปิดตามเวลาวาล์วที่ตั้งไว้ผ่านก้านกระทุ้งและกลไกแขนโยกสำหรับไอเสีย จากนั้นปิดภายใต้การทำงานของสปริงวาล์ว การออกแบบเครื่องยนต์ดีเซล MTU956 เน้นน้ำหนักเบา กำลังสูง และความหนาแน่นต่ำ ไม่มีแหวนบ่าวาล์วโลหะผสมทนความร้อนแบบแข็งฝังอยู่ในบ่าวาล์วไอดีและไอเสียของฝาสูบ บ่าวาล์วและฝาสูบถูกรวมเข้าด้วยกันและทำจากวัสดุเหล็กหล่อ วาล์วไอเสียมีกลไกวาล์วหมุน และวาล์วอากาศจะหมุนภายใต้การทำงานของกลไกวาล์วหมุนทุกครั้งที่เปิด ในระหว่างการทำงาน อุณหภูมิพื้นผิวบ่าวาล์วไอเสียจะอยู่ที่ประมาณ 300-350 องศา เนื่องจากการชะล้างของก๊าซอุณหภูมิสูงและการไหลของอากาศเสียภายในกระบอกสูบ เมื่อวาล์วปิดและเข้าที่แล้ว วาล์วจะกระทบกับพื้นผิววาล์วด้วยความเร็วระดับหนึ่ง เมื่อความเร็วของเครื่องยนต์ดีเซลอยู่ที่ 1450r/min ความเร็วบ่าวาล์วคือ 0.2m/s และแรงกระแทกคือ ​​727 ครั้ง/นาที พื้นผิวของบ่าวาล์วไอเสียอยู่ภายใต้อุณหภูมิสูงและแรงกระแทกจากการสัมผัสสูงระหว่างการทำงาน ส่งผลให้เกิดสภาพการทำงานที่รุนแรง

กระบวนการตรวจสอบและซ่อมแซมในข้อกำหนดกระบวนการซ่อมแซมฝาสูบ MTU 956 สอดคล้องกับคู่มือการบำรุงรักษา MTU V956/1163 TB.2 ข้อมูลส่วนที่ยื่นออกมาของวาล์วอากาศที่ติดตั้งบนบ่าวาล์วโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 4.80~5.10 มม. (ขีดจำกัดมาตรฐานคือ 3.0 มม.) และคุณภาพการติดตั้งใหม่ตรงตามข้อกำหนดของการบำรุงรักษา MTU V956/1163 TB.2 คู่มือ. หลังจากเกิดความผิดปกติครั้งแรก หลังจากเปลี่ยนฝาสูบใหม่ 38 ตัวและใช้งานประมาณ 60 ชั่วโมง ปัญหาการสึกหรอผิดปกติของบ่าวาล์วฝาสูบก็เกิดขึ้นอีกครั้ง ดังนั้นจึงตัดความเป็นไปได้ในการซ่อมแซมที่ไม่เหมาะสมจนทำให้เกิดการทำงานผิดปกติ

การตรวจสอบบันทึกการผลิตและการประกอบผลิตภัณฑ์ การตรวจสอบซ้ำบันทึกการตรวจสอบและการประกอบชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องของเครื่องที่ชำรุด บันทึกต้นฉบับของฝาสูบสำหรับความล้มเหลวครั้งแรก การตรวจสอบขนาดของห้องเก็บน้ำของฝาสูบ ห้องอากาศ และ บ่าวาล์ว และการตรวจสอบความพอดีระหว่างวาล์วไอดีและวาล์วไอเสีย และบ่าวาล์ว ตรวจสอบการปิดผนึกของฝาสูบ ความลึกของบ่าวาล์ว และความสมบูรณ์ของฝาสูบ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณภาพการประกอบของส่วนประกอบตรงตามข้อกำหนดทางเทคนิค

การตรวจสอบประสิทธิภาพของวัสดุวาล์วฝาสูบ หลังจากการทำงานผิดปกติครั้งแรก กระบอกสูบ A1 และ B6 ที่บ่าวาล์วไอเสียสึกหรออย่างรุนแรงถูกดึงออก และมอบหมายให้คณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญด้านการวิเคราะห์ความล้มเหลวของสมาคมวิศวกรรมเครื่องกลแห่งเซี่ยงไฮ้ทำการทดสอบความแข็งบนพื้นผิวการทำงานของวาล์วไอเสียและบ่าวาล์ว รวมถึงงานด้านโลหะวิทยา การทดสอบบนพื้นผิวการทำงานของบ่าวาล์ว หมายเลขวาดวาล์วไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซล MTU956 คือ 580 053 02 05 และความต้องการความแข็งมากกว่าหรือเท่ากับ 280HB (เทียบเท่ากับความแข็งแบบ Rockwell ที่ 29.2HCR โดยมีค่า HB และ HV ใกล้เคียงกัน) ค่าความแข็งของวาล์วไอเสียของกระบอกสูบ A1 และ B6 แสดงในตารางที่ 1 และความแข็งของวาล์วสูงกว่าค่าที่ต้องการมาก แต่ตรงตามข้อกำหนดของเอกสารทางเทคนิคของวาล์ว

