Po około 60 godzinach konserwacji i eksploatacji pewnego typu okrętowego silnika spalinowego głównego napędu W5 stwierdzono, że luz zaworów wydechowych 40 cylindrów przekroczył tolerancję, a gniazda zaworów wydechowych 38 uległy zużyciu poza granicę naprawy głowicy cylindrów. Po wymianie 38 nowych głowic cylindrów i przepracowaniu około 60 godzin ponownie wystąpił duży obszar zużycia gniazd zaworów wydechowych, a w obu testach nawigacyjnych użyto samochodowego oleju napędowego 0 #. W oparciu o zjawisko usterki sporządź listę drzew usterek związanych z nieprawidłowym zużyciem głowicy cylindrów i gniazda zaworu wydechowego oraz przeanalizuj je i rozwiąż problemy pod kątem trzech aspektów: konserwacji i instalacji, jakości komponentów oraz warunków użytkowania.
Analizując i oceniając mechanizm usterki, przyczyną usterki jest zastosowanie 0 # samochodowego oleju napędowego o niskiej zawartości siarki, który nie wytworzył skutecznej warstwy przeciwzużyciowej i przyspieszył zużycie gniazda zaworu wydechowego. Zaproponowano odpowiednie rozwiązania w przypadku nieprawidłowego zużycia gniazd zaworowych silnika wysokoprężnego, zapewniając rozwiązanie do późniejszej analizy podobnych usterek.
2019 kwietnia pewien statek przeprowadził w stoczni prace remontowe. Naprawiono i konserwowano dwa silniki diesla MTU956V20 zgodnie ze standardem poziomu W5 (każdy przed naprawą przepracował około 5800 godzin, a w trakcie naprawy wymieniono dwie głowice cylindrów ze względu na zużycie gniazd zaworów wydechowych przekraczające głowicę cylindrów limit naprawy). We wrześniu po zakończeniu naprawy i montażu na poziomie W5, silnik Diesla nie dał się uruchomić podczas użytkowania przez około 60 godzin. Po kontroli stwierdzono, że w 40 cylindrach luzy zaworowe przekroczyły tolerancję, a w 38 gniazdach zaworów wydechowych stwierdzono zużycie przekraczające granicę naprawy głowicy cylindrów. Po wymianie 38 nowych głowic cylindrów w listopadzie i użytkowaniu ich przez około 60 godzin, ponownie wystąpił duży obszar zużycia gniazd zaworów wydechowych. W obu testach nawigacji wykorzystano 0 # samochodowy olej napędowy. Po drugiej wymianie 9 głowic cylindrów, pewien statek używał -10 # oleju napędowego do testów nawigacyjnych i kolejnych zadań, przeplatając się z 0 # samochodowym olejem napędowym (głównie 10 # oleju napędowego). Według stanu na grudzień 2020 r. pracował przez około 1000 godzin (łączny czas pracy około 6900 godzin) bez żadnego nietypowego zużycia lub awarii głowicy cylindrów i gniazda zaworu wydechowego.
Gdy silnik wysokoprężny pracuje, wałek rozrządu powoduje otwarcie zaworu wydechowego zgodnie z ustawionym ustawieniem rozrządu poprzez mechanizm popychacza i wahacza wydechu, a następnie zamyka się pod działaniem sprężyny zaworu. Konstrukcja silnika wysokoprężnego MTU956 zapewnia lekkość, dużą moc i niską gęstość. W gniazdach zaworów dolotowych i wydechowych głowicy cylindrów nie ma pierścieni gniazda zaworów ze stopu twardego, żaroodpornego. Gniazdo zaworu i głowica cylindrów są zintegrowane i wykonane z żeliwa; Zawór wydechowy jest wyposażony w mechanizm zaworu obrotowego, a zawór powietrza obraca się pod działaniem mechanizmu zaworu obrotowego przy każdym otwarciu. Podczas pracy temperatura powierzchni gniazda zaworu wydechowego wynosi około 300-350 stopnia w wyniku wypłukiwania wysokotemperaturowego gazu i przepływu powietrza wylotowego wewnątrz cylindra. Kiedy zawór jest zamknięty i osadzony, uderza on w powierzchnię zaworu z określoną prędkością. Gdy prędkość obrotowa silnika wysokoprężnego wynosi 1450obr/min, prędkość osadzania zaworów wynosi 0,2 m/s, a uderzenie wynosi 727 razy/min. Powierzchnia gniazda zaworu wydechowego poddawana jest podczas pracy działaniu wysokiej temperatury i dużych naprężeń kontaktowych, co powoduje trudne warunki pracy.
