柴油机柱塞付卡滞故障原因分析

柴油机柱塞付卡滞故障原因分析

段静明

中国卫星海上测控部   江苏 江阴 214431

摘要：对PA6型柴油机的喷油泵柱塞偶件卡滞故障的原因和危害进行了分析，进一步明确柱塞偶件卡滞故障的征象，制定柱塞偶件卡滞故障的应急处置措施，总结防止柱塞偶件卡滞故障发生的预防工作。

关键词：喷油泵；柱塞偶件；卡滞故障。

一、前言

高压油泵是柴油机的重要部件，其功用是将低压燃油转换为高压燃油并按柴油机的工作需要定时定量地将高压燃油供给给喷油器。高压油泵由泵体部分、顶升机构、油量控制机构、柱塞偶件、出油阀偶件组成，其中的柱塞偶件是高压油泵的核心件，也是燃油系统三大精密偶件之一，其承担着高压油泵核心作用。若柱塞偶件发生卡滞卡死故障可导致高压油泵性能降低或失效而引起柴油机异常振动与声响、“游车”、不能启动甚至飞车。造成柱塞偶件卡滞卡死故障的原因很多、症状也较复杂，本文将对1起某船PA6型柴油机的高压油泵柱塞偶件卡滞故障的案例进行剖析，分析故障原因和故障危害、明确故障的征象、完善故障的应急处置措施，总结防止故障发生的预防工作，确保柴油机高压油泵的良好状态。

二、故障征象

该船2005年4月出厂，正常排水量4500吨，装备陕西柴油机厂生产的12-PA6V型柴油机2台，每台柴油机额定功率3540KW，额定转速1000rpm，定距桨设置，配重庆重齿GW系列齿轮箱。该型柴油机配低压燃油机带泵1台，每个气缸配单体式高压油泵1台。故障发生时该机总工作时间13848小时，最后1次计划修理后工作986小时。

2019年11月7日，该船航行途中，主机值班人员发现左主机转速异常升高（此时两机进四运行1.5小时、集控室遥控操纵），较规定转速偏高30-40 rpm，燃油齿条位置均为23-24mm（左燃油齿条位置无波动）,燃油系统压力均为0.24-0.26mpa，左主机排气温度A4缸150℃（较柴油机正常状态时偏高低300℃）、其余缸排温430-460℃（较柴油机正常状态时偏高10-20℃），调速器调速气压0.41mpa(正常且稳定),左柴油机 A4缸高压油泵无异响和振动、高压油管无脉冲，左柴油机A列燃油测漏器无测漏报警。遥控操纵状态微调转速无效、机旁操纵柴油机供油手柄降速发现阻力较大推不动，判断为A4缸高压油泵柱塞偶件卡死故障，通过关闭燃油进机阀门实现主机停机。

三、故障原因分析

（一）通常可导致高压油泵柱塞偶件卡死故障的原因有：

1、柱塞付配合间隙过小卡死。柱塞付的配合间隙一般为0.002毫米。若间隙过小，严重时静态就卡滞，轻则表现为柱塞付高频度的相对运动所产生的摩擦会导致温度急剧上升，柱塞受热膨胀而导致卡死。

2、柱塞付的光洁度过低、弯曲变形导致卡滞。柱塞、柱塞套有磕碰伤痕、周状磨损纹、竖状划痕，保管不当等产生弯曲变形均会致使柱塞付接触面过度的摩擦而产生卡死。

3、柱塞付材质使用不当或质量缺陷。柱塞付的材料通常为轴承钢GGr15，工作表面温度只要≤220℃可正常工作，具有良好的尺寸稳定性和抗蚀性。如果使用低级别材料或热处理不当的同型材料，易发生变形、腐蚀、硬度耐磨度低而卡滞卡死。

4、柱塞付未按要求成对更换而造成卡死。不成对更换的柱塞付会有磨合不良、间隙过小过大、材质不匹配等问题。在柱塞套外侧、柱塞榫舌上标有编码，成套柱塞付二者的编码必须一致。

