船用低速柴油机控制空气管系的系列化设计_谭惟斯.pdf

设计与计算柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）船用低速柴油机控制空气管系的系列化设计谭惟斯，李孝连，王中华（中船动力研究院有限公司，上海 201208）摘要：在船用低速柴油机的管系设计中引入系列化理念，探索船用低速柴油机控制空气管系的设计方法，并对其进行创新改进。基于船用低速柴油机的控制空气系统，结合其管系及关键部件的基本设计要求，提出控制空气进气管系的布置方案，有效减少了管系规格数量，提高了控制空气进气管系在各系列船用低速柴油机之间的方案适用性，提出适用于各种船用低速柴油机的系列化控制空气进气管系设计方案。关键词：船用低速柴油机；控制空气；管系设计；系列化Serialization design of control air piping system for marine lowspeed diesel enginesTAN Weisi，LI Xiaolian，WANG Zhonghua（China Shipbuilding Power Engineering Institute Co.，Ltd.，Shanghai 201208，China）Abstract：The concept of serialization has been introduced in the piping design for marine low speed diesel engines，exploring the design method of the control air piping system for marine lowspeed diesel engines，and innovating and improving it.Based on the control air system of marine lowspeed diesel engines，combined with the basic design requirements of the piping system and the design of key components，a layout scheme for the control air intake pipe system is proposed，which effectively reduces the number of pipe system specifications，improves the applicability of the control air intake pipe system between various series of marine lowspeed diesel engines，and proposes a series of control air intake pipe system plans that can be promoted to various models.Key words：marine lowspeed diesel engine；control air；piping system design；serializationDOI：10.3969/j.issn.1671-0614.2023.02.0010前言船用低速柴油机（以下简称“低速机”）作为大型的工业集成产品，其结构复杂、零件繁多。为了满足不同船舶的动力需求，通常低速机按照不同缸径分为不同系列，系列低速机通常以模块为单元进行开发设计。在产品设计开发过程中，低速机的各系统被拆分为不同模块；对模块进行功能和结构分解后，有针对性地对其研究和设计。这种设计方法能有效减少设计时不同功能零件之间的相互干扰，还能帮助设计人员通过替换或者修改模块构建新的设计方案 1。系列化设计通过对方案进行特定修改以产生和原设计相似的新方案；系列化设计不仅能减少产品设计的工作量、缩短设计时间、便于数据管理，还有助于系列化生产和制造。机座、机架、气缸体等作者简介：谭惟斯（1998），女，本科，助理工程师，主要研究方向为低速柴油机管系设计。-1柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）低速机关重件所在模块在设计时通常考虑系列化设计，以缩短设计周期，减少产品的复杂性。