เอกสารทางเทคนิคสำหรับฝาสูบเครื่องยนต์ดีเซล MTU956 ต้องใช้เมทริกซ์เพิร์ลไลต์ที่มีปริมาณเพิร์ลไลต์มากกว่า 95% ข้อกำหนดด้านความแข็งคือ 200~260HB (199.5~262.5HV, HB=(HV+10.5)/1.05) ผลลัพธ์ความแข็งของบ่าวาล์วไอเสียของกระบอกสูบ A1 และ B6 แสดงไว้ในตารางที่ 2 ความแข็งที่วัดได้ของบ่าวาล์วไอเสียของกระบอกสูบสูงกว่าข้อกำหนดการออกแบบเล็กน้อย

ผลการวิเคราะห์ของวาล์วไอเสียและบ่าวาล์วที่ออกโดยคณะกรรมการผู้เชี่ยวชาญด้านการวิเคราะห์ความล้มเหลวของ Shanghai Mechanical Engineering Society แสดงให้เห็นว่า: 1) ความแข็งของพื้นผิวการซีล (ที่ระยะห่าง 0.1 มม. จากพื้นผิว) และ การไล่ระดับความแข็งของวาล์วไอเสียค่อนข้างสม่ำเสมอ 2) ไม่มีความแตกต่างที่มีนัยสำคัญในการไล่ระดับความแข็งระหว่างบ่าวาล์วไอเสียและบ่าวาล์วไอดี เนื่องจากมีกราไฟท์อยู่ในเมทริกซ์ ความแข็งที่ทดสอบจึงเกิดความผันผวนซึ่งเป็นเรื่องปกติ 3) โครงสร้างโลหะของพื้นผิวการทำงานของบ่าวาล์วไอเสียและบ่าวาล์วไอดีประกอบด้วยเพิร์ลไลท์ ธาตุเหล็กจำนวนเล็กน้อย และธาตุคาร์บอนจำนวนน้อยมาก ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าความแข็งของวาล์วไอเสียที่อุณหภูมิห้องตรงตามข้อกำหนด และความแข็งของจุดตรวจวัดบนบ่าวาล์วไอเสียนั้นสูงกว่าค่าที่ต้องการเล็กน้อย โครงสร้างโลหะเป็นไปตามข้อกำหนดทางเทคนิค

แรงกระแทกระหว่างวาล์วลมและบ่าวาล์วขึ้นอยู่กับความเร็วการนั่งของวาล์วลม ซึ่งได้รับอิทธิพลจากโปรไฟล์เพลาลูกเบี้ยวของวาล์วไอดีและไอเสีย จากการเปลี่ยนฝาสูบครั้งที่สาม เครื่องยนต์ดีเซลทำงานได้ประมาณ 1,000 ชั่วโมงโดยไม่มีความผิดปกติใดๆ และการสึกหรอที่ผิดปกติของบ่าวาล์วไอเสียก็หมดไป ดังนั้นความเป็นไปได้ของการสึกหรอผิดปกติของบ่าวาล์วฝาสูบที่เกิดจากกลไกการส่งกำลังของวาล์วและเพลาลูกเบี้ยวจึงถูกตัดออกโดยทั่วไป

ในการบำรุงรักษา W5 โรงงานได้ตรวจสอบกลไกวาล์วหมุนฝาสูบและพบว่าทำงานได้ตามปกติ หลังจากการทำงานผิดพลาดครั้งแรก มีการเปลี่ยนส่วนประกอบฝาสูบใหม่ 38 ชิ้น แต่ปัญหาการสึกหรอของฝาสูบจำนวนมากยังคงเกิดขึ้นในระยะสั้น ดังนั้นจึงตัดความเป็นไปได้ที่กลไกวาล์วหมุนที่ทำให้เกิดความผิดปกติออกไป

ในระหว่างการตรวจสอบสภาพการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลตั้งแต่การบำรุงรักษาจนถึงการทำงานผิดปกติครั้งแรกของ W5 และจากการเปลี่ยนฝาสูบใหม่ไปจนถึงการทำงานผิดพลาดครั้งที่สอง ไม่พบการสึกหรอของฝาสูบที่ผิดปกติ และไม่มีการสึกหรอผิดปกติของกระบอกสูบอย่างกว้างขวาง ส่วนหัวเกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน W5 ก่อนการบำรุงรักษาและหลังจากการทำงานผิดพลาดครั้งที่สองถูกแทนที่ด้วยดีเซล -10 การตัดสินขั้นพื้นฐานคือสภาพการทำงานจะส่งผลต่อการสึกหรอของบ่าวาล์ว แต่ไม่ใช่สาเหตุโดยตรงของการทำงานผิดพลาดนี้ เครื่องยนต์ดีเซล MTU956 ได้รับการออกแบบให้มีปั๊มหล่อลื่นในท่อไอดีซึ่งสามารถหล่อลื่นวาล์วไอดีได้ การตรวจสอบว่าปั้มน้ำมันทำงานอย่างถูกต้องและไม่มีการสึกหรอผิดปกติบนบ่าวาล์วไอดี จะช่วยขจัดปัญหาคุณภาพการหล่อลื่นได้ เรือลำนี้ใช้น้ำมันดีเซลสำหรับยานยนต์ 0 # เป็นเชื้อเพลิงหลังการบำรุงรักษา W5 และไม่ได้ใช้สารเติมแต่งใดๆ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของ GB19147-2013 อย่างไรก็ตาม ปริมาณกำมะถันต่ำเกินไป (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 10 มก./กก.) ซึ่งไม่ตรงตามข้อกำหนดทางเทคนิคของ MTU

มอบหมายให้ Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences ทำการวิเคราะห์สารเติมแต่ง LUBRIZLO ®ADX766M สารเติมแต่งดีเซลเป็นส่วนผสมของเกลือโพแทสเซียมและตัวทำละลาย โดยมีสารที่เป็นของแข็งคือโพแทสเซียม docetate และตัวทำละลายเป็นน้ำมันตัวทำละลายที่มีไขมันไฮโดรคาร์บอน 200 # . มอบหมายให้ Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences ดำเนินการลักษณะ SEM และการวิเคราะห์องค์ประกอบ EDS บนพื้นผิวการปิดผนึกของวาล์วไอเสีย และเลือกวาล์วไอเสียภายใต้เงื่อนไขสี่ประการสำหรับการตรวจสอบ การสังเกต SEM และการวิเคราะห์องค์ประกอบของวาล์วไอเสียและพื้นผิวซีลบ่าวาล์วไอเสียที่ชำรุด เผยให้เห็นว่าพื้นผิวของพื้นผิวซีลวาล์วไอเสียนั้นหยาบ โดยมีการยึดติดกับสารตั้งต้นของฝาสูบ พื้นผิวซีลบ่าวาล์วฝาสูบเรียบ ในขณะที่ซับสเตรตเหล็กหล่อแสดงการไหลของพลาสติกและการฉีกขาดของกาว วาล์วไอเสียไม่มีการสึกหรอ และส่วนที่สึกหรอผิดปกติคือฝาสูบและบ่าวาล์วไอเสีย ฝาสูบของเครื่องยนต์ดีเซล 956 ทำจากเหล็กหล่อโลหะผสมพิเศษซึ่งมีความทนทานต่อการสึกหรอต่ำ ในกรณีที่ไม่มีการป้องกันมาส์กหน้าบนพื้นผิว ความเค้นสัมผัสที่เกิดจากการสัมผัสโลหะโดยตรงจะทำให้เมทริกซ์และการสึกหรอหลุดลอกอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน เนื่องจากความแตกต่างของความแข็งระหว่างวาล์วลมและบ่าวาล์วไม่สมเหตุสมผล ความแข็งสูงของวาล์วลมทำให้การสึกหรอรุนแรงยิ่งขึ้น จากผลการทดสอบข้างต้น ส่วนประกอบหลักของชั้นป้องกันการสึกหรอบนพื้นผิวการปิดผนึกของโครงร่างทั้งสี่คือคาร์บอนอสัณฐาน หลังการเผาไหม้ อนุภาคขนาดใหญ่จะสร้างชั้นป้องกันการสึกหรอบนพื้นผิวบ่าวาล์วเพื่อแยกพื้นผิวการซีลของวาล์วไอเสียและบ่าวาล์ว ด้วยการหลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงระหว่างพื้นผิวซีลและลดการสึกหรอของกาว การสึกหรอจึงลดลง

