船舶柴油機加速受限故障樹研究

隨著我國對外貿易的拓展和船舶運輸業(yè)的發(fā)展,船舶運輸已經成為我國對外貿易的主要運輸方式之一,船舶出海的時間和頻率大大增加,船舶柴油機的故障率也隨著出海頻次的增加而升高,對作為船舶主動力的柴油機帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前輪機從業(yè)人員對柴油機的常規(guī)故障分析與解決方法已經積累了一定的經驗,針對一些突變性故障也進行過理論研究[1-5]。

然而,柴油機的故障也有很多是“隱性、慢性”的[6-9],不是突發(fā)性的,而是經歷了長時間的量變到質變的過程,故障的原因往往也是“隱形”的,這就對輪機操作管理員的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求。發(fā)生故障時,要結合柴油機結構特點對故障做出全面分析,有針對性排查故障,才能準確定位故障原因并排除故障。本文針對船舶柴油機加速受限這一故障,從故障本質出發(fā),將該故障原因分為:機械部分異常導致加速無力、轉速控制系統(tǒng)故障導致無法加速,以及安全保護系統(tǒng)生效限制加速三種。

構建故障樹分析體系對上述三種主要故障原因作進一步分析,并輔以案例進行補充說明,為輪機操作管理人員排除船舶柴油機加速受限故障提供借鑒。一、故障機理船舶柴油機相對于其他柴油機具有以下特點:(1)船舶柴油機工作時間長、負荷大;

(2)船舶柴油機監(jiān)控系統(tǒng)已經非常成熟,安保系統(tǒng)功能強大,大多通過電子調速器進行轉速控制;

(3)船舶柴油機(特別是主機)的負荷變換頻繁;

(4)船舶柴油機航區(qū)比較廣,經常穿梭于寒區(qū)、溫區(qū)和熱區(qū),環(huán)境溫度變化大;

(5)船舶主動力柴油機后帶有傳動軸、推力軸承、齒輪箱、調距槳等設備,這些部件出現(xiàn)故障也有可能導致監(jiān)控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)起作用從而限制柴油機加速;(6)船舶柴油機時常發(fā)生大角度橫傾和縱傾,容易導致海水進入。船舶柴油機在工作過程中加速受限的主要定義為:

柴油機是可以運行的,但是在加速時轉速受到限制,難以提高轉速。

結合船舶柴油機及其監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理及運行特點可知,發(fā)生加速受限的主要原因有三類:

一是監(jiān)控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)起作用限制柴油機加速;

二是轉速控制系統(tǒng)發(fā)生故障,導致柴油機無法加速;

三是柴油機機械部分本體出現(xiàn)異常導致柴油機無力加速。1、柴油機機械部分異常導致無力加速機械部分異常導致柴油機無力加速的實質是柴油機無法發(fā)出既定的功率,加速力矩不夠,導致柴油機無力加速。

其主要原因為:

燃油供給不足,導致柴油機發(fā)出的功率不足,柴油機無力加速;燃油供應充足,但不能充分燃燒及供能,柴油機無力加速;柴油機燃油供給足,也能充分燃燒,但功率損失過多,導致發(fā)出的功率低于期望值,柴油機無力加速。2、柴油機轉速控制系統(tǒng)故障導致無法加速隨著自動控制的發(fā)展,現(xiàn)代柴油機大多數都采用電子調速器,其控制原理框圖如圖1所示。

圖1船舶柴油機轉速控制系統(tǒng)原理框圖將柴油機轉速傳感器采集的轉速信號,以及轉速設定器設定的轉速設定信號送入到轉速控制器進行差值比較,再通過執(zhí)行器調整供油量,使柴油機轉速與設定轉速一致。根據柴油機轉速控制系統(tǒng)的原理可知，當柴油機加速時，若轉速控制器產生的控制信號偏弱或執(zhí)行器出現(xiàn)限制無法增加供油量時，柴油機將出現(xiàn)無法加速的現(xiàn)象。3、監(jiān)控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)限制加速監(jiān)控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)限制加速的原理比較簡單,其本質是安全保護系統(tǒng)的程序控制起作用。

監(jiān)控系統(tǒng)導致的限速又可以細分為三種:

