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柴油發(fā)電機(jī)的機(jī)油預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)原理和故障案例 |
摘要：康明斯公司在本文中針對(duì)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)的預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低缺陷，分析柴油發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑 油系統(tǒng)設(shè)置、工作原理，找出了導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低缺陷的根本原因；通過(guò)對(duì)損壞部件進(jìn) 行更換升級(jí)，消除了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低故障，確保了柴油發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的條件之一是機(jī)油壓力需達(dá)到特定的數(shù)值才可以啟動(dòng)，潤(rùn)滑油系統(tǒng)必須保證潤(rùn)滑油的可靠供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的ecu中設(shè)置有保護(hù)功能，在主油道潤(rùn)滑油壓力低于150kpa以下時(shí)無(wú)法啟動(dòng)。柴油發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)之前，需要機(jī)油預(yù)潤(rùn)滑的時(shí)間，傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)是通過(guò)直流預(yù)供油泵進(jìn)行預(yù)供油，在平常不啟動(dòng)時(shí)，直流預(yù)供油泵不進(jìn)行供給，而在實(shí)際開機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要較長(zhǎng)的預(yù)潤(rùn)滑時(shí)間；對(duì)于康明斯系列的柴油發(fā)電機(jī)預(yù)啟動(dòng)時(shí)間為60s，數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的柴油發(fā)電機(jī)組要求15s快速啟機(jī)帶載，無(wú)法滿足該項(xiàng)指標(biāo)。
一、預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理
當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)熱備用時(shí)，預(yù)潤(rùn)滑油泵從油底殼中抽出潤(rùn)滑油，其中一部分潤(rùn)滑油通過(guò)一個(gè)過(guò)濾器送至 調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一部分潤(rùn)滑油進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑 油循環(huán)系統(tǒng)。柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后 （轉(zhuǎn)速達(dá)到 350 r/min）， 預(yù)潤(rùn)滑油泵停運(yùn)，改由柴油發(fā)電機(jī)自身的機(jī)帶泵供油。 當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)停運(yùn)時(shí) （轉(zhuǎn)速降至 90 r/min），預(yù)潤(rùn)滑油泵自動(dòng)啟動(dòng)，向柴油發(fā)電機(jī)本體內(nèi)部供潤(rùn)滑油。預(yù)潤(rùn)滑油泵入口及出口管道均設(shè)置有一道止回閥，防止在柴油發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行 （此時(shí)預(yù)潤(rùn)滑油泵停運(yùn) ） 時(shí)，機(jī)帶泵產(chǎn)生的高壓將預(yù)潤(rùn)滑油泵進(jìn)出口管道內(nèi)的潤(rùn)滑油反壓回油底殼。預(yù)潤(rùn)滑回路如圖 1 所示。預(yù)潤(rùn)滑回路壓力傳感器 150MP 位于柴油發(fā)電機(jī)本 體預(yù)潤(rùn)滑回路上，由于存在管阻損失，正常顯示的壓力為 0.5— 1.5 bar （根據(jù)潤(rùn)滑油溫度變化）；若壓力低于 0.5 bar，則會(huì)產(chǎn)生壓力低報(bào)警。
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預(yù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)原理圖 |
二、預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)的分類
柴油發(fā)電機(jī)都具有滑油循環(huán)系統(tǒng)，包括由自己的動(dòng)力帶動(dòng)的潤(rùn)滑油泵、管路、過(guò)渡器和冷卻器等。在運(yùn)行時(shí)，能自行建立一定的滑油壓力，保證自身的滑油循環(huán)，使各主要潤(rùn)滑部位都有良好的潤(rùn)滑；停機(jī)后，滑油系統(tǒng)也停止工作。因此，經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，應(yīng)有啟動(dòng)前的預(yù)潤(rùn)滑程序，確保在啟動(dòng)時(shí)，各相互接觸的運(yùn)動(dòng)部件有必要的滑油，避免發(fā)生干摩擦。自動(dòng)控制預(yù)潤(rùn)滑有周期性自動(dòng)潤(rùn)滑和一次性注入式預(yù)潤(rùn)滑兩種方式。
1、周期性自動(dòng)預(yù)潤(rùn)滑
