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康明斯柴油发电机润滑系统的检查 |
摘要：柴油发电机经长期运行后，其润滑系统的各零部件由于磨损或蚀损、堵塞等就会产生故障。其中机油泵是润滑系统中最主要的部件，例如机油泵零件磨损就会使机油泵的出油量和出油压力降低；机油泵各密封面、阀门等处蚀损、变形、弹簧的弹力减弱、油管破裂、凹瘪及油管接头损坏就会造成漏油；因此，应定期对润滑系统进行检查和性能试验，目的是测量机油泵泵出流量随着转速（n）、油压（PD）和油温（Toil）变化而变化的关系，并评估机油泵是否有气蚀和分析泄压阀特性，以便查处柴油机机油泵的功能隐患。
一、机油泵结构和原理
机油泵的作用是将油底壳里的机油压送到滤清器，并使机油经过滤清器后仍能可靠地输送到各个润滑油道和各运动件的摩擦表面。目前，柴油机上采用的机油泵有齿轮式和转子式两种。本文以齿轮式机油泵为例，其外形和结构如图1、图2所示。
1、齿轮式机油泵的结构
齿轮式机油泵主要由主动齿轮、从动齿轮、泵体、机油泵盖、从动轴、主动轴推力轴承和传动齿轮等零件组成。主动轴经半圆键安装在主动轴承上，主动轴承固定在泵体与机油泵的前盖上。从动齿轮经从动轴安装在泵体内。泵体与泵盖之间的配合由两个定位销定位，在两者之间装有垫片并可通过改变厚度的方法来调整齿轮端面的间隙。
若间隙过大，会导致机油压力降低；反之，若间隙过小，则会导致机油泵转动时摩擦阻力增大，加速齿轮的磨损，。在正常情况下，泵体与泵盖之间的间隙应在0.05～0.115mm之间。传动齿轮通过半圆键和螺母固定在主动轴的前端，主动轴的后端安装有钢丝挡圈，以防止主动轴脱落。传动齿轮与泵盖之间装有推力轴承。
2、齿轮式机油泵的工作原理
当柴油机运转时，曲轴齿轮通过中间齿轮带动机油泵传动齿轮旋转，机油泵内部安装的主动齿轮随主动轴转动，同时带动从动齿轮向反方向转动。主动齿轮与从动齿轮的齿牙啮合，把泵体内部隔成两个独立的密封空间。随着齿轮的高速转动，轮齿间的机油被带到压油腔处，使压油腔处的机油不断增多，压力升高并从出油口压送出去。吸油腔内的机油被带走，产生局部真空，油底壳内的机油便不断地被吸入补充到吸油腔中。机油泵的输油压力一般由机油滤清器上的限压阀控制，若机油压力过高，则限压阀打开，使机油直接流入油底壳内，以防止油路中的压力过高和机油泵出现故障。
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图1 机油泵等测模型图 |
图2 齿轮式机油泵结构示意图 |
二、机油泵的检查
柴油发电机润滑系统的检查的要点和程序即用目视、听觉和手摸等简单的方法进行外观检查检，查时既要检查局部也要注意设备整体。在检查中发现的异常情况，对妨碍润滑系统继续工作的应作应急处理；对其他的则应仔细观察并记录，到定期维护时予以解决。润滑系统的异常现象和故障，应在泵的起动前后和停机前的时刻检查，这时检查最容易发现问题。在起动时润滑设备的操作必须十分注意，特别在冬天的寒冷地区等低温状态起动和长期停机后起动更要密切注意。
1、检查主动、被动齿轮的齿隙
机油泵主、被动齿轮的正常配合间隙为（0.15～0.35）mm，极限值为0·75mm。检查时将泵体上的泵盖螺栓卸下，取下泵盖，用厚薄规在主、被动齿轮相隔120°的三个啮合点上测量其间隙，若超过上述规定的间隙值，应更换主、被动齿轮。若主过上述规定的间隙值，应更换主被动齿轮。若主动和被动齿轮的齿面如有毛刺，应用油石磨光。
2、检查齿轮端面与泵盖的间隙
机油泵解体后，用直尺和塞尺检查齿轮或转子端面到泵盖端面的间隙，如图3所示。在不解体时，可测泵轴的轴向移动量获得此间隙，此间隙不得超过0.12mm。若间隔超过规定值，可用减少垫片的方法来调整。
3、检查齿轮顶面与泵壳之间的间隙