Proces przeglądu i naprawy opisany w specyfikacji procesu naprawy głowicy cylindrów MTU 956 jest zgodny z instrukcją konserwacji MTU V956/1163 TB.2. Dane dotyczące występu zaworu powietrza zainstalowanego na gnieździe zaworu wynoszą zazwyczaj 4,80~5,10 mm (norma graniczna wynosi 3,0 mm), a jakość ponownej instalacji spełnia wymagania konserwacji MTU V956/1163 TB.2 podręcznik. Po wystąpieniu pierwszej awarii, po wymianie 38 nowych głowic cylindrów i przepracowaniu około 60 godzin, ponownie pojawił się problem nadmiernego zużycia gniazda zaworowego głowicy, co wykluczyło możliwość nieprawidłowej naprawy powodującej awarię.
Kontrola dokumentacji produkcji i montażu produktu, ponowne sprawdzenie protokołów kontroli i kontroli montażu odpowiednich części wadliwej maszyny, oryginalnych zapisów głowicy cylindrów pod kątem pierwszej awarii, sprawdzenie wymiarów komory wodnej głowicy cylindrów, komory powietrznej i gniazdo zaworu oraz kontrola dopasowania pomiędzy zaworem dolotowym i wydechowym oraz gniazdami zaworów; Sprawdź szczelność głowicy cylindrów, głębokość gniazda zaworu i integralność głowicy cylindrów oraz upewnij się, że jakość montażu komponentów spełnia wymagania techniczne.
Badanie właściwości materiału zaworu głowicy cylindrów. Po pierwszej awarii wymontowano cylindry A1 i B6 ze znacznym zużyciem gniazd zaworów wydechowych i zlecono Komisji Profesjonalnej Analizy Awarii Szanghajskiego Towarzystwa Inżynierii Mechanicznej przeprowadzenie badań twardości powierzchni roboczych zaworu wydechowego i gniazda zaworu oraz badań metalograficznych testowanie na powierzchniach roboczych gniazda zaworu. Numer rysunku zaworu wydechowego silnika wysokoprężnego MTU956 to 580 053 02 05, a wymagana twardość jest większa lub równa 280HB (co odpowiada twardości Rockwella wynoszącej 29,2HCR, przy podobnych wartościach HB i HV). Wartości twardości zaworów wydechowych cylindrów A1 i B6 przedstawiono w tabeli 1, a twardość zaworu jest znacznie wyższa od wartości wymaganej, ale spełnia wymagania dokumentacji technicznej zaworu.
Dokument techniczny głowicy cylindrów silnika wysokoprężnego MTU956 wymaga osnowy perlitowej o zawartości perlitu większej niż 95%; Wymagana twardość wynosi 200~260HB (199,5~262,5HV, HB=(HV+10.5)/1,05). Wyniki twardości gniazd zaworów wydechowych cylindrów A1 i B6 przedstawiono w tabeli 2. Zmierzona twardość gniazda zaworów głowicy cylindrów jest nieco wyższa od wymagań obliczeniowych.
Wyniki analizy zaworu wydechowego i gniazda zaworu wydane przez Komisję ds. analizy awarii Szanghajskiego Towarzystwa Inżynierii Mechanicznej pokazują, że: 1) twardość powierzchni uszczelniającej (w odległości 0,1 mm od powierzchni) oraz gradient twardości zaworu wydechowego jest stosunkowo jednolity. 2) Nie ma znaczącej różnicy w gradiencie twardości pomiędzy gniazdem zaworu wydechowego i gniazdem zaworu dolotowego. Ze względu na obecność grafitu w osnowie, występują wahania badanej twardości, co jest zjawiskiem normalnym. 3) Struktura metalograficzna powierzchni roboczych gniazda zaworu wydechowego i gniazda zaworu dolotowego składa się z perlitu, niewielkiej ilości pierwiastka żelaznego i bardzo małej ilości pierwiastka węglowego. Wyniki badań wykazały, że twardość zaworu wydechowego w temperaturze pokojowej spełnia wymagania, a twardość punktów pomiarowych na gnieździe zaworu wydechowego jest nieco większa od wartości wymaganej. Struktura metalograficzna spełnia wymagania techniczne.