周期性自動(dòng)預(yù)潤(rùn)滑是在柴油發(fā)電機(jī)滑泵之外，另設(shè)一電動(dòng)油泵，作為柴油發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)動(dòng)力源。該電動(dòng)油泵，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)后，就開始工作，保證每隔一定時(shí)間（例如4h）接通電源泵油工作一段時(shí)間（如10min），周期性地實(shí)現(xiàn)預(yù)潤(rùn)滑，以待隨時(shí)啟動(dòng)。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行后，自動(dòng)預(yù)潤(rùn)滑油泵的控制電源立即斷開，由柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)潤(rùn)滑。
2、一次性注入式潤(rùn)滑
一次性注入式潤(rùn)滑是在柴油發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中，接入一個(gè)柱塞式滑油泵，其中儲(chǔ)滿滑油，當(dāng)機(jī)器接到啟動(dòng)指令時(shí)，壓縮空氣先作用到柱塞式油泵，推動(dòng)活塞，將其中所儲(chǔ)滑油，通過(guò)滑油管系，注入到機(jī)器需要潤(rùn)滑的各部位，然后才開始啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)燃油的控制。柴油發(fā)電機(jī)的噴油量是由調(diào)速器和控制手柄控制的。啟動(dòng)時(shí)，調(diào)速油機(jī)將運(yùn)行在高于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速上，稱為點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，以尚未正常工作，這時(shí)的燃油量可用手枘來(lái)限制。
在自動(dòng)電站中，通常是將各臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的冷卻淡水管系連成一個(gè)整體，運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的冷卻水（約65℃）也循環(huán)于備用機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，使備用發(fā)電機(jī)組處于預(yù)熱狀況，當(dāng)備用發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)成功后，可以較快地加速（甚至無(wú)需暖缸）直到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這對(duì)于增強(qiáng)自動(dòng)電站功能，保證供電連續(xù)性、可靠性是很有幫助的。
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預(yù)潤(rùn)滑油泵結(jié)構(gòu)圖（周期性自動(dòng)循環(huán)） |
三、預(yù)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障案例
1、故障現(xiàn)象
某數(shù)據(jù)中心3，4號(hào)發(fā)電機(jī)組自商運(yùn)后，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)多次執(zhí)行柴油發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束，柴油發(fā)電機(jī)停運(yùn)，預(yù)潤(rùn)滑油泵153PO啟動(dòng)后，多次發(fā)生預(yù)潤(rùn)滑回路油壓低報(bào)警，主控觸發(fā)柴油發(fā)電機(jī)機(jī)械故障報(bào)警，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)不可用，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生第1組IO。現(xiàn)場(chǎng)在PLC上檢查柴油發(fā)電機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵出口壓力傳感器150MP，顯示只有0.1—0.2 bar（1 bar=0.1 MPa，低于0.5 bar報(bào)警），且該壓力值無(wú)上升趨勢(shì)；而正常情況下，此時(shí)的壓力應(yīng)該在0.8 bar左右。3，4號(hào)發(fā)電機(jī)組應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低缺陷頻發(fā)，嚴(yán)重影響了應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的可靠性，也對(duì)發(fā)電機(jī)組反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，亟需找到造成該缺陷的原因，并制定相應(yīng)的糾正措施。
2、故障原因分析和確認(rèn)
（1）在排除了一些系統(tǒng)方面的原因后，將故障點(diǎn)定位到泵體上安裝的泄壓閥上。若預(yù)潤(rùn)滑油泵出口泄壓閥密封不嚴(yán)或回座不好，當(dāng)預(yù)潤(rùn)滑油泵啟動(dòng)后，泵出口的潤(rùn)滑油通過(guò)泵體泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤(rùn)滑油進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)本體，導(dǎo)致壓力傳感器150MP顯示壓力低。泵體泄壓閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
（2）對(duì)發(fā)生缺陷的泵進(jìn)行解體檢查，檢查齒輪情況良好，無(wú)明顯的磨損現(xiàn)象。泄壓閥閥芯及閥座密封面良好，彈簧彈性無(wú)明顯變化；若閥門正?；刈螅粫?huì)出現(xiàn)內(nèi)漏的情況。
