某型主机低温冷却水温控阀的改进

    9000KW救助拖轮，某著名品牌9L32主机两台，单机功率4500KW，均通过离合器和齿轮箱驱动可变螺距螺旋桨，并带动轴带发电机一台（1700KW，供艏、艉侧推及拖缆机使用）和对外消防泵一台（排量1753m3/h）。本局目前已有9艘该型拖轮投入使用，6艘在建。
    1 9000KW救助拖轮主机冷却水系统
    该型救助拖轮，机舱冷却水采用是集中式冷却系统，两台板式中央冷却器，有低温冷却水回路和高温冷却水回路，系统原理见图1。

图1 主机冷却水系统原理图

    高温水，两台高温淡水泵（一台机带泵主用，一台电动泵备用，图中显示一台）供水，冷却主机缸套、缸头喷油器和进、排气阀座等部件，回水由高温水温度调节三通阀（以下简称温控阀）自动调节进入中央冷却器和机带高温水泵两路的水量，使回水温度维持在设定值（93℃，98℃高温报警），还配置一台缸套水加热装置（泵和电加热器），保持主机完车期间高温淡水温度。
    低温水，两台低温淡水泵（一台机带泵主用，一台电动泵备用，图中显示一台）供水，先后冷却主机增压空气和润滑油，回水由低温水温控阀自动调节进入中央冷却器和低温水泵两路的水量，使回水温度维持在设定值（42℃，45℃高温报警）。
    高温水的温控阀机构与低温阀不同，下面只讨论低温水温控阀。
    温控阀主要由壳体、控制活塞、控制缸套、感温元件和弹簧组成，见图2。

1.堵头螺栓；2.止动挡圈；3.钢垫；4.弹簧；5.控制缸套；6.控制活塞；7.温包架；
8.感温元件；9.止动挡圈；10.导销；11.端盖；12.螺栓；13.调节螺栓；14.固定挡销；
图2 低温水温控阀的结构示意图

    （1）壳体和控制缸套
    壳体，中心园孔，容纳控制缸套和控制活塞。
    壳体和控制缸套，孔壁分中、左、右三个通道，中通道接滑油冷却器来的冷却水，左通道通往中央冷却器，右通道通向低温水泵吸口。
    沿中心线，左端盖上装有调节活塞移动的弹簧装置（2、3、4）；右端盖上装有应急手动调节水温的调节螺栓13，通过导销10和止动挡圈9作用于感温元件8。
    右端盖内侧，设有一根不锈钢固定挡销14，用以限制控制活塞在缸套内旋转小于约80°。
    （2）控制活塞，由外缘面、支撑架和中心套管组成：
    外缘，分中、左、右三段，中段空，左、右两段都是圆筒，圆筒截面凹形，左右突缘与控制缸套接触处密封形成滑阀。
    十字形支撑架，使控制活塞外缘与中心套管成一体。
    中心套管也是温包架，其左端作为弹簧座装入调节活塞移动的弹簧，右端支撑温包8感受滑油冷却器来的冷却水温度。
    动作原理：
    冷却水温度低于设定值，温包冷缩，壳体左端的弹簧装置推动整个控制活塞右移，控制活塞左段滑阀关小通往中央冷却器的水道，控制活塞右段滑阀开大通往低温水泵吸口的水道，冷却水温度得以升高；
    冷却水温度高于设定值，温包热涨，克服壳体左端的弹簧力，推动整个控制活塞右移，控制活塞左段滑阀开大通往中央冷却器的水道，控制活塞右段滑阀关小通往低温水泵吸口的水道，冷却水温度得以降低。
    2 故障情况介绍
    北海救助局已投入使用的三艘9000KW救助拖轮，北海救111”轮和“北海救112”轮2008年9月先后主机低温水温控阀失灵，“北海救113”轮更是2009年8月以及解体修理不久的12月31日连续两次主机低温水温控阀故障。
    温控阀几次故障现象，主要是：
    固定挡销14脱落或根部断裂（见图3）；

图3 挡销断裂

    控制活塞与控制缸套配合表面磨损，间隙变大，无法控制水流；
    控制活塞与控制缸套配合表面偏磨，控制活塞移动受阻，行程不足甚至卡死（多发生在冷车向热车过渡阶段，见图4）。

图4 壳体与活塞咬死

    主机低温水温控阀故障，直接导致空冷器和滑油冷却器的冷却效果下降，增压空气温度升高，排温上升，滑油温度升高，主机只能在低负荷运行，严重影响船舶执行救助任务。
    3 故障原因分析
    针对此故障，设备供应商给出的解决办法就是更新损坏的活塞、缸套、温包等，不能彻底消除故障。
    从故障现象可以看出，温控阀故障与固定挡销松脱或断裂有直接关系，包括：
    （1）水流冲击使控制活塞旋转
    控制活塞在控制缸套内水平移动范围小、速度低，且有大量的水润滑，磨损小。控制活塞旋转撞断固定挡销，说明水流冲击控制活塞的力很大。
    控制活塞卡死多发生在冷车向热车过渡阶段，也是因为这个阶段水温变化大，控制活塞移动频繁，冷却水流向变化大。
    （2）固定挡销强度不足
    固定档销，直径只有8mm，强度不足。
    固定档销可以限制控制活塞转动范围，但控制活塞转动范围仍接近90°。固定档销一旦被撞断，控制活塞旋转不受限制且旋转速度更高，控制活塞与控制缸套配合面就会严重磨损。
    4 改进措施
    从故障原因分析可知，消除此故障的最好方法是避免水流冲击控制活塞，但是温控阀结构难以改变，主机负荷变化引起的水流变化也不可控，只能设法减小控制活塞旋转。
    方法是将固定挡销的直径加粗到10mm，并在原固定挡销的轴对称位置增加一个固定挡销（见图5和图6），两个挡销限制控制活塞只能在很小范围转动，从而减少其冲击力。

图5 改进后的端盖装配两根加粗挡销

图6 固定挡销位置示意图

    这样，控制活塞就以横向移动为主，旋转角度很小，减轻了控制活塞与控制缸套的磨损和避免卡阻。
    5 总结
    该低温冷却水温控阀，简化了设计，减小了尺寸，布置也较合理，但在主要部件的材料选择和流体特性计算方面没能处理好，致使故障频发。通过以上改进，本局上述三艘9000KW救助拖轮的WARTSILA9L32主机的低温水温控阀故障率已大幅减少，但日常使用和管理还要注意一些细节，包括：
    控制中央冷却淡水水质，避免杂质进入系统，膨胀水箱定期放残，定期化验，及时投药。
    主机冷车启动后，缓慢加速，确保设备各部件温度均匀缓慢上升。
    避免主机负荷急剧变化，防止水温急剧变化引起温控阀内淡水流向/流量急剧变化损坏温控阀零件。