王志文，武利生，張潤(rùn)澤,2

1太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 山西太原 030024

2礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 山西太原 030024

防爆膠輪車(chē)起源于 19 世紀(jì) 50 年代初期，鑒于其負(fù)載能力強(qiáng)、在礦井復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，在煤礦中通常作為輔運(yùn)車(chē)輛使用。當(dāng)下新能源礦用膠輪車(chē)由于其無(wú)排放、清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)正逐步被研發(fā)，石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司推出了一款WLR-11 型礦用電動(dòng)膠輪車(chē)[1]，它不僅外形美觀，且操控和制動(dòng)性能良好，未來(lái)值得推廣。但是，由于防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)安全性高、可靠性好、動(dòng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前仍然是礦用車(chē)輛的主要?jiǎng)恿┙o設(shè)備。井下作業(yè)時(shí)，礦道路面起伏多變、條件復(fù)雜，膠輪車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到坡道較陡、連續(xù)轉(zhuǎn)彎的情況，這些均容易導(dǎo)致膠輪車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，嚴(yán)重降低了工作效率，增加了維修成本。因此對(duì)防爆膠輪車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障進(jìn)行分析有非常重要的參考價(jià)值[2-5]。

柴油機(jī)性能檢測(cè)有著悠久的歷史，并在柴油機(jī)故障診斷方面發(fā)揮了重要作用。1985 年美國(guó)研發(fā)的柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，已經(jīng)能夠診斷發(fā)動(dòng)機(jī)閥座沖擊、缸體過(guò)度磨損以及燃油噴射故障等問(wèn)題。我國(guó)從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，對(duì)往復(fù)式柴油機(jī)進(jìn)行了故障診斷的初步探究。牛彥雷等人[6-8]對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)故障，如壓力過(guò)低、增壓系統(tǒng)故障、異常排煙進(jìn)行了分析和總結(jié)。車(chē)蕊等人[9]建立了基于模糊故障診斷理論的柴油機(jī)故障診斷模型，并成功進(jìn)行了實(shí)際診斷。史潤(rùn)澤等人[10]在故障診斷中的時(shí)頻圖像壓縮上采用了2 維非負(fù)矩陣分解的方法，使得診斷結(jié)果更加精確。這些研究工作對(duì)國(guó)內(nèi)柴油機(jī)故障分析和故障診斷的推廣均有重要的推進(jìn)作用。

筆者對(duì)膠輪車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的三大故障：冒黑煙、動(dòng)力不足、油耗增加進(jìn)行研究，對(duì)防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)存在問(wèn)題的原因及采取的措施進(jìn)行描述，然后進(jìn)行同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的工業(yè)性試驗(yàn)，研究工況對(duì)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大修后動(dòng)力不足原因

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境中運(yùn)行后，由于零部件磨損、管路積垢以及維修保養(yǎng)不恰當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足的問(wèn)題。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足的原因進(jìn)行分析，主要可以概括為以下 3 個(gè)方面。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的氣密性不好、吸排氣系統(tǒng)不暢通、供油量較少、供氣量不足，使得燃燒室內(nèi)氧氣不足，燃燒不完全，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)冒黑煙的情況，影響柴油機(jī)的工作性能。

(2)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作后，內(nèi)部潤(rùn)滑逐漸變差，缸體等重要零部件在一定程度上被磨損，各部件之間配合變差、安裝操作過(guò)程不規(guī)范均會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)功率損失的問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率明顯減小，進(jìn)而造成柴油機(jī)動(dòng)力不足。

(3)大修后柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)往往達(dá)不到使用要求，冷卻管路因生銹或積垢堵塞，造成冷卻系統(tǒng)不流暢，引發(fā)柴油機(jī)動(dòng)力不足。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障檢測(cè)Fig.1 Detection of common failures of engine

1.1 吸排不暢

柴油機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作后，大量灰塵滯留在空氣濾清器上，容易引起濾清器與進(jìn)氣管道處堵塞，導(dǎo)致外部空氣無(wú)法進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣缸。當(dāng)只有少量空氣進(jìn)入氣缸時(shí)，氧氣含量較低，即會(huì)出現(xiàn)柴油燃燒不充分等問(wèn)題，進(jìn)而大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。燃油燃燒不完全還會(huì)伴隨冒黑煙等現(xiàn)象，也會(huì)直接導(dǎo)致油耗增加、動(dòng)力性降低，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。鑒于底盤(pán)最大輸出功率與煙度、一氧化碳、排氣溫度、氮氧化合物之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系，采用以下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析：