对于辅助管系模块，由于管系在布置时灵活性大，受关重件设计要求的影响较大，目前鲜有针对低速机管系的系列化设计研究。基于低速机控制空气系统原理，本文对特定缸径的低速机控制空气管系模块进行设计，并将其应用于不同缸心距的系列低速机上，以获得适用于不同缸心距低速机的系列化控制空气管系的优化设计方案。1低速机控制空气系统在低速机运行过程中，空气在低速机的换气、启动及换向，气动阀及空气弹簧的开启及闭合等过程中起着重要的作用。低速机控制空气系统主要用于控制气动阀，在设计低速机控制空气系统时不仅需要考虑主机侧控制空气系统控制气动阀对于空气的要求，还需要考虑船舱侧控制空气系统的布置及所提供的空气属性。1.1 主机侧控制空气气动阀被广泛应动于低速机的各个系统中，常用于燃气控制阀、启动空气止回阀的开启，停机后调试所需盘车机的启动，高低碱值气缸润滑油切换阀的控制，以及空气弹簧中排气阀杆的控制等。气动阀开启时，阀件内的顶杆在气体压力作用下被快速推动，活阀克服弹簧力和阀门出口压力，快速打开阀门；气动阀关闭时，只需要使控制空气系统入口气体泄压，阀杆在弹簧力的作用下归位，阀门关闭 2。控制空气不同于启动空气或者扫排空气，对空气的清洁度和干燥度有严格要求，但是过于干燥的空气又会把控制空气系统中阀门所需要的润滑油脂带走，产生阀门卡滞的隐患 2。1.2 船舱侧控制空气压缩空气系统是船舶为低速机提供控制空气的系统。为了满足启动控制设备的需求，通常在船舶船舱侧安装冷冻式干燥器和控制空气瓶。从船上的主空气瓶引出空气，通过减压阀组，使得3 MPa的启动空气和 0.8 MPa 的控制空气经过干燥器处理后分为 2路：一路通入控制空气瓶，向船上需要控制空气的气动自动化仪表及控制设备供气；另一路接至速闭阀空气瓶，用于应急时机舱内气动速闭阀的关闭。干燥器和空气瓶均设计有旁通管路，可以通过旁通管路进行应急泄压 3。2低速机控制空气管系的设计由控制空气系统布置原理可知，恒压及稳定的控制空气对低速机的运行至关重要。为进一步保证控制空气符合要求，设计了控制空气气源单元，以防止控制空气的压力过大或者携带杂质造成阀件损坏，或控制空气压力过小导致阀件无法开启。低速机上留有1个外接口，连接船舱侧的控制空气系统。如果船舱侧的控制空气系统无法正常运行，主机侧的空气弹簧启动空气系统将对控制空气系统进行补气，将空气接入控制空气气源单元，该管路系统称为“控制空气进气管系”。从控制空气气源单元接入各气动阀管系的管道通径较小，由于铜材质具有防尘及减少噪声的优点，因此低速机上大多选择铜管。相比于尼龙管，铜管的强度大、耐高温及高压、使用寿命长；相比于不锈钢管，铜管的柔韧性较好。由于安装方便，生产现场操作人员会自行布置铜管。因此，低速机控制空气管系在设计时不考虑铜管的具体布置方案，主要考虑控制空气气源单元及控制空气进气管系的设计。2.1 控制空气气源单元控制空气气源单元不仅用于控制空气系统，还为空气弹簧启动空气系统提供清洁稳压的空气。由于船舱侧供给的控制空气和主机侧启动空气对压力及清洁度要求不同，因此控制空气气源单元设置了2个进气口，并针对性地设计了2种不同的空气处理办法，阀件之间通过铜管连接。控制空气管系连接方案如图1所示。船舱侧的控制空气罐1提供0.70.9 MPa的控制空气，以及来自主机侧3.0 MPa的启动空气，分别通过进气口 A1 和 A2 进入控制空气气源单元。-2柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）2个进气口处均配有1个二位三通截止阀，来自控制空气罐1的空气可以直接进入减压阀1，而启动空气在通入减压阀2时，需要先经过空气滤清器以保证空气的湿度和所含杂质符合标准。减压阀上均装有额定压力为0.65 MPa的压力表，通过压力变送器接入低速机控制空气系统。每路空气管系都布置有止回阀，以防止空气倒流损坏压力表；2路空气在止回阀后互通。控制空气气源单元中A6端口为空气弹簧启动空气系统预留，出口前布置有二位三通截止阀3；A3端口一部分控制空气会储存在低速机主机上的控制空气罐2中，另一部分控制气动阀。A3端口前布置节流孔板，A6端口前布置二位三通截止阀3，能够在控制空气气源单元内部管路或者船舱侧控制空气系统发生泄漏时起到缓压作用，以避免相应管路中的空气压力快速下降 4，对低速机运行产生不良影响。