5、柱塞套筒受外力过大发生了变形，柱塞付配合间隙变小而卡死。如套筒定位螺钉过长、拧紧力矩过大，顶住了套筒，使柱塞套筒受外力过大发生了变形；又如旋紧出油阀座紧座时用力过大或旋紧高压油泵固定螺栓时用力过大，而导致套筒变形；再如套筒外径与喷油泵轴向间隙过小，套筒受挤压易变形，均会引起卡死。

6、高压油排出受阻也容易导致油泵柱塞卡死。因为一方面油压过大，使柱塞螺旋槽处变形，另一方面因油排不出去，多次挤压发热，都会导致柱塞卡死。一方面出油阀卡死于关闭位或开启压力过大、喷咀堵塞、针阀卡死于关闭位均会产生高压油排出受阻现象。

7、较大的颗粒进入柱塞和套筒间隙中，容易发生卡死。柴油滤清不干净、滑油滤清不干净、或出油阀芯碎裂，均可能导致杂质进入柱塞与套筒间隙中。

8、柱塞与套筒的中心线不同心导致卡滞卡死。一种是套筒台肩与喷油泵壳体接触面不平或有污物垫起使套筒歪斜、第二种是套筒外径与喷油泵径向间隙过大套筒易歪斜、第三种是柱塞杆的下平面与导向套的接触面偏离。在柱塞上下运动时极易发生过度摩擦、卡滞卡死。

9、柱塞付配合件的卡滞导致柱塞卡滞。如喷油泵体与齿条、齿圈或顶升机构卡滞均会引起柱塞卡滞。但柱塞并不卡滞，只是因无外力作用而停留在某一位置。

10、工作环境不良致使柱塞发热膨胀卡住。长时间高速小负荷工况下运转，供油量很小但柱塞上下速度很大，造成柱塞油腔中的柴油温度较高、粘度下降，致使柱塞发热膨胀卡住。滑油中断致使柱塞未能充分冷却发热膨胀卡住。

（二）高压油泵柱塞偶件卡死故障原因查找过程。

1.拆卸A4缸高压油泵齿条与柴油机A列油量推杆连接杆，高压油泵的齿条仍推拉不动，柴油机油量推杆可灵活转动。

2.松开A4高压油泵与机体紧固螺栓适当转动高压油泵，齿条仍推拉不动，后整台高压油泵从机体取出，松开出油阀紧座固定螺栓及柱塞套位螺钉，齿条仍出卡死状态。

3.对A4缸高压油泵进行分解，高压油泵顶升机构与连接的柱塞拆卸困难，旋转高压油泵顶升机构90°使之与柱塞脱离后可轻松拆卸、无卡滞现象、外观均良好、无异物；高压油泵齿条、齿圈可容易拆下，检查外观无异常。

4. A4高压油泵出油阀紧座拆卸后，减容体及弹簧完好；出油阀偶件轻松取出，检查无异常。

5.抽取柱塞时明显感到阻力过大，后柱塞偶件从高压油泵上部孔中取出，分离高压油泵柱塞偶件时，分离后柱塞及套运动表面出现明显的全行程、大面积划痕拉毛现象，柱塞偶件下部较上部严重。

6.检查高压油泵燃油油道及主机燃油滤器和高压油泵滑油油道及滤器。燃油滤器无过多杂质，油道通畅；高压油泵上的滑油滤器较脏堵。

至此判断导致柱塞偶件卡死的原因为柴油机高速时高压油泵滑油油路不畅致使柱塞冷却不良而产生发热膨胀。

（三）本次柱塞偶件卡死故障具体原因分析

本次高压油泵柱塞偶件卡死故障，在船舶主推动柴油机中出现的概率是很小的，因为柱塞偶件卡滞到卡死有一定的时间和过程，通常在柱塞偶件卡滞时就已发现与解决。查维修记录，该缸高压油泵总工作时间约1800小时，最近一次计划修理后工作时间986小时。通过对故障高压油泵的分解检查和其余高压油泵的普检，分析引起本次高压油泵柱塞偶件卡死故障的原因如下：