Siła uderzenia pomiędzy zaworem powietrza a gniazdem zaworu zależy od prędkości osadzania zaworu powietrza, na którą wpływa profil wałka rozrządu zaworów dolotowych i wydechowych. Według trzeciej wymiany głowicy silnik diesla przepracował około 1000 godzin bez żadnych nieprawidłowości, wyeliminowano także nadmierne zużycie gniazda zaworu wydechowego. Dlatego zasadniczo wykluczona jest możliwość nadmiernego zużycia gniazda zaworowego głowicy cylindrów spowodowanego przez mechanizm przeniesienia napędu zaworu i wałek rozrządu.
Podczas konserwacji W5 fabryka sprawdziła mechanizm zaworu obrotowego głowicy cylindrów i stwierdziła, że działa on normalnie. Po pierwszej awarii wymieniono 38 nowych zespołów głowicy cylindrów, ale w krótkim okresie nadal występowała duża liczba usterek związanych ze zużyciem głowicy cylindrów. Dlatego zasadniczo wykluczona jest możliwość spowodowania nieprawidłowego działania mechanizmu zaworu obrotowego.
Podczas kontroli warunków pracy silnika wysokoprężnego od konserwacji do pierwszej awarii W5 oraz od wymiany nowej głowicy do drugiej awarii nie stwierdzono nieprawidłowego zużycia głowicy ani powszechnego nieprawidłowego zużycia cylindra głowica wystąpiła podczas użytkowania W5 przed konserwacją i po drugiej awarii została wymieniona na olej napędowy -10. Podstawową oceną jest to, że warunki pracy będą miały wpływ na zużycie gniazda zaworu, ale nie jest to bezpośrednia przyczyna tej awarii. Silnik wysokoprężny MTU956 wyposażony jest w pompę smarującą w rurze dolotowej, która może smarować zawór dolotowy. Sprawdzając, czy pompa olejowa działa prawidłowo i czy nie ma nadmiernego zużycia gniazda zaworu wlotowego, można wykluczyć problemy z jakością smarowania. Statek wykorzystywał 0 # samochodowy olej napędowy jako paliwo po konserwacji W5 i nie stosował żadnych dodatków, co spełnia wymagania GB19147-2013. Jednakże zawartość siarki jest zbyt niska (mniejsza lub równa 10 mg/kg), co nie spełnia specyfikacji technicznych MTU.
Zleć analizę dodatków Instytutowi Fizyki Chemicznej Chińskiej Akademii Nauk w Lanzhou, LUBRIZLO ®ADX766M Dodatek do oleju napędowego jest mieszaniną soli potasowej i rozpuszczalnika, przy czym substancją stałą jest wodorotlenek potasu, a rozpuszczalnikiem olej rozpuszczalnikowy 200 # węglowodorów tłuszczowych . Powierz Instytut Fizyki Chemicznej w Lanzhou Chińskiej Akademii Nauk przeprowadzenie analizy wyglądu SEM i składu EDS na powierzchni uszczelniającej zaworu wydechowego i wybranie zaworu wydechowego pod czterema warunkami do kontroli. Obserwacje SEM i analiza składu wadliwego zaworu wydechowego i powierzchni uszczelniającej gniazda zaworu wykazały, że powierzchnia powierzchni uszczelniającej zaworu wydechowego była szorstka i przylegała do podłoża głowicy cylindrów. Powierzchnia uszczelniająca gniazda zaworu głowicy cylindrów była płaska, natomiast podłoże żeliwne wykazywało płynięcie plastyczne i rozrywanie kleju. Zawór wydechowy nie uległ zużyciu, a wyjątkowo zużytą częścią jest głowica cylindrów i gniazdo zaworu wydechowego. Głowica cylindrów silnika wysokoprężnego 956 wykonana jest ze specjalnego żeliwa stopowego, które ma słabą odporność na zużycie. W przypadku braku powierzchniowej maski ochronnej, naprężenia styczne powstałe w wyniku bezpośredniego kontaktu metalu powodują szybkie, zmęczeniowe złuszczanie się jego matrycy i zużycie; Tymczasem, ze względu na nieuzasadnione dopasowanie różnicy twardości pomiędzy zaworem powietrza a gniazdem zaworu, wysoka twardość zaworu powietrza dodatkowo pogarsza zużycie. Zgodnie z powyższymi wynikami badań, głównym składnikiem warstwy przeciwzużyciowej na powierzchni uszczelniającej czterech schematów jest węgiel amorficzny. Po spaleniu duże cząstki tworzą warstwę przeciwzużyciową na powierzchni gniazda zaworu, oddzielając powierzchnie uszczelniające zaworu wydechowego od gniazda zaworu. Unikając bezpośredniego kontaktu pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi i zmniejszając zużycie kleju, zużycie jest tłumione.