ตามการอ้างอิงการรักษาบ่าวาล์ว - การทบทวนข้อมูลที่มีอยู่โดยอิสระโดย Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd. รวมกับความล้มเหลวในการสึกหรอของบ่าวาล์วก่อนหน้านี้และกลไกการก่อตัวของการมาส์กหน้าบนพื้นผิว จะเห็นได้ว่า พอกหน้าพื้นผิวของพื้นผิวปิดผนึกเป็นของฟิล์มการบริโภคแบบไดนามิก ภายใต้สภาพการทำงานต่ำ อัตราการก่อตัวของมาส์กหน้าบนพื้นผิวจะมากกว่าอัตราการกำจัด และความสามารถในการป้องกันของกลุ่มวาล์วไอเสียจะแข็งแกร่งขึ้น ภายใต้สภาวะการทำงานที่สูง อัตราการก่อตัวจะน้อยกว่าอัตราการถอด และความสามารถในการปกป้องบ่าวาล์วไอเสียจะค่อยๆลดลง สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเรือจึงไม่ทำงานผิดปกติเป็นเวลาหลายพันชั่วโมงก่อนการบำรุงรักษาเครื่องยนต์ดีเซล W5 แต่พบปัญหาการทำงานผิดพลาดซ้ำๆ อย่างรวดเร็วใน 60 ชั่วโมงหลังการซ่อมแซม เนื่องจากการใช้เชื้อเพลิงและสารเติมแต่งที่มีกำมะถันสูงในช่วงการทดสอบของโรงงานในช่วงแรก และการใช้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถันสูงในระหว่างการเดินทางทดลอง ซึ่งสร้างฟิล์มป้องกันที่เข้มงวดมากขึ้นเพื่อปกป้องบ่าวาล์ว

ตามสถานะการใช้งานในอดีตของเครื่องยนต์ดีเซล 956 สองเครื่อง ใช้งานกับดีเซล -10 # เครื่องที่เติมสารป้องกันการสึกหรอเป็นเชื้อเพลิงเป็นเวลาประมาณ 50 ชั่วโมงในระหว่างขั้นตอนการทดสอบของโรงงานที่ Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd. ก่อนที่จะล่องเรือไปซานย่า พวกเขาใช้น้ำมัน -10 # ดีเซลเป็นเวลาประมาณ 100 ชั่วโมง เมื่อรวมกับผลการวิเคราะห์พบว่ามีฟิล์มป้องกันพื้นผิวหนาแน่นเกิดขึ้นบนพื้นผิวปิดผนึกบ่าวาล์วไอเสียก่อนที่จะใช้ดีเซลรถยนต์ 0 # ในซานย่า ดังนั้นจึงไม่มีการสึกหรอที่ผิดปกติเกิดขึ้นระหว่างการเดินทางประมาณ 5,000 ชั่วโมงในซานย่า ในระหว่างการบำรุงรักษา W5 วาล์วไอเสียและบ่าวาล์วได้รับการซ่อมแซม ส่งผลให้ต้องถอดหน้ากากพื้นผิวด้านบนออก หลังการบำรุงรักษา มีการใช้ดีเซลรถยนต์ที่มีกำมะถันต่ำ 0 # ในการทำงาน และไม่มีการสร้างมาสก์หน้าบนพื้นผิว ซึ่งทำให้บ่าวาล์วที่ตามมาสึกหรออย่างผิดปกติ

จากการวิเคราะห์สาเหตุของความผิดปกติและสถานการณ์ปัจจุบันของการใช้เครื่องยนต์ดีเซลประเภทนี้ ได้มีการเสนอมาตรการที่แนะนำดังต่อไปนี้: มีความจำเป็นต้องตรวจสอบว่าดีเซลมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดของปริมาณกำมะถันมากกว่า 500 มก./กก. หรือไม่ ก่อนใช้งาน ด้วยการติดตั้งอุปกรณ์จัดเก็บสารเพิ่มคุณภาพป้องกันการสึกหรอและอุปกรณ์เติมในห้องเครื่องยนต์ดีเซล ทำให้สามารถเติมสารเติมแต่งลงในถังน้ำมันเชื้อเพลิงรายวันได้โดยอัตโนมัติ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดในการขับขี่เครื่องยนต์ดีเซล จากมุมมองของการแก้ปัญหาการสึกหรอของบ่าวาล์วในระยะยาวอย่างละเอียดจำเป็นต้องปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของบ่าวาล์วไอเสียของฝาสูบ โดยทั่วไปหัวถังจะใช้บ่าวาล์วแบบซ้อนกันเพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและอายุการใช้งานของวาล์วและบ่าวาล์ว ขอแนะนำให้สถาบันวิจัยเครื่องยนต์ดีเซลในประเทศหรือผู้ผลิตเครื่องยนต์ดีเซลดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับแผนการปรับเปลี่ยนฝาสูบ การพัฒนาและผลิตฝาสูบใหม่ให้เสร็จสมบูรณ์ และแผนการออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงของฝาสูบนั้นมีการใช้งานที่สมบูรณ์ และความเสี่ยงทางเทคนิคของ การออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงสามารถควบคุมได้