El sistema de propulsión de una determinada embarcación encargada de hacer cumplir la ley pesquera consta de dos motores diésel de propulsión, una caja de cambios de reducción paralela de doble-motor, un conjunto de hélices de paso controlable y ejes. El motor principal es un motor marino de cuatro-tiempos, inyección directa, turboalimentado e intercooler de velocidad media-en una configuración en-línea. La caja de cambios adopta una caja de cambios paralela con cojinetes de empuje y embragues de alta-elástica. El diagrama esquemático de la estructura del dispositivo de propulsión principal de la embarcación se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Diagrama esquemático del sistema de propulsión principal de la embarcación
I. Fenómeno de falla
Durante el mantenimiento mensual, la tripulación encontró una gran cantidad de restos metálicos en el cárter de aceite del motor principal. Después de informar, se decidió realizar de inmediato un mantenimiento en el motor principal para identificar el origen de los restos metálicos. La tripulación del barco desmontó e inspeccionó el motor diésel, realizando comprobaciones detalladas de componentes importantes como la culata, la camisa del cilindro, el conjunto de biela del pistón, el casquillo del cojinete principal, el árbol de levas y el cigüeñal. Durante el proceso, se descubrieron los siguientes síntomas de falla.
1) Se encontró óxido en varias partes.
(1) árbol de levas
Después de desmontar la "tapa del orificio de observación", se observó óxido en las superficies del 4º y 6º árbol de levas. Las condiciones de oxidación del 4º y 6º árbol de levas se muestran en la Figura 2.
Figura 2 Condiciones de oxidación de los árboles de levas No. 4 y No. 6
(2) Semicojinetes de bancada.
Al desmontar e inspeccionar los casquillos de los cojinetes de bancada, se encontró que los casquillos de los cojinetes de bancada correspondientes a cada cilindro estaban todos oxidados en diversos grados, y la oxidación se profundizó gradualmente desde el extremo libre hasta el extremo de salida. Las partes oxidadas eran todas la mitad superior de los casquillos del cojinete principal.
La condición de oxidación de la mitad superior del casquillo del cojinete principal de la 1.ª marcha se muestra en la Figura 3.
Figura 3 Estado de oxidación de la mitad superior del casquillo del cojinete principal del engranaje No. 1
(3) cigüeñal
Después de retirar la biela del pistón y otros accesorios del cigüeñal, como el casquillo del cojinete, se observó que había óxido en la superficie del cigüeñal, siendo el más grave el muñón principal del engranaje número . 5. La condición de oxidación del muñón principal del engranaje No. 5 se muestra en la Figura 4.
Figura 4 Estado de oxidación del muñón del eje del engranaje 5#
2) Desgaste del casquillo del cojinete principal y de la arandela de empuje.
Después del desmontaje, se encontró que el casquillo del cojinete principal y la arandela de empuje de la séptima marcha estaban muy desgastados y se produjeron desgarros del metal. Se determina preliminarmente que esta es la principal fuente de desechos metálicos. Las condiciones de desgaste del casquillo del cojinete principal y la arandela de empuje de la séptima marcha se muestran en la Figura 5.
Figura 5 Condiciones de desgaste del casquillo del cojinete principal y la arandela de empuje del engranaje No. 7
II. Método de análisis del árbol de fallas y análisis del barco real
El análisis de árbol de fallas es un método comúnmente utilizado para resolver eficazmente sistemas de fallas complejos. Realiza análisis deductivos de fallas de arriba a abajo. Específicamente, analiza varios factores que pueden causar fallas paso-paso-desde el sistema general hasta sus componentes en una estructura ramificada en forma de árbol-. Este método de análisis puede diagnosticar fallas del sistema mediante la construcción de diagramas de bloques lógicos y el razonamiento paso a paso para analizar las causas de las fallas.
2. Análisis del árbol de fallas del daño al casquillo del cojinete principal
Hay muchas razones para el desgaste anormal de los semicojinetes de los motores diésel. Según el método de análisis de árbol de fallas, tomando como evento principal el daño del cojinete de bancada del motor diesel, se analizan los eventos causantes que conducen a esta falla. El árbol de fallos se enumera y analiza de acuerdo con la relación lógica adecuada. El árbol de fallas por daños al semicojinete principal se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Árbol de fallas de daños en el casquillo del cojinete principal
Como se muestra en la Figura 6, las causas de la falla se pueden atribuir a los siguientes siete eventos básicos: instalación inadecuada del cuerpo del motor, instalación inadecuada de los semicojinetes, cavitación de los semicojinetes, material deficiente de los semicojinetes, mala calidad del aceite lubricante, aceite lubricante insuficiente y daño a los semicojinetes principales causado por el funcionamiento-de alta-carga a largo plazo del motor diesel.
1) Instalación de la maquinaria.
La instalación de los motores principales, como el centrado y el aislamiento de vibraciones, no cumplió con los requisitos, lo que resultó en una carga desigual o vibración de los motores principales, lo que provocó el desgaste de los cojinetes.
