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1、船舶柴油机（轮机）-模块二 柴油机的结构和主要零部件-黄步松 主讲福建交通职业技术学院船政学院 福建交通职业技术学院教案纸 第 1 页课程： 船舶柴油机 学年 第_ _学期 第 周 月 日教 学 内 容 备 注1模块二 柴油机的结构和主要零部件重点：柴油机各主要部件的作用、工作条件、工作原理及结构特点，各部件的常见故障及原因，管理注意事项。难点：燃烧室部件承受的机械负荷、热负荷及分析，缸套、活塞、连杆、十字头、曲轴、活塞杆填料涵及活塞冷却机构的结构，曲柄排列与发火顺序。缸盖 燃烧室部件 缸套 活塞组件 主要零部件 连杆 曲柄连杆机构 曲轴主轴承 主要固定件：机架、机座、贯穿螺栓单元一 燃烧室部
2、件一、燃烧室部件承受的负荷1机械负荷机械负荷指受力部件承受气体力、安装预紧力、惯性力等的强烈程度。主要以气体力和惯性力为主。柴油机的机械负荷有两个特点：一是周期交变；二是具有冲击性。1）安装应力：安装应力与预紧力成正比。因此，安装气缸盖时不应过分紧固，否则会使气缸套、气缸盖发生损伤。另外，将缸套凸肩加高，可使缸套安装应力大大减小。2）气体力：气体力是周期变化的，其最大值为最高爆炸压力，变化频率与转速有关，因而由气体力产生的机械应力也称高频应力。由气体力产生的机械应力具有以下特点：气缸盖、活塞：触火面为压应力，冷却面为拉应力。缸套：径向：触火面为压应力最大，冷却面为零。切向：触火面为拉应力最大，
3、冷却面为拉应力最小。机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚 愈大，机械应力愈小。3）惯性力：活塞组件在缸内作往复变速运动，产生往复惯性力；曲轴作回转运动产生离心惯性力。其大小与部件质量和曲轴转速的平方成正比。由惯性力产生机械应力也是一种高频应力。2热负荷1）热负荷是指柴油机的燃烧室部件承受温度、热流量及热应力的强烈程度。2）热负荷的表示方法（1）热流密度（2）温度场（3）热应力3）热负荷过高对柴油机的危害：（1）使材料的机械性能降低，承载能力下降；（2）使受热部件膨胀、变形，改变了原来正常工作间隙；（3）使润滑表面的滑油迅速变质、结焦、蒸发乃至被烧掉；（4）使受热部件（如活塞顶）受热面被烧蚀；（5）
4、使受热部件承受的热应力过大，产生疲劳破坏等。 福建交通职业技术学院教案纸 第 2 页课程： 船舶柴油机 学年 第_ _学期 第 周 月 日教 学 内 容 备 注2船舶上，轮机管理人员通常用排气温度来判断热负荷的高低。4）热应力：是指受热部件在内外表面温度不同并且有一定约束的条件下在金属内产生的一种内力。气缸盖、活塞：触火面为热压应力，冷却面为热拉应力。缸套：径向：为零。切向：触火面为压热应力，冷却面为拉热应力。热应力与部件壁厚成正比，即壁厚 愈大，热应力愈大。由机械应力和热应力可知：机械应力与部件壁厚成反比，即壁厚 愈大，机械应力愈小。因而从降低机械应力的角度看，应使 增大，但热应力与部件壁厚
5、成正比，因此 增大，热应力增加。所以对燃烧室部件不能采取厚壁结构。合理解决这一技术难题的措施是采用薄壁强背结构。所谓薄壁就是燃烧室部件的壁要薄，以减少热应力。而强背就是在薄壁的背面设置强有力的支承，以降低机械应力。现代新型柴油机燃烧室部件采用钻孔冷却机构就是典型的薄壁强背结构。3热疲劳燃烧室部件在交变的热应力作用下出现的破坏现象称热疲劳。热疲劳对燃烧室部件的破坏是从出现裂纹开始的，逐渐发展使部件疲劳破裂。当柴油机工作时，高温面的热应力为压应力。如果燃烧室壁面局部在高温作用产生蠕变而引起塑性变形，则当停车或负荷降低、壁面温度降低时，因塑性变形无法恢复原状而产生残余拉应力，由此形成压拉应力交替。由