1、高压油泵滑油滤器脏堵致使柱塞偶件因冷却液不足而发热膨胀是故障发生的直接原因。柱塞偶件的配合间隙一般为0.002毫米，高频度的相对运动所产生的摩擦需通过冷却液带离，冷却液不足时会导致柱塞温度急剧上升热而膨胀卡死。通常柱塞偶件上半部分的冷却液为燃油、下半部分的冷却液为滑油，本次故障发生后柱塞偶件运动面下半部分的磨损大于上半部分可侧面证实此原因。

2、平时对柴油机的检查维护不到位是故障发生的客观原因。高压油泵滑油滤器脏堵反映出柴油机滑油整体杂质较多、高压油泵前滑油滤清不干净或油道冲洗不彻底。按PA6柴油机使用管理规定，要定期清洗检查滑油系统滤器，若定期清洗了相关滤器则可及时发现滑油偏脏，通过增加清洗检查频率可有效保持油道通畅而防止故障的发生。

3、柱塞偶件的配合间隙偏小是加剧故障发生的诱因。正常情况下柱塞偶件的配合间隙为0.002mm，本次故障后通过对剩余高压油泵的检查发现高压油泵滑油滤器均存在一定程度的脏堵但并未发现柱塞偶件卡滞现象和划痕拉毛，侧面反映出柱塞偶件的配合间隙偏小。

4、值班人员对柴油机的运行检查不细致全面是致使柱塞偶件由卡滞发展到卡死重要原因。柱塞偶件卡滞到卡死有一定的时间和过程，本次故障前高压油泵运转正常且高速运行了1.5小时，若柱塞偶件卡滞时就已通过排烟温度、主机转速、高压油泵振动脉冲发现则可避免柱塞偶件卡死而引起其他危害。

四、高压油泵柱塞偶件卡滞卡死故障的危害

高压油泵柱塞偶件卡滞卡死故障在柴油机故障中较为常见，特别是在使用劣质滑油时较容易发生。其可能给柴油机带来的如下危害。

1、柴油机“游车”：因柱塞偶件卡滞，通过燃油油量调节推杆与之连接的调速器执行机构在进行油量调节时运行阻力过大，在进行油量调节时调速器需产生更大的调速力量，相当于加大油量调节的量，导致调速器执行机构与柴油机的实际负荷的平衡产生反复过程而发生柴油机“游车”现象。

2、柴油机无法启动或启动困难。柱塞偶件卡滞卡死于燃油齿条零位，柴油机启动时调速器执行机构传动燃油油量推杆调节油量会出现燃油油量加不上、加不到位现象，从而导致柴油机无法启动或启动困难。

3、高压油泵受到损坏。因柱塞偶件卡滞卡死，会造成高压油泵顶升机构上行、下行困难，若柱塞偶件卡死于低位，高压油泵顶升机构上行时可能导致顶升机构损坏，甚至导致凸轮轴、凸轮轴承变形损坏。

4、一缸或多缸不能发火。因柱塞偶件卡死，会造成高压油泵顶升机构不能往复运动来将低压燃油转换为高压燃油则不能提供高压燃油给喷油器，致使该缸不能发火；若柱塞偶件卡死使燃油齿条出于低位或柴油机负荷过大时，整机供油不足则会产生“抢油”现象，导致部分缸不能发火。

5、柴油机转速升高甚至“飞车”。特别是高速、大负荷时若发生柱塞偶件卡死故障，导致燃油齿条出于高位且不能动作，当柴油机负荷下降时因供油量不变而产生转速升高甚至“飞车”。

五、运行中的柴油机高压油泵柱塞偶件卡滞卡死故障的应急处置

高压油泵柱塞偶件卡滞卡死故障危害较大，特别是柴油机高速时柱塞偶件卡滞卡死，若未能正确处置可能导致 “飞车”使柴油机受损。根据PA6柴油机使用管理规定及操作规程，结合工作经验，总结高压油泵柱塞偶件卡滞卡死故障时应急处置如下：

1、柱塞偶件卡滞、轻微卡死，若此时油量调节推杆可在外力作用下推动，则可逐渐缓慢降速降负荷，此时需有一名柴油机操作人员于机旁手动推动油量调节推杆来协助调速器实现降速降负荷，以防止柴油机高速高负荷时负荷突降且调速器反应不灵敏而