Zgodnie z referencją dotyczącą leczenia gniazd zaworów – niezależny przegląd istniejących danych, dostarczoną przez Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co., Ltd., w połączeniu z wcześniejszymi awariami dotyczącymi zużycia gniazd zaworów i mechanizmu tworzenia powierzchniowej maski twarzowej, można zauważyć, że powierzchnia maski na twarz powierzchni uszczelniającej należy do dynamicznej folii konsumpcyjnej. W niskich warunkach pracy szybkość tworzenia powierzchniowej maski twarzowej jest większa niż szybkość usuwania, a zdolność ochronna grupy zaworów wydechowych jest wzmocniona; W trudnych warunkach pracy szybkość tworzenia się jest mniejsza niż szybkość usuwania, a zdolność do ochrony gniazda zaworu wydechowego stopniowo maleje. Można wyjaśnić, dlaczego statek nie działał nieprawidłowo przez tysiące godzin przed konserwacją silnika wysokoprężnego W5, ale szybko doświadczył powtarzających się usterek 60 godzin po naprawie. Wynika to ze stosowania paliwa o wysokiej zawartości siarki i dodatków we wczesnym okresie testów fabrycznych oraz stosowania paliwa o wysokiej zawartości siarki podczas rejsu próbnego, które utworzyło bardziej rygorystyczną warstwę ochronną chroniącą gniazdo zaworu.
Zgodnie z historycznym stanem użytkowania dwóch silników wysokoprężnych 956, podczas testów fabrycznych w Shaanxi Diesel Engine Heavy były one eksploatowane na -10 # oleju napędowym z dodatkiem środka przeciwzużyciowego jako paliwa przez około 50 godzin Industry Co., Ltd. Przed wypłynięciem do Sanya były one eksploatowane na -10 # oleju napędowym przez około 100 godzin. W połączeniu z wynikami analizy wynika, że przed nałożeniem oleju napędowego 0 # w Sanya na powierzchni uszczelniającej gniazda zaworu wydechowego utworzył się gęsty film ochronny. Dlatego też podczas około 5000-godzinnego rejsu w Sanya nie wystąpiło żadne nietypowe zużycie. Podczas konserwacji W5 naprawiono zawór wydechowy i gniazdo zaworu, w wyniku czego usunięto maskę twarzową powyżej powierzchni. Po konserwacji do eksploatacji użyto pojazdu Diesel o niskiej zawartości siarki i nie utworzyła się maska powierzchniowa, co powodowało nadmierne zużycie kolejnych gniazd zaworowych.
Na podstawie analizy przyczyny awarii oraz aktualnej sytuacji użytkowania tego typu silników ZS proponuje się następujące zalecane działania: należy sprawdzić, czy olej napędowy spełnia wymagania dotyczące zawartości siarki większej niż 500mg/kg przed użyciem; Instalując w komorze silnika wysokoprężnego urządzenie do przechowywania i dodawania dodatków przeciwzużyciowych, możliwe jest automatyczne uzupełnianie dziennego zbiornika paliwa dodatków spełniających wymagania stawiane silnikom wysokoprężnym. Z punktu widzenia całkowitego rozwiązania problemu zużycia gniazd zaworowych w dłuższej perspektywie, konieczne jest zwiększenie odporności na zużycie gniazda zaworu wydechowego głowicy cylindrów. Głowica cylindra zazwyczaj przyjmuje zagnieżdżone gniazdo zaworu, aby poprawić odporność na zużycie i żywotność zaworu i gniazda zaworu. Zaleca się, aby krajowe instytuty badawcze silników Diesla lub producenci silników Diesla przeprowadzili badania nad schematami modyfikacji głowicy cylindrów, ukończyli opracowywanie i produkcję nowych głowic cylindrów, a ulepszony schemat konstrukcji głowicy cylindrów ma dojrzałe zastosowania, a ryzyko techniczne ulepszoną konstrukcję można kontrolować.