一是柴油機機械部分出現(xiàn)問題,導致柴油機監(jiān)測報警系統(tǒng)測量參數達到安全保護系統(tǒng)的限制值后觸發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)限速。二是監(jiān)測報警系統(tǒng)故障,使得傳遞到安全保護系統(tǒng)的參數不正確,觸發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)限速。

三是安全保護系統(tǒng)本身故障,安全保護系統(tǒng)的參數設置有問題或程序紊亂,限制了柴油機加速。二、故障樹分析體系的構建根據船舶柴油機加速受限故障的發(fā)生機理和本質因素,結合船舶柴油機的特點,進一步構建船舶柴油機加速受限故障的故障樹體系,如圖2所示。圖2船舶柴油機加速受限故障樹1、柴油機機械部分異常導致無力加速的可能故障原因（1）燃油系統(tǒng)故障導致功率不足1)燃油不足:

燃油管路、濾清器、輸油泵及閥門堵塞或泄漏,日用油柜通氣孔堵塞、出口堵塞或進空氣,都會導致輸油泵供油不足。

濾清器安全閥、燃油系統(tǒng)壓力調節(jié)閥發(fā)生故障,多缸噴油器、噴油泵泄漏會導致回油過多,使噴油泵供油齒條在某個位置無法繼續(xù)增加供油量。2)燃油燃燒不完全:

多缸噴油器的燃油霧化不良會使供油提前角變化。噴油提前角過小會導致后燃嚴重,供油提前角過大會出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象,使柴油機出現(xiàn)敲缸,功率下降。（2）換氣系統(tǒng)故障導致功率不足1)進氣量不夠:

進氣管路、濾清器及冷卻器等堵塞或泄漏,配氣定時錯誤,柴油機增壓器中空氣泄漏過多等原因都會導致進氣不足。2)進氣效益不夠:

空冷器冷卻效果太差導致進氣密度下降;增壓器故障使得增壓壓力不夠;排氣管路或部件(排氣消音器、擋板閥等)堵塞,導致?lián)Q氣質量變差。3)燃氣泄漏較多:

氣門間隙不當、氣門關閉不嚴致使壓縮空氣泄漏和高壓燃氣泄漏。（3）燃燒室密封不嚴導致功率不足燃燒室密封不嚴會使空氣或燃氣泄漏,進氣壓力隨之下降導致燃燒不充分,柴油機工作效率降低。

如果活塞環(huán)安裝不當或長期持續(xù)工作,氣缸套及活塞會嚴重磨損,在起動閥、示功閥等處發(fā)生泄漏。

這些故障同時伴隨著曲軸箱溫度與壓力的升高,造成氣缸蓋冒煙或冒火,以及冷卻水“開鍋”等現(xiàn)象。（4）柴油機整機性能下降導致功率不足在柴油機的實際使用過程中,還會發(fā)生由于使用管理或維護不當使得柴油機無力加速的情況。如果柴油機長時間維護保養(yǎng)不當或柴油機修理裝配不合格也會導致柴油機的整機性能下降。

又比如船舶原本設計運行區(qū)域為寒帶,未經調整突然到熱帶航行,在高速航行時也容易出現(xiàn)無力再加速的現(xiàn)象。2、轉速控制系統(tǒng)無法加速的可能故障原因使用電子調速器的柴油機,監(jiān)控系統(tǒng)的轉速控制系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障會使柴油機轉速不受控制,導致柴油機無法加速。（1）測量信號異常當轉速測量信號異常,轉速控制系統(tǒng)無法接收到實際轉速的反饋值,導致控制器無法正常運行。

測量信號異常的主要原因為:轉速傳感器故障、轉速傳感器間隙安裝不合理、傳感器長時間使用后松動、轉速傳感器表面吸附大量金屬顆粒以及轉速傳感器連接線路故障等。（2）轉速控制系統(tǒng)的控制器故障如今大多數柴油機轉速控制系統(tǒng)的轉速設定器都包含在控制器里。

若轉速設定線路或模塊出現(xiàn)異常,會丟失標定信號,導致柴油機無法加速。當控制器出現(xiàn)程序紊亂或部分損壞,也有可能導致柴油機無法加速。（3）電磁執(zhí)行機構故障當柴油機的電磁執(zhí)行機構出現(xiàn)異常,會使柴油機無法拉動供油齒條,導致無法加速。

