1 前言
柴油机的燃烧过程质量直接影响柴油机的动力性、经济性、可靠性、排放特性以及起动性能等一系列性能指标。高压油泵在燃烧过程中起到了关键性的作用，它工作状态的好坏直接影响到柴油机的稳定运行与否。该型发电柴油机使用的高压油泵是柱塞式，齿条为悬挂式。近年来，连续发生因高压油泵问题导致柴油机无法正常使用，严重影响到船舶的正常电力保障。
2 故障机理分析
在发电柴油机使用过程中，发现发电柴油机机组负荷分配不均，电网功率波动较大，极易出现跳电的危险，如图1所示。
图1 发电柴油机发电功率曲线图
通过对该型发电柴油机进一步检查分析，发现发电柴油机的高压柴油泵中齿条与齿圈磨损严重，造成齿条出现卡滞现象，使得发电柴油机调速器失衡，最终导致发电功率波动较大，如图2所示。
图2 齿圈齿条磨损情况
进一步分析齿条和齿圈磨损原因，发现由于机组运行会产生振动，高压柴油泵外部的传动机构在带动高压柴油泵内部齿条工作的同时施加给齿条一个扭矩，这一扭矩最终导致齿条与齿圈的偏磨，使其啮合间隙逐渐变大，如图3所示。当啮合间隙超过一定限值时齿条就会出现位置上的偏差，在负荷变化需要增减载时就会产生卡阻现象。
图3 传动机构施加给齿条的扭矩
为验证故障分析的准确性，在机组运行时通过施加一定的外力（用手将磨损的齿条向上扶），用于消除齿条上的异常扭矩，得到的发电柴油机发电功率曲线如图5所示。图5中较为平稳的两段曲线对应着人工干预时刻，因此可以进一步确定齿条上的异常扭矩为故障源。
图5 人工干预时发电柴油机发电功率曲线图
将磨损的齿条和齿圈换新后，重新对机组进行了试验，发现机组恢复稳定运行，如图6所示。
图6 齿条齿圈换新后发电柴油机发电功率曲线图
通过上述分析及试验验证，最终确定故障源为高压柴油泵外部的传动机构施加给齿条的一个扭矩。这一扭矩导致齿条和齿圈磨损严重，出现齿条卡滞现象，使得发电柴油机调速器失衡，最终导致发电功率异常波动。
3 高压柴油泵改造方案设计
通过上述分析得到故障源为齿条上的异常扭矩，因此要设计出一种方案能够减少齿条上的异常扭矩，达到减少齿圈齿条磨损、延长设备使用寿命和增强设备运行稳定性的效果。同时该设计方案应便于加工、安装与调试。
通过分析高压柴油泵的结构和受力情况以及参考相关文献，确定在齿条下方安装调节支架来平衡其扭矩。该调节支架应具备以下功能：（1）保证齿条的灵活运动，与齿条的接触面摩擦要尽量小。此功能可通过接触面处加装宽体滚动轴承来实现。（2）具有可调节性，适应不同状态的高压油泵。此功能可通过调节螺钉改变调节器内部弹簧的预紧力来实现。（3）在不破坏原有高压油泵本体结构的情况下，安装方便。此功能可利用高压油泵底座的紧固螺栓来实现。
该调节支架结构设计如图7所示，包括底座6，底座6的中部矩形的通孔，底座6中部的通孔处采用间隙配合插装有横截面为矩形的支杆5，支杆5的顶端与托块2的底端固定相连，托块2上端面的中部设有通槽，通槽内设有连杆滚珠轴承1，连杆滚珠轴承1套装在连杆滚珠轴承轴3上，连杆滚珠轴承轴3的左右二端分别安装在托块2上；支杆5底端的中部与拉杆8的顶端固定相连，拉杆8在调整垫板9下方的杆段上通过螺纹连接安装有调整螺母10，调整垫板9的上方位于拉杆8的左右二侧分别设有下压力弹簧7，每个下压力弹簧7分别沿竖直方向设置，每个下压力弹簧7的底端分别顶在调整垫板9的上表面上，每个下压力弹簧7的顶端分别顶在底座6的下表面上；底座6的上方位于支杆5的左右二侧分别设有上压力弹簧4，每个上压力弹簧4分别沿竖直方向设置，每个上压力弹簧4的底端分别顶在底座6的上表面上，每个上压力弹簧4的顶端分别顶在托块2的下表面上。
