试论柴油机超负荷

试论柴油机超负荷1柴油机的超负荷负荷，又称载荷或负载。《现代汉语词典》的解释是：“动力设备、机械设备以及生理组织在单位时间内所担负的工作量”。在工程的实践中，负荷一般是对动力设备和机械设备而言，载荷则是对建筑构件而言。超负荷，无疑是动力设备、机械设备在单位时间内所担负的工作量超过设备设计和试验所核定的额定值。在轮机工程中，什么叫柴油机的超负荷？可以用这样的一句话来描述：把柴油机在运行中其机械负荷和热负荷均超出说明书的额定值的现象称为超负荷。它的完整概念如图：2.1超机械负荷柴油机在运行中其所超负荷以力的形式呈现,我们把这种超负荷现象称为超机械负荷。它以下列三个方面表现出来：（1）燃气压力——超过最大爆发压力柴油机的最高爆发压力是指燃油在汽缸被发火燃烧时所具有的最大压力。这个指标是衡量是否超负荷的最重要的指标之一。爆发压力过低，将使柴油机的功率下降。爆发压力过高，则使柴油机工作粗暴，使机械负荷和热负荷都增大。现设活塞顶上的机械负荷为p，则p=πD2Pz/4Pz为爆发压力，πd2/4为定值，由此可见，当Pz↑时P↑。因此，为了延长柴油机的使用寿命，提高柴油机工作的可靠性，以及机器承载零件的结构强度能得到保证，所以每台柴油机的最大爆发压力在说明书中都有规定，不用说，这是一条准绳。（2）曲柄连杆机构的惯性力曲柄连杆机构的惯性力有三部分组成：○1活塞组件往复运动所产生的惯性力；○2曲柄不平衡回转质量回转运动所产生的惯性力（离心力）；○3连杆运动所产生的惯性力。根据牛顿第二运动定律：即物体受到外力作用后，产生加速度。加速度与物体质量的乘积等于物体所受的力，用数学式表述为：F=ma再根据牛顿第三运动定律，即作用力与反作用力定律可知：F=-F由此可以得出，往复惯性力F=-ma由于往复运动部件的质量一经柴油机制成就固定不变，因此惯性力就仅仅与加速度a有关。对于做回转运动的部件则a=Rω2，回转半径R是不变的，故曲柄连杆的一次往复惯性力和离心力只曲柄回转角速度的平方即ω2成正比。而角速度ω=n/30，因此曲柄连杆机构的惯性力与曲柄转速的平方成正比。由上面的推导可以得出下列结论，当柴油机超速运行时曲柄连杆机构惯性力的数值将大大增加，致使有关部件所承受的机械负荷增大，从而会使发动机产生较大振动。尤其是柴油机发生飞车时，过高的转速造就巨大的惯性力，这样轴承负荷和摩擦力大为增大，可能导致连杆螺栓断裂使“大腿”伸出或轴承烧毁等重大机损事故。（3）曲轴超扭矩曲轴的机轴扭矩又称转矩。根据工程力学理论，圆轴在受力传递能量时受到的扭矩只产生剪应力，不会产生正应力。而剪应力与扭矩之间的关系可用下式来表述。M=τπD3/16M——机轴扭矩τ——机轴受力时所产生的剪应力D——机轴直径从上式可知，M∝τ，所以对于一台柴油机，其曲轴在工作时产生的扭应力主要决定于它所传递的转矩。此外，由于机轴的轴线不平直，轴颈与下瓦的贴合情况不良以及车速处于临界转速区等，都会造成曲轴的扭转振动而产生附加的扭转应力。因此，倘若曲轴超扭矩就会使曲轴在运行中的扭应力超过设定值，使机轴的机械负荷过大甚至剪断。柴油机机轴的扭矩与转速还有这样的关系：M=716.2Ne/nM——机轴扭矩Ne——柴油机功率N——转速上式表明，在转速n不变的情况下，Ne↑，M↑。假定Ne不变，则n↑，其扭矩M。2.2超热负荷柴油机在运行中其所超负荷以热的形式呈现，这种超负荷现象称为超热负荷。（1）热接触部件表面上单位时间的传热两量超过设计值众所周知，柴油机靠喷入汽缸内的雾状燃油压燃做功。而燃油燃烧时所放出的热量约为30%～33%要经过汽缸、汽缸盖和活塞等部件散出。对于发动机的金属部件，它对热负荷的承受能力是有限度的，这可以通过进行对材料的试验而测取。一旦超过这个极限当然会过热而损坏。这些情形在轮机管理的实践中是屡见不鲜的，诸如，活塞顶与缸盖向火面的烧蚀，汽缸和活塞过热引起的拉缸或咬缸乃至热裂，排气阀的烧蚀等等。（2）温差应力所谓热应力或称温差应力是指金属零件被加热或冷却时，由于材料内部相制约而不能充分自由变形，从而使金属材料内部产生单位面积上的内力。例如，汽缸盖其向火面接触的是燃气，而内部冷却通道流动的是低温冷却水，因而其内侧表面存在着温差，于是就会产生不同程度的热应力。专门的试验研究表明，在热负荷一定的情况下，零件所受热应力的大小，除与金属材质有关以外，主要的是与壁面两侧的温度差和壁面的厚度成正比。过大热应力的产生是导致发动机裂纹的根本原因之一。所以我们平常所说的超热负荷这个完整的概念也不能仅局限于单位时间内冷却表面传出的热量上。