2.2 控制空气进气管系基于低速机的性能，通过计算确定系列低速机的控制空气进气管的规格可采用DN15不锈钢管。对于DN15不锈钢管，设计时采用卡套式连接，相比于法兰连接，卡套式连接使系统更加紧凑，渐弯且平滑的内壁能减少压降 5。为便于运输和安装，设计控制空气进气管系单根直管的最大长度在4 000 mm以内，过长的管系需要分段。为便于固定管系，管系通常沿着低速机主机关重件外侧布置，管夹布置在卡套接头附近以减少管夹处的应力，有利于卡套密封。为方便连接，低速机主机侧系统与船舱侧系统的连接处常位于主机部件或者组件的分界面附近。3控制空气进气管系的系列化设计在低速机设计过程中，为避免因调整低速机本体部件导致重新规划管系路径，除了高压管系等需要特殊生产检验的管系外，其余管系布置在关重件设计完成后才进行。对低速机辅助系统的系列化设计，可缩短低速机的设计周期，减少绘制图纸的数量，有助于数据管理，提高生产和制造效率。3.1 相同缸心距低速机的控制空气进气管系以某缸心距为1 000 mm的低速机为例，对控制空气进气管系进行设计。首先，确定控制空气进气管系的起始位置。为方便工作人员的操作，将控制空气气源单元与电器箱看作一个整体，将其布置在低速机主机自由端的气缸体上，该位置位于上层托架和中层托架之间，工作人员可以同时控制多个控制箱。控制空气主机外接口就近布置在低速机主机自由端上层托架下，并且在靠近控制空气气源板、船舱侧控制空气进口的位置，如图2所示。低速机主机侧空气弹簧启动空气管系主管规格为DN200，各缸启动空气的支管规格为DN100，该控制空气进气管系对空间的要求远大于启动空气主管和各缸启动空气支管规格（均为DN15）。由于启动空气主管位于推力端，接入控制空气气源单元的起始点位于启动空气主管上，控制空气进气管系需图2控制空气气源单元位置图1控制空气管系连接方案-3柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）要符合启动空气管的设计。其次，缸心距为1 000 mm的低速机为58缸机，启动空气主管到控制空气气源单元的距离超过6 000 mm，故需要对该段管系进行分段处理，如图3所示。首尾两段分别为L1和L4：L1为控制空气气源单元进气管至上层托架自由端上层横梁的管系，L4为启动空气的支管接口至推力端上层横梁的管系。如果L1和L4的卡套接口之间的距离超过4 000 mm，可再进行分段，设计成L2和L3。该4段管系与控制空气主机外接口至控制空气气源板进入端口的管系（L5）组成了控制空气进气管系。控制空气进气管系的起始位置，相对低速机主机推力端第一缸和自由端第一缸的相对位置不变，即L1的管接头位于自由端第一个上层横梁，L4的管接头位于推力端第一个上层横梁，2个管接头在气缸数量不同的低速机主机上的距离为1个缸心距的长度，故通过改变L2和L3的设计，共用L1、L4和L5即可完成不同气缸数低速机的控制空气进气管系设计。为减少设计多样性，可以进一步将L2和L3设计为不同规格长度（方案一），并在不同气缸数的系列低速机主机上实现通用；或者将L2和L3设为相同规格长度（方案二），但长度规格随着气缸数改变。L2和L3分段方案比较见表1。由表1可知，完成L1和L4的连接，方案一需要长度2 000 mm和3 000 mm 2种规格的管系，而方案二需要2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm、4 000 mm 4种规格的管系。管系的规格总数越少，通用性越强，越有利于实现产品的系列化。结合方案一，对不同段管系进行组合就可以满足不同气缸数低速机的需求，最终得到相同缸心距不同气缸数的低速机控制空气进气管系的组合，见表2。3.2 不同缸心距低速机的控制空气进气管系对于不同缸心距的系列低速机主机，空气气源单元的设计完全一致，控制空气进气管系的组合方式完全相同。由于不同缸心距的低速机主机本体设计在尺寸上存在较大差异，L1、L4和L5需要进行调整以适应不同缸心距和本体部套设计。L2和L3的管子规格设计思路和缸心距为1 000 mm的低速机主机一致，规格长度分别为2倍和3倍缸心距，结合单根管系规格小于4 000 mm的设定，缸心距小于1 333 mm的系列低速机主机可应用上述控制空气进气管系的系列化设计。