Después de producirse la falla, se inspeccionaron las condiciones de centrado de los dos motores principales. La inspección encontró que los parámetros de centrado de los dos motores principales cumplían con los requisitos de instalación y las diferencias en comparación con la última reparación en dique seco estaban dentro del rango aceptable. Por tanto, este incidente básicamente puede descartarse.
2) Instalación del casquillo del cojinete.
El casquillo del cojinete inferior del cojinete principal sostiene el cigüeñal, manteniendo la línea central del muñón principal del cigüeñal en línea recta.
La desalineación de la línea central provoca la flexión del cigüeñal y un aumento de la carga sobre el cojinete principal. Si los dos cojinetes a la izquierda y a la derecha del recorrido del cigüeñal son demasiado bajos, la línea central del cigüeñal se doblará hacia abajo y formará un arco.
Cuando la manivela esté en el punto muerto inferior, se retraerá; por el contrario, cuando esté en el punto muerto superior, el recorrido de la manivela se extenderá.
La diferencia en la extensión y retracción del cigüeñal es proporcional a la diferencia de altura del cojinete principal, por lo que se puede utilizar para medir si el cigüeñal está centrado y, por tanto, el estado del casquillo del cojinete.
Después de consultar las especificaciones de diseño de este motor diésel-de velocidad media, se descubrió que el cigüeñal del motor diésel tiene una rigidez relativamente alta. La desalineación de la línea central sólo podría ser causada por el espacio en los semicojinetes inferiores de los cojinetes principales. Revise los datos de diferencia de recorrido del cigüeñal del motor principal después de la última revisión de fábrica y mida la diferencia de recorrido actual del cigüeñal del motor principal, y compárelos respectivamente con los requisitos de parámetros en el manual. Después de la investigación y verificación, se encontró que se cumplían los requisitos de espacio y básicamente se podía descartar la influencia del espacio de instalación del casquillo del cojinete.
3) Erosión por cavitación de semicojinetes.
Cuando la superficie del semicojinete se mueve en relación con el aceite lubricante, la alta temperatura y la alta presión locales causadas por la ruptura de las burbujas de gas provocan fatiga y desprendimiento de la superficie del semicojinete, provocando así defectos.
El fenómeno de cavitación se presenta como un denso panal de agujeros-en forma de agujas, y la superficie exterior de los agujeros está limpia y generalmente no está cubierta con productos de corrosión.
Basándose en las características de los semicojinetes de este motor diésel, se puede determinar que no se ha producido erosión por cavitación y básicamente se puede descartar la influencia de la erosión por cavitación en los semicojinetes.
4) Material del casquillo del cojinete.
Este casquillo de rodamiento adopta un diseño de pared-delgada y está compuesto por una capa de aleación de aluminio, un revestimiento y una pantalla de níquel. El diagrama de estructura del casquillo del cojinete se muestra en la Figura 7.
Figura 7 Diagrama de estructura del revestimiento del rodamiento
La estructura de ranura adoptada por este casquillo de cojinete generalmente no se desgasta a través de la pantalla de níquel y su calidad es relativamente confiable. Mientras tanto, este casquillo de cojinete tiene una baja tasa de desgaste. Según las pruebas realizadas por el fabricante original, incluso cuando el casquillo del cojinete está sometido a cargas elevadas y condiciones de película de aceite delgada, el desgaste del casquillo del cojinete sigue siendo bajo. Ambos casquillos de cojinete proceden del mismo lote de productos, por lo que básicamente se puede descartar la influencia del material del casquillo de cojinete.
5) Calidad del aceite lubricante.
La mala calidad del aceite lubricante puede provocar un desgaste anormal de los pares móviles principales de los motores diésel, como los anillos de empuje, los casquillos de los cojinetes de bancada y los casquillos de los cojinetes de biela, etc. [3].
Hay varias situaciones en las que la calidad del aceite lubricante es deficiente. Podría deberse a que entran impurezas en el aceite, o a que el aceite se oxida y forma sedimentos después de un uso prolongado-plazo, o a que el aceite se emulsiona y se deteriora debido a la mezcla de agua de mar o agua dulce, lo que da como resultado una película de aceite no calificada.
Tras la inspección, se encontró que las superficies de los casquillos de cojinete principal, cigüeñal, árbol de levas, etc. dentro del cuerpo del motor diesel estaban oxidadas en diversos grados y el aceite lubricante mostraba un ligero fenómeno de emulsificación. Por tanto, no se puede descartar que el impacto haya sido provocado por la mala calidad del aceite lubricante.
6) Aceite lubricante insuficiente.
El aceite lubricante insuficiente incluye principalmente un volumen de aceite lubricante insuficiente o una presión de aceite lubricante insuficiente. Un volumen insuficiente de aceite lubricante provocará una lubricación inadecuada y será difícil establecer una película de aceite entre el casquillo del cojinete y el cigüeñal. Una presión insuficiente del aceite lubricante provocará un enfriamiento insuficiente del casquillo del cojinete, lo que generará altas temperaturas y provocará daños en el casquillo del cojinete. Después de verificar el volumen y la presión del aceite lubricante, se encontró que cumplían con los requisitos de diseño del volumen de aceite lubricante del motor diesel, por lo que básicamente se puede descartar la influencia causada por una cantidad insuficiente de aceite lubricante.