因为传热量一定或者说不超过其设计值，同样也会使机件由于冷却温度控制不当，起温差应力超过设计值，照样会机件超负荷，导致部件裂纹损坏。这里还得提一笔“高温蠕变”的问题，所谓高温蠕变指的是金属在高温下承受应力，尽管其数值在材料的屈服极限以下，但仍会产生缓慢的塑性变形。例如，在实际操作中，冷却水的处理不好，发动机完车后，冷却不充分，加车过快都会涉及到高温蠕变问题，所以它对超负荷的概念也不是没有联系的。3.如何防止柴油机超负荷为了防止柴油机超负荷运行,在操作管理中,应对柴油机进行哪些限制?3.1在正常航行时,限止油门开度,使其不超过额定位置柴油机在海上正常航行时,轮机长可通过油门杆对油门进行限制。如洛河、辽河等轮在集控室操纵台上有一个chieflimitation即轮机长限制电位器，通过对它的转动，发信号去调速器，从而使最高油门得到了限制。3.2在工况变化时,应根据随机说明书所提供的特性曲线选择合理的油门格数,使主机的速度特性适应螺旋桨特性的变化这里，工况的变化，是指主机在各种航行条件下的工况。它有三种情况：○1船舶各种航行情况，如变速、正车或倒车、加速或起航、大舵角转向等；○2船舶在各种外界的自然条件下的情况，如风向、风力、深水、浅水、顶风、逆流等；○3船舶在营运中的情况，如装载量引起吃水的变化、船体水下部分由于海生物附着及生锈造成的污底等。随着这些不同的工况变化，轮机长必须以说明书所提供的本机特性曲线为根据，选定合适的油门开度。因为工况的变化均意味着螺旋桨推进特性曲线的变化，即变陡或变坦。因此，为了使发动机的速度特性与变化的螺旋桨推进特性相适应，油门就必须做对应的修正。此外，所燃油种的变化其油门开度也应做对应变更。这是由于燃油的性能尤其是密度和发热值的不同，在等量的油门刻度下，其转速是相异的。原因出自高压油泵容积不变，而燃油的密度变化所致。实践证明，为了达到同样的转速，其20﹟油的油门格数是大大高于1500秒油的刻度的。3.3在螺旋桨变轻时限制车速螺旋桨在下列条件下它的工况会变轻，如空载、顺风、深水等，此时，虽然主机的油门不变，但主机转速会增高，致使机械效率下降。运动部件的惯性力增大，有可能超机械负荷。“商城”等轮使用的DIFA-31有微机构成的主机自动控制系统在模拟板上就有一个选择开关，通过它可以选择油门限制或者是转速的限制。所以在大风大浪中应把它置于转速限制上，以防止发动机超速。3.4在进、出港时应注意的问题（1）在起动时候，油门不能太大，但又要一次成功，以防多次启动造成缸内积油过多发生冷爆而损坏机件。（2）在增车或减车时应缓慢进行，切勿突变。因为突变的操作使柴油机的速度特性不能匹配于螺旋桨的推进特性，当然会出现超负荷现象。（3）在备车冲车前，一定要把缸套水、活塞水和滑油的温度以合适的温升速度达到说明书所允许的最低数值，严禁冷车启动。（4）机动操作中，要注意汽缸和活塞冷却液温度的稳定，切勿大起大落。（5）完车后，应继续使主机的滑油泵和各冷却系统仍需循环一小时以上，以便把机内的残余热量带走。对于这个问题，船上在实际操作执行的过程中是有所争议的。争论的核心在于尚需循环一小时以上是以完车令为起点还是以最后一次用车置停车位置作为起点。当然在操作规程中只能写完车为基准，笔者认为，只要真正做到最后一次用车停车后作为起点，有关泵再运转一个小时，就可以避免热负荷应力的危害。因为，在实际工作过程中，从最后一次用车停车到驾驶台发出完车指令有时会间隔一个小时甚至更长。3.5定期测量爆压和示功图，注意排温和各缸的负荷平横这是一项经常性的工作。通过测量爆压和示功图以及对排烟温度的观察可以分析和了解各缸负荷、功率和燃烧情况，并以此作为依据，来调整各缸的油门开度以维系各缸的负荷平衡，以免单缸的超负荷。3.6认真做好水处理的工作当前大功率的柴油机已把做好水处理的工作提高到重要的管理日程。所以保持冷却系统的清洁，是冷却液的浓度、碱度和硬度均符合说明书的要求，以免于结垢和腐蚀，影响传热。3.7维护燃油系统,保持良好的工况喷油器的工况优劣严重影响燃油的雾化和燃烧。劣质的雾化致使爆燃、后燃，会遭成排温过高，燃烧室积碳，最终会使机件过热受损。这里，高压油泵完好的泵油性能和准确的喷油定时是不可少的先决条件。3.8对受力严重的部件应仔细检查对受力严重部件的检查应注重于是否有裂纹，哪怕是微小的裂纹。一经查出，应及时磨去，清除或钻止裂孔以防扩散。因为材料表面的裂纹招致而来的是应力集中，从而大大削弱了材料的强度而过早损坏机件。