本文研究的低速机主机共有5个系列，不同系列低速机的L2和L3的规格见表3。该设计方法不仅能保证每段管系的长度适中，而且只需要设计25种不同规格的管系和1个空气气源单元，通过不同规格管系的组合即可实现5个系列低速机主机控制空气进气管系的所有功能。经统计，该系列不同缸心距低速机的主机控制空气进气管系设计未完全覆盖系列中所有低速机（下转第18页）图3控制空气进气管系分段表2相同缸心距不同气缸数的低速机控制空气进气管系组合气缸数5678控制空气进气管系组合L1+L2+L2+L4+L5L1+L2+L3+L4+L5L1+L3+L3+L4+L5L1+L2+L2+L3+L4+L5表1L2和L3分段方案比较系列低速机主机气缸数5678L2+L3总长度/mm4 0005 0006 0007 000方案一L2长度/mm2 0002 0003 0002 000（2根）L3长度/mm2 0003 0003 0003 000方案二L2长度/mm2 0002 5003 0003 500L3长度/mm2 0002 5003 0003 500-4柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）5 JI Z M，XIE X，SUN Z，et al.Rail pressure control of common rail diesel engine based on RBF neural network adaptive PID controller C/2011 International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology.Harbin：IEEE，2011.6 杨荣彬，王会，胡云峰，等.缸内直喷汽油机共轨压力滑模控制器设计 J.控制工程，2016，23（11）：1768-1773.7 凌健，谢辉.共轨柴油机基于瞬时轨压波形特征参数的喷油量观测方法 J.内燃机工程，2017，38（1）：63-69.8 谢辉，尹连浩，凌健.直喷汽油机燃油共轨系统轨压主动抗扰控制 J.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2014，47（10）：879-885.9 董奥，陈韬，陈大昕，等.直喷式汽油机共轨压力的无标定建模控制 J.内燃机工程，2020，41（5）：84-92.型号，L2和L3的管系规格长度不同且设计依据不统一，如果按照现有设计方案覆盖该系列所有型号低速机，管系规格总数将超过方案二的规格总数。参考方案二，5个系列低速机控制空气进气管系的规格总数为35个，而采用方案一的设计方法预计管系规格总数至少减少28%，可以减少设计时间。后续开发不同缸心距的低速机主机新机型时，该系列化设计思路也具有参考作用，即L2和L3的规格依旧延用2倍和3倍缸心距，再针对性设计L1、L4和L5这3种不同规格的管系，即可完成覆盖该缸心距下所有不同气缸数的系列低速机主机的控制空气进气管系。4结语本文将系列化设计方法应用于某低速机控制空气进气管系的设计，以缸心距为1 000 mm的低速机控制空气进气管系为例，优化了控制空气进气管系长度规格的划定方法，获得了相同缸心距不同气缸数的低速机控制空气进气管系组合。控制空气进气管系系列化设计方法不仅能大幅减少管系规格数量，提高系列低速机主机的管系系列化程度，减少设计人员的工作量，还可为后续新型低速机主机的管系系列化设计提供参考。参考文献1 谢京玮，谌炎辉，郑特.多特征复杂零件的模块化设计 J.广西科技大学学报，2020，31（4）：97-103.2 谢安国.安全阀管路设计 J.化工设计，2017，27（3）：24-27.3 施振宝.船舶压缩空气系统设计问题探讨 J.中国水运（下半月），2016，16（6）：119-122.4 黎洪江，曲伟东.低速机控制空气气源单元模块化设计 J.柴油机，2014，36（2）：36-38.5 世伟洛克公司.卡套管的使用有助于提高效率并达到更合格的标准 J.自动化仪表，2006，27（1）：62-63.表3不同缸心距低速机L2和L3的规格 单位：mm参数缸心距L2长度L3长度参数值8601 7202 5809401 8802 8201 0002 0003 0001 0602 1203 1801 2942 5883 882（上接第4页）-18