沒(méi)有核心競(jìng)爭(zhēng)力，就沒(méi)有話語(yǔ)權(quán)。生產(chǎn)自主品牌的船用低速柴油機(jī)是我國(guó)船舶工業(yè)幾代造機(jī)人的夢(mèng)想。
“從研發(fā)到制造，能夠親手推出一臺(tái)自己的低速機(jī)，是我們多年來(lái)的夙愿。”中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司柴油機(jī)學(xué)科帶頭人吳朝暉說(shuō)，5年來(lái)，在中船集團(tuán)及旗下滬東重機(jī)有限公司、中船動(dòng)力研究院有限公司的大力支持下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于守得云開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了自主品牌小缸徑低速機(jī)的從無(wú)到有。
2012年9月，“自主品牌小缸徑低速柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目正式立項(xiàng)。在工業(yè)和信息化部以及中船集團(tuán)的大力支持下，經(jīng)歷了概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程制造階段，首臺(tái)6EX340EF型樣機(jī)于2015年10月從位于滬東重機(jī)本部的總裝車間發(fā)運(yùn)到上海臨港的研發(fā)試驗(yàn)基地，試驗(yàn)階段的研究工作就此開(kāi)始。11月12日，6EX340EF首次成功點(diǎn)火起動(dòng)。目前，樣機(jī)已磨合至90%的負(fù)荷，幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求。
EX340機(jī)的背后，是一支年輕、富有朝氣和創(chuàng)新力的隊(duì)伍，這支隊(duì)伍由劉旭、尹子峰、劉博、董晶瑾等20多位核心技術(shù)人員組成。他們所在的中船動(dòng)力研究院研發(fā)團(tuán)隊(duì)是目前國(guó)內(nèi)唯一一支致力于低速機(jī)研發(fā)的團(tuán)隊(duì)，正是這些投身中國(guó)自主品牌低速機(jī)事業(yè)的拓荒者，將夢(mèng)想照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。
概念設(shè)計(jì)——經(jīng)驗(yàn)派遇到了理論派
通過(guò)30年的技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)的柴油機(jī)制造技術(shù)有了大幅提高，已能生產(chǎn)世界上最先進(jìn)的船用大功率低速柴油機(jī)，但是在生產(chǎn)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)企業(yè)基本是按照專利商提供的設(shè)計(jì)清單、圖紙、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求進(jìn)行制造和試驗(yàn)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程依賴專利商的技術(shù)支持，關(guān)鍵零部件還需要進(jìn)口。
自2008年國(guó)際金融危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，低速機(jī)價(jià)格幾乎被腰斬，而專利商依靠提成費(fèi)用依然可以獲得穩(wěn)定的收入，國(guó)外核心關(guān)重件的供應(yīng)價(jià)格也不降反升。與此形成鮮明反差的是，國(guó)內(nèi)低速機(jī)制造企業(yè)在成本不斷上升、主機(jī)出廠價(jià)不斷下降的“剪刀效應(yīng)”下，已無(wú)利潤(rùn)可圖，部分基礎(chǔ)較差、前期投入較大的企業(yè)陷入困境。
EX340型機(jī)的歷史可追溯到1985年，當(dāng)時(shí)滬東造船廠牽頭研制了34/82型機(jī)，再往前追溯，是我國(guó)首臺(tái)自主品牌低速機(jī)43/82型機(jī)。不過(guò)34/82系列機(jī)受專利機(jī)引進(jìn)等因素影響，逐漸退出了歷史舞臺(tái)。如今，“不能一直做專利機(jī)，要往前端走，要做研發(fā)”這個(gè)念頭在造機(jī)人的內(nèi)心越扎越深，自主品牌船用主機(jī)的重啟工作被提上日程。從數(shù)字化造機(jī)、動(dòng)力研發(fā)平臺(tái)項(xiàng)目到陸續(xù)開(kāi)展MV390中速機(jī)、EX340低速機(jī)的研制，在滬東重機(jī)、中船動(dòng)力研究院等船用主機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)商的引領(lǐng)下，近年來(lái)我國(guó)自主品牌船用主機(jī)的發(fā)展道路清晰可見(jiàn)。
時(shí)間倒回到2012年9月，6EX340EF正式進(jìn)入概念設(shè)計(jì)階段。萬(wàn)事開(kāi)頭難。從無(wú)到有勾勒出低速機(jī)的藍(lán)圖，曾讓整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了一段迷茫痛苦的時(shí)期。劉博，中船動(dòng)力研究院研究開(kāi)發(fā)部高級(jí)工程師，2011年加入“自主品牌小缸徑低速柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目申報(bào)團(tuán)隊(duì)，當(dāng)時(shí)和他一起加入的，有不少是剛走出校門的大學(xué)生。他坦言，從項(xiàng)目申報(bào)到概念設(shè)計(jì)，最初的團(tuán)隊(duì)擁有深厚的理論基礎(chǔ)，卻缺乏產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，這導(dǎo)致曾有一段時(shí)間，項(xiàng)目組頻繁開(kāi)會(huì)卻難有決策。