调整螺母10用于调节连杆滚珠轴承1的高度，使得连杆滚珠轴承1的顶端能够贴在高压柴油泵外部传动机构中的连杆上，对高压柴油泵外部传动机构中的连杆施加运动约束，以此来消除此扭矩，减缓齿条齿圈磨损。
图7 调节支架结构图
在发电柴油机工作过程中，底座6固定不动，支杆5、拉杆8、调整垫板9和调整螺母10可以上下运动，连杆滚珠轴承1在上压力弹簧4、下压力弹簧7的顶升作用下顶在连杆的下部，从而对前后运动的连杆施加垂直向上的作用力，以消除连杆对齿条的额外扭矩，避免出现发电柴油机游车现象，保证发电柴油机正常工作。连杆滚珠轴承1同时还能转动，以减少连杆前后运动时的摩擦阻力。
该调节支架采用弹性连接的设计方案，能够在不影响外部传动机构对齿条作用力的正常传递的情况下，对发电柴油机的高压柴油泵内部齿条的异常扭矩进行有效消除，支杆5横截面为矩形，以及底座6的中部沿竖直方向设有矩形的通孔，能够有效约束支杆5，防止其发生旋转，而调整螺母10的设置能够有效提高本实用新型的安装调节灵活性，其整个设计结构简单，易于加工，成本低。
该调节支架在使用时，连杆滚珠轴承1从下方顶住连杆16，当连杆16沿着前后方向运动时，滚动的连杆滚珠轴承1可让连杆16与连杆滚珠轴承1之间的摩擦阻力最小化，而连杆滚珠轴承1在上压力弹簧4、下压力弹簧7的顶升作用下顶在连杆的下部，可对前后运动的连杆16施加垂直向上的作用力，以消除连杆16经由前转轴销17传递到齿条21的额外扭矩，减少齿条21、齿圈22的磨损，对于已经出现齿条21、齿圈22磨损的高压柴油泵23，则可阻止齿条21的异常扭动和齿圈22的不正常转动，进而可减小或避免发电柴油机发电功率异常波动。安装示意图如图8所示。
图8 调节支架安装示意图
4 高压柴油泵改造方案实现
按照设计方案将调整支架加工完毕并安装到发电柴油机高压柴油泵上，如图9所示。
图9 调节支架安装示意图
安装完毕后对发电柴油机机组进行了实车试验，机组的发电功率曲线如图10所示，相比于图1发电柴油机的发电功率稳定性有了明显提高，证明该支架对于稳定机组发电功具有良好效果。
图10 安装调节支架后发电柴油机发电功率曲线图
5 总结
本文针对在发电柴油机使用过程中发电功率波动较大的故障，对其故障机理进行了分析，设计了改造方案并进行实车试验。主要完成的工作如下：
（1）对故障机理进行分析，发现发电柴油机的高压柴油泵中齿条与齿圈磨损严重，造成齿条出现卡滞现象，使得发电柴油机调速器失衡，最终导致发电功率波动较大。通过理论与实车试验的方式确定了故障源。
（2）针对故障源，通过分析高压柴油泵的结构和受力情况以及参考相关文献，确定在齿条下方安装调节支架来平衡其扭矩。并对其支架结构和安装方式进行了设计。
（3）按照设计方案将调整支架加工完毕并安装到发电柴油机高压柴油泵上进行实车试验。结果显示：该高压柴油泵改造设计方案易于加工、安装和调节，对于提高发电柴油机发电功率的稳定性具有良好效果。
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论文作者:肖宁
论文发表刊物:《中国电业》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/18
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