（3）在將閥芯導(dǎo)向桿從導(dǎo)向套中取出的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有明顯的卡澀現(xiàn)象，閥芯導(dǎo)向桿很難從導(dǎo)向套中拔出；且將彈簧壓縮后，閥芯導(dǎo)向桿很難恢復(fù)到正常位置。檢查發(fā)現(xiàn)，閥芯導(dǎo)向桿表面有明顯的磨痕（見圖4左）。解體另一臺(tái)同樣運(yùn)行了1個(gè)循環(huán)周期但未發(fā)生過(guò)壓力低缺陷的泵，也在閥芯導(dǎo)向桿同樣的位置發(fā)現(xiàn)了磨痕；但磨損程度較輕，彈簧壓下后，閥芯導(dǎo)向桿能回到正常位置。檢查新備件的情況，閥芯導(dǎo)向桿上并無(wú)磨痕存在（圖5），且閥芯導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套之間動(dòng)作靈活，無(wú)卡澀現(xiàn)象。
（4）通過(guò)觀察安裝在泵本體上的出口壓力表可知，在柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)結(jié)束停運(yùn)瞬間，預(yù)潤(rùn)滑油泵出口的壓力最高達(dá)到8.5 bar，超過(guò)了泄壓閥的開啟壓力（5.5 bar）。所以當(dāng)每次執(zhí)行柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)后，已開啟的泄壓閥由于閥芯導(dǎo)向桿磨損卡澀而不能正?；刈?，導(dǎo)致油泵出口的大部分潤(rùn)滑油通過(guò)泄壓閥回流至泵入口，只有少量的潤(rùn)滑油進(jìn)入了柴油發(fā)電機(jī)本體， 造成了預(yù)潤(rùn)滑油泵出口壓力低故障。
（5） 根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷，在每次柴油發(fā)電機(jī)低 負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)潤(rùn)滑油泵泄壓閥都會(huì)動(dòng)作。 為確認(rèn)導(dǎo)致閥芯導(dǎo)向桿磨損的根本原因，模擬柴油 機(jī)預(yù)潤(rùn)滑油泵的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置，制作了試驗(yàn)裝置。將某數(shù)據(jù)中心大修期間柴油發(fā)電機(jī)檢修時(shí)更換下來(lái)的 舊潤(rùn)滑油作為傳輸介質(zhì)，啟泵后多次手動(dòng)關(guān)閉出口 止回閥 160VH，人為迫使泵出口超壓泄壓閥動(dòng)作。 試驗(yàn)結(jié)束后檢查泄壓閥閥芯導(dǎo)向桿，未發(fā)現(xiàn)磨損的 痕跡 。泄壓閥頻繁動(dòng)作導(dǎo)致磨損的可能性被排除。
（6） 在將閥芯導(dǎo)向桿從導(dǎo)向套中拔出檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向桿表面附著有少量磨損產(chǎn)生的金屬屑， 卡在導(dǎo)向桿和導(dǎo)向套之間，造成閥芯卡澀，閥門動(dòng) 作后無(wú)法正?；刈?。
（7） 根據(jù)導(dǎo)向桿上 2 個(gè)磨損點(diǎn)的位置，結(jié)合閥 芯的結(jié)構(gòu)形式 。查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析 了導(dǎo)致磨損的根本原因。
由于導(dǎo)向桿和導(dǎo) 向套之間的間隙很小 （約 0.1 mm）, 受彈簧力影響，2 個(gè)部件之間有 2 個(gè)位 置始終緊密接觸，且預(yù)潤(rùn)滑油泵常年運(yùn)轉(zhuǎn)，受振動(dòng) 影響，接觸面上會(huì)發(fā)生微動(dòng)磨損。
微動(dòng)是指機(jī)械零部件中緊密配合的接觸表面在 機(jī)械振動(dòng)等交變載荷作用下產(chǎn)生微米量級(jí)振幅的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)磨損是指承受局部接觸載荷或固定作用力的接觸副因外界振動(dòng)引起的微小相對(duì)移動(dòng)而使接觸表面產(chǎn)生的磨損。磨損產(chǎn)生的金屬屑仍附著在導(dǎo)向桿表面，卡在導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套之間，無(wú)法排出。在柴油發(fā)電機(jī)停運(yùn)的瞬間，泵出口壓力高于泄壓閥開啟壓力，泄壓閥動(dòng)作后，由于導(dǎo)向桿卡澀，且此時(shí)泵出口壓力較大，抵消了部分彈簧力，導(dǎo)致閥芯無(wú)法正?；刈?，一直卡在一個(gè)小開度狀態(tài)。大部分的潤(rùn)滑油通過(guò)泄壓閥回流至泵入口，致使柴油發(fā)電機(jī)停運(yùn)后出現(xiàn)預(yù)潤(rùn)滑油泵壓力低缺陷。
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預(yù)潤(rùn)滑油泵閥芯結(jié)構(gòu)圖 |
3、處理方法
經(jīng)過(guò)分析、試驗(yàn)并與柴油發(fā)電機(jī)廠家反復(fù)溝通，制定了如下處理方案。由于泄壓閥閥芯上的插接結(jié)構(gòu)始終存在磨損卡澀的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合閥芯密封面結(jié)構(gòu)為錐形、自帶導(dǎo)向作用，并參考其他廠家的齒輪泵結(jié)構(gòu)，提出了閥芯的改進(jìn)方案——取消閥芯上的插接結(jié)構(gòu)，將彈簧直接套在導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套上。將改進(jìn)后的閥芯安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，啟泵后多次手動(dòng)關(guān)閉預(yù)潤(rùn)滑油泵出口止回閥，迫使泄壓閥多次動(dòng)作，運(yùn)行均正常。
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