瓶頸期的項(xiàng)目組迎來(lái)了主任設(shè)計(jì)師劉旭的加入，這位在滬東重機(jī)擁有豐富柴油機(jī)開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的資深專家，將理論型和實(shí)踐型的兩支力量有機(jī)整合起來(lái)。概念設(shè)計(jì)階段，熟悉產(chǎn)品的技術(shù)人員先梳理出主機(jī)市場(chǎng)上主流產(chǎn)品各零部件的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)缺點(diǎn)，“學(xué)院派”則負(fù)責(zé)研究和核對(duì)選擇這些結(jié)構(gòu)的理論模型。然后，項(xiàng)目組對(duì)各零部件的優(yōu)缺點(diǎn)、外觀、性能、成本、強(qiáng)度等進(jìn)行綜合打分，確定各零部件的選型，從而完成了6EX340EF的概念設(shè)計(jì)。
新一代EX340系列超長(zhǎng)沖程低速柴油機(jī)缸徑為340毫米，沖程為1600毫米，轉(zhuǎn)速為每分鐘169轉(zhuǎn)，采用高強(qiáng)度緊湊設(shè)計(jì)，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，單缸功率達(dá)920千瓦。該型主機(jī)采用高效高壓比渦輪增壓器和第三代高壓共軌燃油系統(tǒng)，優(yōu)化了燃燒過(guò)程，提高了熱效率；采用模塊化電控燃油系統(tǒng)及集成式伺服油系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用傾斜式主軸承螺栓孔設(shè)計(jì)以及軸承蓋側(cè)邊定位等多項(xiàng)易維護(hù)性設(shè)計(jì)，整機(jī)平均大修期達(dá)36000小時(shí)。該型機(jī)滿足國(guó)際海事組織（IMO）Tier Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)要求，配置選擇性催化還原（SCR）后處理裝置后，可滿足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，該型主機(jī)采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)模態(tài)試驗(yàn)和仿真分析，整機(jī)具有良好的振動(dòng)噪聲特性。
詳細(xì)設(shè)計(jì)——缺乏數(shù)據(jù)庫(kù)也要上
“其實(shí)，通過(guò)評(píng)審、專家拍板的辦法來(lái)確定概念設(shè)計(jì)，是沒(méi)有辦法的辦法，當(dāng)時(shí)我們沒(méi)有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，很難進(jìn)行科學(xué)決策，這是項(xiàng)目開(kāi)展最難的一點(diǎn)。”劉博說(shuō)。
2013年7月，項(xiàng)目正式進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，樣機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)研究工作有序推進(jìn)。同年9月，中船動(dòng)力研究院正式成立，其以滬東重機(jī)研發(fā)人員為主要班底，專門從事船用主機(jī)的研發(fā)工作。
EX340系列機(jī)是國(guó)內(nèi)首次采用仿真手段進(jìn)行研發(fā)的低速機(jī)。仿真技術(shù)在中高速機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用上已經(jīng)運(yùn)用得很成熟了，但低速機(jī)的仿真計(jì)算沒(méi)有多少經(jīng)驗(yàn)可循，因此設(shè)計(jì)人員首先要對(duì)軟件開(kāi)展大量的二次開(kāi)發(fā)工作。該項(xiàng)目仿真設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人董晶瑾表示：“從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證，一切都是摸著石頭過(guò)河。”
在概念設(shè)計(jì)之初，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)定的目標(biāo)就是6EX340EF性能指標(biāo)全面超越對(duì)標(biāo)機(jī)型。據(jù)悉，6EX340EF的爆壓被設(shè)計(jì)為220巴（bar），然而第一次仿真計(jì)算時(shí)技術(shù)人員就發(fā)現(xiàn)，相關(guān)受熱部件的強(qiáng)度達(dá)不到。可是如果給受熱部件換材料，則成本太高，不現(xiàn)實(shí)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)群策群力，先計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的熱應(yīng)力，再針對(duì)不同的區(qū)域采用不同的冷卻方式：在溫度不高的地方進(jìn)行震蕩冷卻，在溫度高的部位進(jìn)行噴射冷卻，從而保障受熱部件的強(qiáng)度。