用厚薄规插入齿轮顶面与泵壳之间进行测量检查，如图4所示。正常间隙为0.075mm，若超过0.1mm应更换新配件。
4、检查限压阀装置
主要检查它的弹簧是否过软，钢球是否有磨损、失圆或麻点过多等，否则应予更换。
5、机油泵的装配与试验
装配时先在泵轴上涂以机油，将主动齿轮装在泵轴上，然后，装入被动齿轮。装好后，主、被动齿轮应能灵活啮合旋转。调整好泵盖与主、被动齿轮端面的间隙，并注意垫片的厚度，使间隙不超过规定值。最后将传动齿轮装在轴上，插入定位销，再固紧螺丝。
装配后的机油泵应进行检查和试验，其试验方法：将机油泵的进出油孔都浸入机油中，待灌满机油后，用手指堵住出油口，另一只手按正常工作方向转动齿轮，当手指感到有很大压力堵不住时，表示机油泵装瓦良好。然后，进行装机试调压力。当柴油发电机启动后在额定转速下运转时，观察机油压力表的油压是否符合该机的规定值。如油压过高或过低均应调整油压调整装置，使油压达到正常为止。
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图3 机油泵外转子与泵体间隙 |
图4 机油泵齿顶间隙检查 |
三、机油泵性能试验
1、试验准备
（1）试验前测量相关的机油泵部件，零件测量参数：转子外径、转子厚度、机油泵转子腔内径、轴承销直径、衬套直径、泄压阀尺寸（柱塞直径、套桶直径和自由长度）；总成测量参数：端面间隙、转子与齿轮腔径向间隙、泄压阀弹簧安装长度。
（2）必须考虑产品公差的影响。如果需要，可以采用中等间隙的或特定间隙的机油泵样品。为了估计最严重的机油泵内部泄漏（例如：怠速低压）而需要采用最大间隙机油泵。
（3）试验用油必须是柴油机要用的机油或适合原柴油机的机油，可以考虑采用柴油机运行后的机油（例如在磨合后的柴油机中再加入后运行50到100小时的机油）。
（4）因为本试验不考虑机油泵的耐久性，机油泵不需要链条，皮带或齿轮驱动系统而直接驱动。所以必须算出曲轴和机油泵之间的速比。
（5）最好采用原柴油机的机油收集系统从储油罐中抽机油。如果没有可能，试验台的机油收集系统尽可能接近的模拟原柴油机的部件。根据最少装油量的柴油机原状态来确定机油泵与储油罐中机油液面之间的距离。
（6）根据机油泵试验原理框图（如图5所示）和压力分布曲线（如图6所示），并按照以下步骤进行试验。
2、测量方法
（1）机油泵流量和压力关系（速度特性）
从柴油机转速500rpm开始到柴油机最大转速nmax每隔500rpm测量一组机油泵压力、流量关系。柴油机的额定转速（nrated）和50%的额定转速也应包括进测量转速点内。
柴油机转速：
nEgine[rpm]=500，1000，1500，……50%的nrated，……nrated，nmax
油泵出油压力从Pmin到Pmax以1bar为间隔进行变化调节。
PD=Pmin，1bar，2bar，3bar，……Pmax
最小出油压力Pmin可由变流量控制阀全开的最低压力得到，如果主管工程师没有提出特别要求值，最大出油压力Pmax为6bar。
机油泵流量和压力关系要进行下面3种油温的测量：
Toil=40，90，120（140）℃±2℃
注意：最高温度Toil=140℃，只能在不违反部件和机油的规定的情况下才能采用。
在测试过程中进入机油收集器的机油温度Toil稳在规定的值。在每个规定的油温和机油泵转速下将机油泵出油压力从Pmin调整到Pmax而完成一次测定。既在记录了下面量的稳定值之后再次通过变流量控制阀的逐步关闭而继续得到新的稳定值。
式中，Toil——机油温度；
n——油泵转速；
Ps——吸油压力；
PD——出油压力；
Q——流量；
M——扭矩（如果测试机油泵效率）；
Pdyn——油泵出口动态压力。
通常从最低油温开始测完所有转速后再重新测下一油温是效率比较高的。
（2）泄压阀特性
测试可以对内部带泄压阀的机油泵的泄压阀静态特性进行评估。这样要采用下面特定的试验条件进行试验：
泄压阀的作用限制了最大的输出压力。当PD≥泄压阀开启压力，变流量控制阀应当以很小的幅度进行关闭（使Pd以0.10 bar为幅度增加）。当变流量控制阀完全关闭（100%闭锁流量）或出油压力达到一个很高的限定值时达到最高的流动阻力。
（3）体积效率和机油泵总效率
按下面公式计算体积效率：
ηvolumetric=Q[m3/s]/Qtheory[m3/s]
理论泵流量：
Qtheory[m3/s]=Vpump[m3]·n[rpm]/60[sec/min]
Vpump[m3]根据机油泵的形状进行计算，参照AVL标准过程按附录A进行测量。
为了计算机油泵的效率，驱动机油泵的机械功：
PM=M[Nm]·π/30·n[rpm]
与液体输出动能之比：
PH[W]=Q[m3/s]·PD[N/m2]
总效率为下面的比值：
η=PH/PM
（4）压力波动
在机油泵高压出油管路直接装上一个合适的石英压力传感器用来监测机油泵动态压力的波动Pdyn。
注意：试验台的设计，特别是管路或油泵后空腔对机油泵压力波动的测试影响较大。如果试验台没模拟柴油机条件进行设计，机油泵动态压力的波动的测量只能作为注意事项和不同机油泵设计的比较值。
对带内部泄压阀的机油泵必须按下面所述对变流量控制阀进行调节，以得到相应的机油泵出口压力：
① 在额定转速下将变流量控制阀打开到有30%的分路流量。
② 在额定转速下将变流量控制阀打开到有70%的分路流量。
分路流量百分比是测得的流量与泄压阀不开启的转速下情况测得流量值直线拟合到坐标轴的流量值之比。
注意：①和②的测试（不能与体积效率和机油泵总效率综合在一起进行），经常减少到只测最高的油温，因为相对最小的机油粘度对出口机油压力波动的阻尼最小。
3、试验结果的内容
报告必须包括：部件的清单、部件的测量结果、总成的测量结果、试验设备的草图及按下面作出试验结果。
（1）机油泵流量
画出不同转速和油温下的流量压力曲线，如果测量了驱动力矩，用类似的方法画出机械功PM曲线。
（2）泄压阀特性
按（1）的方法进行绘图，但对不同的油温分别进行绘曲线。
（3）稳定出油压力的速度图
对于每一个温度用一幅图绘出流量Q和吸油压力Ps相对于转速的曲线。将流量转速曲线与线性变化相比较得到增量，负增量随着转速和温度急剧增大说明机油泵有气蚀，吸油压力给出了另外的信息：如果出现气蚀，吸油压力在额定功率和90℃的油温下将降到在0.05和0.15之内，必须重新设计机油集滤器。
（4）机油泵容积效率
按（3）规定有机油泵容积效率相对柴油机转速的曲线，为在机油温度Toil=120℃测试不同输出压力。
（5）机油泵效率
对每一个机油温度，见（4）规定，用一个不同转速下的机械功、液体动能、机油泵容积效率和总效率的曲线图来表示。
（6）压力波动
选用合适的比例来画出机油压力的波动情况（例如：RMS-value）。按4.5规定按温度不同画出压力波动-转速曲线。对于压力波动大的高转速画出合适的一段时间范围的压力-时间曲线。如果有合适的软件，绘出Pdyn的Fourier因子与转速、频率的三维图。
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图5 机油泵试验原理框图 |
图6 柴油机机油泵压力分布曲线图 |
总结：
机油泵是柴油机的重要组成部分，它能够将机油从油底壳吸入，并通过管路送至柴油机各部位，确保各部位良好润滑，减少摩擦损失，延长柴油机使用寿命。然而，随着柴油机使用时间的增加，机油泵内部的零部件就会磨损、老化，导致机油泵流量不足、压力降低、噪音变大等问题，甚至出现完全不能工作的情况。这时，就需要对机油泵进行检查、修理或更换，以确保柴油发电机正常运行。
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