7) Funcionamiento-a largo plazo bajo carga elevada.
Cuando un motor diésel funciona bajo carga elevada durante mucho tiempo, la carga de impacto entre el casquillo del cojinete y el cigüeñal aumenta, la película de aceite entre ellos se vuelve más delgada y, en algunos casos, no se puede formar una película de aceite completa. Esta situación provoca un desgaste anormal del casquillo del cojinete e incluso puede provocar el fallo del cojinete.
Después de verificar el registro de navegación, no hubo ningún registro de operación-a largo plazo bajo carga alta, por lo que básicamente se puede descartar la influencia causada por la operación-a largo plazo bajo carga alta.
III. Localización y eliminación de fallos
Según el análisis del árbol de fallas del daño del casquillo del cojinete principal, la posible causa del daño al casquillo del cojinete principal de este motor podría ser la calidad deficiente del aceite lubricante. Por lo tanto, se realizó un análisis adicional del sistema de aceite lubricante. Se estudió el sistema de aceite lubricante de este buque y el diagrama esquemático del sistema de aceite lubricante se muestra en la Figura 8.
Figura 8 Diagrama esquemático del sistema de aceite lubricante
Este tipo de motor diésel puede tener dos modos de lubricación: cárter húmedo y cárter seco. Cuando se utiliza un cárter húmedo, la bomba de aceite lubricante-impulsada por el motor extrae el aceite lubricante del cárter. El aceite lubricante pasa a través de una válvula de retención, una válvula reguladora de presión, una válvula termostática, un enfriador, un filtro, cojinetes y un turbocompresor antes de regresar al sumidero, formando un ciclo de lubricación. Cuando el aceite lubricante alcanza el tiempo de servicio recomendado o su calidad es deficiente, se descarga al tanque de aceite sucio para su reemplazo. Si el motor diésel tiene un tanque de sedimentación de aceite separado, el aceite lubricante se extrae del sumidero al tanque de sedimentación, se separa aún más mediante el separador de aceite y luego se reutiliza.
Después de la investigación, se descubrió que la embarcación estaba operando con un sistema de sumidero húmedo y que el purificador de aceite lubricante no se había utilizado durante mucho tiempo. Por lo tanto, se sospecha que podría haber un problema con la calidad del aceite lubricante y se envió el aceite lubricante para su prueba. Según el informe de la prueba del aceite lubricante, se encontró que el contenido de iones Na y Mg era anormalmente alto, por lo que se puede determinar preliminarmente que el aceite lubricante estaba contaminado con agua de mar.
Para analizar más a fondo la fuente del aceite lubricante que ingresa al agua de mar y eliminar la "causa raíz", se realizó un análisis más detallado del sistema de enfriamiento de agua de mar de este motor principal. El diagrama esquemático del sistema de enfriamiento de agua de mar se muestra en la Figura 9.
Figura 9 Diagrama esquemático del sistema de enfriamiento de agua de mar
Después de ser aspirada por la bomba de agua de mar, el agua de mar pasa respectivamente a través del enfriador de aire del motor principal, el enfriador de aceite lubricante del motor principal y el enfriador de agua dulce del motor principal para enfriarlos. Si hay entrada de agua en el aceite lubricante, el agua de mar puede filtrarse en el aceite lubricante a través del enfriador de aceite lubricante, provocando el deterioro del aceite lubricante y posteriormente provocando oxidación y daños en los casquillos de los cojinetes principales, los cojinetes y los árboles de levas, etc.
En conclusión, después de un análisis detallado del árbol de fallas del daño del casquillo del cojinete principal, se encontró que la causa fundamental del daño del casquillo del cojinete principal fue la infiltración de agua de mar en el aceite lubricante en el enfriador de aceite lubricante, lo que provocó el deterioro del aceite lubricante y posteriormente la corrosión de los componentes internos del motor principal, lo que finalmente resultó en un desgaste severo del casquillo del cojinete principal.
Por ello se proponen los siguientes planes de reparación y sugerencias de mantenimiento diario para la tripulación:
1) Reemplace los casquillos de cojinete y las arandelas de empuje muy desgastados y oxidados, repare los casquillos de cojinete ligeramente oxidados y repare el árbol de levas oxidado.
2) Reparar el muñón principal del cigüeñal y verificar sus parámetros mecánicos después de la reparación.
3) Lave el sistema de aceite lubricante, reemplace el aceite lubricante nuevo y tome muestras y verifique la calidad del aceite lubricante después del reemplazo.
4) Se recomienda que la tripulación envíe periódicamente el aceite lubricante para inspección y que las muestras para inspección se tomen de diferentes sistemas de lubricación.
IV. Conclusión
El desgaste anormal del casquillo del cojinete principal del motor es una falla común en los motores diésel. Este artículo utiliza el método de análisis de árbol de fallas para analizar una por una las posibles causas del desgaste anormal del casquillo del cojinete principal del motor, determinando rápidamente la causa del problema. Tras la posterior rectificación y verificación no se encontró ningún desgaste anormal, lo que indica que el análisis y la rectificación fueron efectivos.