6EX340EF的十字頭設(shè)計(jì)特殊，其仿真計(jì)算校核難度很大，甚至相關(guān)供貨商都沒(méi)有成熟的計(jì)算方法。通常而言，常規(guī)軸承為全旋轉(zhuǎn)型式，相關(guān)的仿真計(jì)算已趨于成熟。然而，EX340型機(jī)采用的是半旋轉(zhuǎn)軸承，潤(rùn)滑情況比較復(fù)雜。“十字頭又是受力很大的零部件，轉(zhuǎn)速越高，油膜分布越有利，對(duì)軸承越好。但EX340型機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，尤其是在上支點(diǎn)、下支點(diǎn)的轉(zhuǎn)速接近于零，這對(duì)分析仿真來(lái)說(shuō)難度非常大，并沒(méi)有成熟的解決方案。”相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，即便是軸瓦供應(yīng)商也只能進(jìn)行常規(guī)方法的計(jì)算，無(wú)法全面反映潤(rùn)滑情況。目前， 6EX340EF樣機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)有序開(kāi)展，高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后的檢查表明軸承、活塞等運(yùn)動(dòng)件運(yùn)行情況良好，隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還會(huì)對(duì)十字頭在不同工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行密切觀察。
性能調(diào)試——不積跬步，無(wú)以至千里
2015年9月25日，在各方面的共同努力下，6EX340EF樣機(jī)汽缸體、機(jī)架與機(jī)座的總裝大合攏圓滿完成，開(kāi)發(fā)研制工作取得了階段性的勝利。合攏后的2015年10月，樣機(jī)從位于滬東重機(jī)本部的總裝車間發(fā)運(yùn)到上海臨港的研發(fā)試驗(yàn)基地，試驗(yàn)階段的研究工作開(kāi)始了。11月12日，6EX340EF實(shí)現(xiàn)了首次成功點(diǎn)火起動(dòng)，項(xiàng)目進(jìn)入樣機(jī)磨合和性能調(diào)試階段。
回顧6EX340EF樣機(jī)磨合的各個(gè)階段，每5%負(fù)荷的增加，都是在無(wú)數(shù)個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題、排查問(wèn)題、解決問(wèn)題的循環(huán)往復(fù)下不斷推進(jìn)的。
2016年1月，主機(jī)磨合至10%的負(fù)荷，通過(guò)更換ECU控制板和更新控制軟件，解決排氣閥開(kāi)閉不正常問(wèn)題；
2016年4月1日，6EX340EF主機(jī)運(yùn)行達(dá)到30%負(fù)荷時(shí)，通過(guò)節(jié)流螺釘調(diào)整排氣閥開(kāi)度，主機(jī)繼續(xù)磨合；
2016年6月，6EX340EF磨合至50%負(fù)荷，主機(jī)工作正常，第二次拆檢關(guān)鍵件，檢查合格后，繼續(xù)下一階段的磨合……
作為新機(jī)型，6EX340EF的研制采用了不少先進(jìn)的技術(shù)理念，如為了順應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)、降低成本，液壓系統(tǒng)采用了高壓補(bǔ)油技術(shù)。因此每一小時(shí)動(dòng)車調(diào)試出現(xiàn)的問(wèn)題，都需要項(xiàng)目調(diào)試團(tuán)隊(duì)花更多的時(shí)間去解決。
今年春節(jié)后，性能調(diào)試團(tuán)隊(duì)著手開(kāi)展排氣閥的故障排查和改進(jìn)工作。排氣閥是機(jī)電液綜合的系統(tǒng)，存在很多耦合，問(wèn)題排查過(guò)程非常復(fù)雜煩瑣。從問(wèn)題排查到相關(guān)零部件更改設(shè)計(jì)、加工、裝配，前后經(jīng)歷了好幾個(gè)月的時(shí)間，問(wèn)題才得以解決，也讓技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)排氣閥這種機(jī)電液綜合的復(fù)雜設(shè)備的理解進(jìn)一步加深。
新機(jī)型有很多不同于以往專利柴油機(jī)的地方，不少參與動(dòng)車調(diào)試的老師傅感嘆，很多問(wèn)題事先想都想不到，都是第一次碰到。在樣機(jī)運(yùn)行到30%～40%負(fù)荷的階段，主機(jī)燃油共軌系統(tǒng)出現(xiàn)油壓突增的故障。“當(dāng)時(shí)燃油共軌的壓力非常高，到了1800巴，超過(guò)了1500巴的工作極限。”6EX340EF項(xiàng)目經(jīng)理尹子峰介紹說(shuō)，事后故障排查發(fā)現(xiàn)，是壓力卸放和泵的控制閥兩個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題。據(jù)了解，這兩個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障的概率都是萬(wàn)分之一，同時(shí)發(fā)生的概率極低，但還是發(fā)生了。
去年此時(shí)，6EX340EF即將完成大合攏，如今樣機(jī)的試驗(yàn)工作已進(jìn)入了第11個(gè)月，市場(chǎng)化推廣工作也已全面啟動(dòng)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)初步試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，6EX340EF在油耗、功率密度等關(guān)鍵指標(biāo)上都優(yōu)于其他同類產(chǎn)品，預(yù)計(jì)在推向市場(chǎng)后將有卓越的競(jìng)爭(zhēng)力。
中船動(dòng)力研究院對(duì)EX340的市場(chǎng)定位是，適用于江海聯(lián)運(yùn)、近海航運(yùn)的普通船舶及特種船舶，如靈便型油船、靈便型散貨船、支線集裝箱船、冷藏船、小型液化石油氣（LPG）船、化學(xué)品船等。隨著試驗(yàn)的進(jìn)一步推進(jìn)，6EX340EF樣機(jī)或許還將迎戰(zhàn)更多的問(wèn)題。無(wú)論從技術(shù)還是市場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)，EX340的拓荒之路仍在繼續(xù)。