“飞车”，后停机检修。

2、柱塞偶件严重卡死，此时油量调节推杆不可在外力作用下推动，则不可能实现逐渐缓慢降速降负荷后停机检修，若此时通过降低柴油机转速则会负荷下降时因供油量不变而“飞车”。此时一是通过紧急停机装置进行给超速保护装置供气吹除燃油管路燃油而紧急停机，二是切断柴油机燃油进机通道使柴油机停机后进行检修，三是断开该缸高压油泵的燃油齿条实现该缸断油，此时调速器可实现调速则逐渐缓慢降速降负荷后停机检修。建议情况允许时采用第三种方法。

3、若柴油机处于必须使用状态，发生柱塞偶件卡滞卡死故障。此时可通过断开该缸高压油泵的燃油齿条实现该缸断油，并用停油工具进行封泵处理，待柴油机可停机时在停机检修。

六、高压油泵柱塞偶件卡滞卡死的预防措施

通过本次高压油泵柱塞偶件卡死故障的排除过程，结合日常工作经验，总结在柴油机日常使用管理中预防措施如下：

(一）高压泵组装前的检查预防：分“检、研、换、净”4步。

1.检：检查。①外部检查：检查各零件尺寸、间隙、光洁度，新换件必须检查合格证、型号、标号；②滑动检查：柱塞与柱塞套运动有无卡滞或过松现象、齿圈齿条与高压油泵泵体运动有无卡滞或过松现象、滚轮挺柱与高压油泵泵体运动有无卡滞或过松现象。

2.研：研磨。对检查发现有划痕腐蚀、凸起凹陷、卡滞等异常零件进行适当研磨，可使用油石、砂纸、研磨膏反复研磨，不建议研磨柱塞付、出油阀付内侧摩擦面。

3.换：更换。更换不符合规定的零件，其中更换柱塞付、出油阀付必须成对更换。

4.净：洁净。组装前零件必须进行清洗，一般采用油洗的方式，使用丝质布或麂皮布，严防杂质异物。

（二）高压泵组装回装阶段的检查预防：有“正、力、巧、验”4法。

1.正：各零部件必须装正、装到位，以防晃动、歪斜；重点是：柱塞与套筒正、套筒与泵体正、泵体与机体正。

2.力：各紧固力矩要适当，柱塞定位螺钉紧固力矩为60牛米、出油阀紧座螺栓紧固力矩为100牛米、泵体固定螺栓紧固力矩为120牛米，力矩不可过大以防柱塞变形。

3.巧：用巧劲、要平衡、切勿蛮干。如回装柱塞时切勿用蛮力，要先对正中心线，缓慢放入，可适当的边晃边放，以防划伤。

4.验：检查试验，两次检验不能少，一次是高压油泵组装后检验齿条、滚轮挺柱灵活度及高压油泵密封性试验，第二次是高压油泵回装机体后再次检验齿条、滚轮挺柱灵活度。

（三）高压泵工作时工作后的检查预防；突出“振、声、数、灵、通、解”6要素。

1.振：振动、脉冲，每次柴油机运行检查时检查高压管脉冲强不强烈、频率是否正常，以判断柱塞运动情况和压油能力；

2.声：声响，每次柴油机运行检查时倾听高压泵有无异常声响，正常时会有“beng beng”声；

3.数：参数，每次柴油机运行检查时检查相应缸排温、每半年测量爆压，进行参数分析以便及时发现故障隐患；

4.灵：灵活度，检查齿条、顶升机构灵活度，建议每次月检修进行抽检，每次航行检修进行普查，不能有任何卡滞现象；

5.通：畅通，定期检查并及时主机燃油滤器、高压泵滑油滤芯，保持油道的畅通无堵塞。建议清洗高压泵滑油滤芯时间为1000小时并根据滑油油质缩短清洗间隔；

6.解：每工作3000h或2-3年对高压油泵进行分解检查、实验调整，以掌握损耗情况、更换损坏件，突出调试环节。建议可结合每次舰艇厂修、年度保养时进行普查。

参考文献

[1] 孙培廷主编．《船舶柴油机》[M]．大连：大连海事学院出版社，2002．

[2] 陕西柴油机厂．PA6维修使用说明书[M]．2002．

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