式中：P為底盤(pán)輸出功率，kW；pi為常量與變量系數(shù)(變量系數(shù)取值大于 0)；Q為不透光系數(shù)；M為氮氧化合物體積分?jǐn)?shù)，%；N為一氧化碳體積分?jǐn)?shù)，%；T為排氣溫度，℃。

由式(1)可見(jiàn)：隨著煙度、氮氧化合物、排氣溫度的增加，膠輪車(chē)動(dòng)力性能逐漸提升；而隨著一氧化碳的增加，膠輪車(chē)動(dòng)力性能逐漸降低。因此，定期清理進(jìn)氣口以及濾清器的灰塵至關(guān)重要，以保證其不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣堵塞、排氣受阻等問(wèn)題。若在使用過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙，應(yīng)立即對(duì)濾清器與進(jìn)氣道進(jìn)行檢查和維護(hù)。

1.2 零部件磨損

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作后，缸體等重要零部件出現(xiàn)了不同程度的磨損，以下為需要重點(diǎn)注意的幾個(gè)地方：

(1)濾清器、散熱器等管路接口處容易出現(xiàn)漏油、漏水現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)加固，定期更換密封墊圈；

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)管路在惡劣環(huán)境下工作容易因頻繁振動(dòng)而破裂，應(yīng)定期檢查并更換；

(3)通氣過(guò)濾網(wǎng)積垢堵塞，使得曲軸箱壓力增大，機(jī)油竄出破壞油封，造成嚴(yán)重的漏油現(xiàn)象，應(yīng)定期維修和更換通氣過(guò)濾網(wǎng)；

(4)機(jī)油在長(zhǎng)時(shí)間使用后，內(nèi)部雜質(zhì)含量增多，易引起過(guò)濾器的堵塞和安全閥的磨損，一旦安全閥關(guān)閉不嚴(yán)，含有雜質(zhì)的機(jī)油未經(jīng)過(guò)濾直接流入主油道及各部件配合處，會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)各部件磨損，使部件配合間隙增大、配合精度降低、液體潤(rùn)滑性能降低，最終引發(fā)一系列發(fā)動(dòng)機(jī)故障；

(5)機(jī)油泵限壓閥磨損或彈簧壓力弱導(dǎo)致過(guò)濾器內(nèi)轉(zhuǎn)子蓋松動(dòng)時(shí)，都會(huì)引起機(jī)油壓力過(guò)低、燃油供油時(shí)間不精確；

(6)皮帶松弛、散熱器網(wǎng)孔堵塞、節(jié)溫器磨損、機(jī)體和氣缸蓋內(nèi)部的水循環(huán)不暢都易造成柴油機(jī)溫度過(guò)高，使油耗量增加，甚至造成活塞熔化、拉缸、粘缸等重大事故。

1.3 冷卻系統(tǒng)故障

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量主要由冷卻水帶走，但冷卻水因水箱、水管泄漏或蒸發(fā)而減少，導(dǎo)致帶走熱量變少，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)因內(nèi)積熱量過(guò)多而過(guò)熱。若冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，熱量堆積在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼變熱，機(jī)油溫度也會(huì)隨之升高，溫度升至一定程度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出異響，甚至可以聞到燒焦的味道，此時(shí)必須及時(shí)調(diào)控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，降低負(fù)荷。張福祥[11]提供了一種在出現(xiàn)高溫故障時(shí)排查故障的方法，為筆者提供了試驗(yàn)參考。

冷卻系統(tǒng)排放熱量可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：A為傳到冷卻系統(tǒng)的熱量占總熱能的比率，對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，A=0.18～0.25；ge為內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率；Ne為內(nèi)燃機(jī)功率；hn為燃料低熱值。

由式(3)可以看出，當(dāng)冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障，內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率ge降低，內(nèi)燃機(jī)功率Ne也降低，最終導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)帶走的總體熱量減少。

2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大修后檢測(cè)

筆者以 YM495DMB 型發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的試驗(yàn)對(duì)比，分析工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)研究和膠輪車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)維修提供參考。

2.1 功率檢測(cè)