6、于该交变应力的变化周期与转速无关，而只取决于起动- 运行- 停车或负荷变化的周期，因此称为低频应力。显然由热疲劳引起的裂纹，通常从高温触火面开始，逐渐发展形成疲劳损坏。高频应力：应力变化周期与柴油机工作循环周期相同，频率较高。与转速有关。低频应力：应力变化周期与柴油机起动-运行- 停车或负荷变化的周期相同，频率较低。 二、气缸盖1作用：（1）组成燃烧室（2）安装喷油器、进、排气阀、启动阀、示功阀、安全阀等附件。（3）构成冷却水通道和进、排气通道2工作条件（1）承受螺栓的预紧力作用。（2）承受气体力作用：触火面压应力，冷却面拉应力。（3）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。（4）承
7、受腐蚀疲劳作用：缸盖承受冷却水的腐蚀和机械循环应力作用，产生腐蚀疲劳。3要求：（1）足够的强度和刚度。（2）底部各种阀孔之间的金属堆积处和高温部位，要冷却良好，使各部位的温度均匀。（3）各种阀件的拆装、维护方便。（4）冷却水腔的水垢易于清除。4类型：（1）按材料分：铸铁 铸钢 锻钢 增压度较高的低速机多采用锻钢制成（2）按气缸盖与气缸之间的数量关系可分为：单体式：每个气缸设一个气缸盖，用在中、大型高增压柴油机。特点是气缸盖和气缸套接合面处的密封性好，拆装方便，但气缸的中心距加大，柴油机长度增加。整体式：整个柴油机所有气缸的气缸盖铸成一体，多用于小型柴油机。特点是气缸的中心距小，结构紧凑，但易变
8、形，密封性差，结构复杂，加工不便。分组式：23 个气缸的气缸盖合铸成一体，用在缸径较大的中小型高速机上。5构造1）大型低速柴油机气缸盖的构造 福建交通职业技术学院教案纸 第 3 页课程： 船舶柴油机 学年 第_ _学期 第 周 月 日教 学 内 容 备 注3图 MAN-B&W S-MC-C 型柴油机气缸盖1-排气阀孔；2- 冷却钻孔；3-垂直孔；4-喷油器孔；5-起动阀孔；6-安全阀于示功阀孔；7-气缸盖螺栓孔；8-冷却水腔；9-冷却水套（1）冷却水孔离燃烧室却很近，构成“薄壁强背” ，可降低热负荷和机械负荷。（2）气缸盖底面为倒锥形，利于换气和燃烧。（3）两只喷油器对称布置，有利于油雾形状和
9、燃烧室形状的配合，确保油、气良好混合。（4）缸盖底最下部的内圆柱形壁面，使缸盖和缸套的接合面下移，以便接合处不受火焰的直接冲击，对接合面起到保护作用。（5）冷却水由接合面的外部进入气缸盖，消除了冷却水通过接合面漏入气缸内部的可能。（6）缸盖螺栓在圆周上均匀分布，保证缸盖、缸套受力均布。2）中速柴油机气缸盖的构造（1）进、排气道左右布置，减少高温排气对低温进气的加热作用。（2）进气阀孔比排气阀孔大，以提高充气量。（3）缸盖底板上设有水平中隔板，可把底板减薄，提高冷却效果，减少热应力。（4）中隔板通过气道、喷油器道与底板相连，使底板得到强有力的支承，提高底板的机械应力。（5）中隔板把冷却水腔分成上