首先對(duì)額定功率為 250 kW 的 4 臺(tái)同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)(記作 A、B、C、D)在 9 個(gè)不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行修正后功率的采集試驗(yàn)，結(jié)果如表 1 所列[12]。

表1 不同轉(zhuǎn)速下功率試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of power at various velocity

根據(jù)表 1 得到的轉(zhuǎn)速-功率曲線如圖 2 所示，可見(jiàn) 4 臺(tái)防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在大修后呈現(xiàn)出不同的功率曲線。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均在 2 000 r/min 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 2 000 r/min。大修后4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功效存在較大的差異：發(fā)動(dòng)機(jī) A 的最大功率約為 200 kW，功效約為 80%；發(fā)動(dòng)機(jī) B 的最大功率約為 175 kW，功效約為 70%；發(fā)動(dòng)機(jī) C 的最大功率約為 225 kW，功效約為 90%；發(fā)動(dòng)機(jī) D 的最大功率約為 170 kW，功效約為 68%。

圖2 轉(zhuǎn)速-功率曲線Fig.2 Variation curve of power with velocity

引起大修后功率損失的重要原因?yàn)榱悴考p，導(dǎo)致了零部件之間配合不緊密。

2.2 油耗檢測(cè)

對(duì)4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在 9 個(gè)不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行修正后燃油消耗率的采集試驗(yàn)，結(jié)果如表 2 所列。

表2 不同轉(zhuǎn)速下燃油消耗率試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of fuel consumption rate at various velocity

根據(jù)表 2 得到的轉(zhuǎn)速-燃油消耗率曲線如圖 3 所示，可見(jiàn) 4 臺(tái)防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在大修后呈現(xiàn)出不同的油耗曲線，油耗存在較大差異。發(fā)動(dòng)機(jī) A 的油耗在轉(zhuǎn)速為 1 800 r/min 時(shí)最小，約為 220 g/(kW·h)；發(fā)動(dòng)機(jī) B 的油耗在轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min 時(shí)最小，約為 220 g/(kW·h)；發(fā)動(dòng)機(jī) C 的油耗在轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min 時(shí)最小，約為 232 g/(kW·h)；發(fā)動(dòng)機(jī) D 的油耗在轉(zhuǎn)速為 1 800 r/min 時(shí)最小，約為 230 g/(kW·h)。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速 2 200 r/min 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī) B 的油耗最小，發(fā)動(dòng)機(jī) D 的油耗最大，發(fā)動(dòng)機(jī) A、C 的油耗介于發(fā)動(dòng)機(jī) B、D 之間。

圖3 轉(zhuǎn)速-燃油消耗率曲線Fig.3 Variation curve of fuel consumption rate with velocity

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱量積存過(guò)多，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)所需油耗。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間太長(zhǎng)，容易出現(xiàn)缸體和散熱器積垢太厚的現(xiàn)象，由于積垢覆蓋表面，會(huì)造成散熱不良，進(jìn)而導(dǎo)致油耗增加。

2.3 尾氣檢測(cè)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示。由圖 4 可知：發(fā)動(dòng)機(jī) B 的不透光系數(shù)小，所冒黑煙質(zhì)量濃度低，燃燒較為充分。發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙的原因有：燃油質(zhì)量差，燃燒不充分，影響燃燒效率；空氣濾清器堵塞，使得進(jìn)氣量不足，導(dǎo)致燃油燃燒不充分。

圖4 尾氣試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of tail gas

3 結(jié)論

引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足的原因有：燃燒室的密封性變差，吸排氣系統(tǒng)不暢通，使得燃燒室內(nèi)氧氣不足，燃燒不完全；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作后，缸體等重要零部件出現(xiàn)了不同程度的磨損，零部件之間配合不緊密，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率明顯減??；大修后柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)往往達(dá)不到使用要求，冷卻管路因生銹或積垢堵塞造成冷卻系統(tǒng)不流暢。

大修后 4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功效存在較大的差異，引起大修后功率損耗的最主要原因是惡劣工況使得零部件磨損，導(dǎo)致零部件之間的配合不緊密。引起發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱、油耗增加的最主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)積蓄熱量過(guò)多。引起發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙現(xiàn)象的最主要原因是燃油質(zhì)量差、空氣濾清器堵塞以及各缸供油不均勻。