10、、下两个部分，可提高冷却水流速。（6）缸盖前后壁开有较大尺寸的孔，用于清洁冷却水腔中的水垢。6常见故障气缸盖最常见的故障是在缸盖底面上产生裂纹、冷却水侧的腐蚀及阀座的磨损。1）裂纹部位四冲程机常在进、排气阀孔和喷油器孔及座面上产生裂纹。二冲程机常在孔与孔之间和孔的圆角处，即有应力集中的地方。2）裂纹原因缸盖产生裂纹的根本原因是热应力和机械应力周期作用引起的热疲劳操作不当：起动、加速太快或超负荷运行；冷却、润滑液不足或中断；突加冷却水等。维护保养不当：每按规定上紧螺栓或各螺栓受力不均。3）裂纹判断（1）管理中判断：开车前冲车时，观察示功阀有无水汽、水珠喷出。如有，表明气缸盖可能产生了裂纹。运转中
11、，观察冷却水压力是否波动，冷却水出口温度是否升高，膨胀水箱水位是否正常；滑油中是否有水，油位是否升高。吊缸时，活塞顶部有积水或锈痕，表明气缸盖有裂穿现象。（2）目侧法：（3）粉剂显痕法：煤油、白粉、15min（4）水压试验法：0.7MPa（5）磁力探伤： 福建交通职业技术学院教案纸 第 4 页课程： 船舶柴油机 学年 第_ _学期 第 周 月 日教 学 内 容 备 注4三、气缸套1作用：（1）组成燃烧室（2）四冲程机是活塞运动的导承，承受侧推力（3）二冲程机与活塞运动配合控制换气过程（4）与缸体构成冷却水空间2工作条件（1）承受周期性变化的气体力作用：径向：触火面压应力最大，冷却面为零。切向：
12、触火面拉应力最大，冷却面拉应力最小。（2）承受热负荷的作用：触火面压热应力，冷却面拉热应力。（3）承受摩擦作用（4）内表面承受燃气的化学腐蚀，外表面承受冷却水的腐蚀作用。（5）筒状活塞承受冷却水的穴蚀作用。3要求：4材料：采用耐热、耐磨的合金铸铁，内表面镀铬以提高耐磨性，外表面涂防锈漆或装锌块。5 类型：（1）湿式气缸套：缸套外表面直接与冷却水接触特点：散热性好缸套厚度大，刚性好制造和更换方便易产生穴蚀和腐蚀。（2）干式气缸套：6构造：以二冲程十字头式 Sulzer RTA 型柴油机为例 福建交通职业技术学院教案纸 第 5 页课程： 船舶柴油机 学年 第_ _学期 第 周 月 日教 学 内 容
13、 备 注5（1）缸套凸肩做得又高又厚，采用钻孔冷却，可降低缸套上部的机械应力和热应力。（2）缸套上部固定，下部呈自由状态，受热后可向下膨胀。（3）设有 O 型密封圈 3、3a，防水漏入 LR 空间，可从 KB1 孔检查（4）O 型密封圈 6 可防水漏入扫气箱，并防扫气箱空气进入冷却水腔。可从 KB 孔检查（5）上部注油点设有布油槽，均匀分布。（6）缸套下部扫气口均匀分布。7常见故障：气缸套的损坏形式有内表面磨损、裂纹、拉缸、外表面的腐蚀和穴蚀1）裂纹部位：一般发生在应力集中的部位。如气口、布油槽及凸肩等处。原因：检查方法：2）磨损（1）气缸套磨损的形式熔着磨损：一般发生在活塞位于上止点时第一道
14、活塞环所对应的缸套位置。腐蚀磨损：A、低温腐蚀 防止低温腐蚀的措施B、高温腐蚀磨料磨损：（2）过度磨损正常磨损：铸铁缸套的磨损量0.1mm/kh 镀铬缸套的磨损量0.01-0.03mm/kh原因：（3）缸套磨损的最大位置大多数柴油机缸套磨损的最大位置是在活塞位于上止点时第一道活塞环所对应的缸套位置原因：活塞在上部运动速度较低，不易形成液体动力润滑和油膜缸套上部温度高，气缸油易氧化变质、蒸发烧结缸套上部压力高，作用在环背上的气体力大，摩擦力大缸套上部为燃烧室，燃烧产物所生成的磨料 福建交通职业技术学院教案纸 第 6 页课程： 船舶柴油机 学年 第_ _学期 第 周 月 日教 学 内 容 备 注6形成颗粒及燃烧产物形成腐蚀磨损。（4）缸套的测量用量缸