主要異常情況為連接電磁執(zhí)行器的線路故障以及電磁執(zhí)行器本身故障等。3、監(jiān)控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)限制加速的可能故障原因（1）柴油機出現(xiàn)溫度異常限制加速1)冷卻效果不好,溫度過高導致安保系統(tǒng)起作用限制柴油機加速。

主要故障原因為:

海水、淡水管路臟堵或泄漏;海水泵或淡水泵故障;淡水和滑油冷卻器故障;淡水和滑油調溫閥故障導致進入冷卻器的淡水和滑油過少;海水濾清器、濾網臟堵;海水進口管裸露致使海水氣泡增多等。2)冷卻效果太好,帶走熱量太多導致柴油機過冷,安保系統(tǒng)起作用。

主要故障原因為淡水和滑油調溫閥故障,導致所有淡水和滑油都只經過冷卻器冷卻。3)柴油機冷機加速,油水溫度無法達到預定負荷的要求。4)由于潤滑不良、偏磨、負荷不正常等原因導致柴油機主軸承溫度過高、后傳動裝置的主軸推力軸承、齒輪箱軸承溫度過高。5)進排氣系統(tǒng)里的排氣溫度過高限制柴油機加速。（2）柴油機出現(xiàn)壓力異常限制加速1)潤滑系統(tǒng)故障導致壓力異常。如滑油管和冷卻器堵塞或泄漏,滑油泵故障導致供油不足,滑油濾清器堵塞、泄漏,滑油壓力調節(jié)閥或安全閥故障導致滑油回油過多,機體內部壓力潤滑密封不嚴等。2)氣缸蓋、氣缸套、排氣管、增壓器等冷卻水密封不嚴導致滑油中進水或進燃油,從而使滑油粘度降低、滑油壓力下降。3)燃燒室密封故障導致曲軸箱壓力過高。（3）柴油機出現(xiàn)負荷異常限制加速當柴油機負荷超過負荷限值時,柴油機也會被限制加速。

柴油機超負荷運轉的主要原因為:柴油機急加速、螺旋槳纏繞異物、大風浪航行、操作失誤或功率平衡控制器故障等。（4）監(jiān)測報警異常導致安保系統(tǒng)限制加速當柴油機監(jiān)測報警系統(tǒng)出現(xiàn)異常,會因參數超限而導致安保系統(tǒng)起作用,從而限制柴油機加速。

主要異常原因為:

1)柴油機及其附屬系統(tǒng)的排氣溫度、冷卻水溫度、滑油溫度及軸承溫度測量異常,傳感器及其控制模塊和線路異常;

2)滑油、曲軸箱壓力傳感器及其控制模塊、線路異常,監(jiān)測系統(tǒng)測量模塊異常;

3)齒條位移傳感器及其控制模塊和線路異常;

4)負荷傳感器及其控制模塊和線路異常。（5）安保系統(tǒng)本身故障安保系統(tǒng)程序紊亂也會導致柴油機安保系統(tǒng)誤動作,限制柴油機的加速。

該情況主要發(fā)生在安保系統(tǒng)維修之后,程序安裝不當。三、實際故障案例1、故障現(xiàn)象2019年7月,某船在海上高速航行,該船的主機最低空車穩(wěn)定轉速為400r/min,設定最大轉速為1084r/min,四臺主動力柴油機和兩個螺旋槳并車運行。

當該船在持續(xù)加速時,左軸的兩臺主動力柴油機(簡稱主機)轉速上升至945r/min,主機無法繼續(xù)加速且轉速出現(xiàn)微小波動。

通過控制系統(tǒng)降速時,主機轉速下降至正常范圍內后又重新緩慢加速至945r/min。

對兩臺主機分別進行接排加速試驗,試驗結果顯示后主機加速正常,前主機單機接排在轉速820r/min以下運行時正常,但當轉速上升至855r/min時,無法繼續(xù)加速。對前主機單獨進行空車加速試驗,發(fā)現(xiàn)該主機可以自由加速,在試驗過程中,主機、監(jiān)控系統(tǒng)并未發(fā)現(xiàn)明顯異常。2、故障分析與處理（1）故障原因分析主機操作管理人員分別進行左軸前、后主機的接排(帶負荷)加減速,左軸的后主機可以正常運行,故將故障鎖定在左軸的前主機。結合本型船舶柴油機及控制系統(tǒng)的特點分析,分析故障發(fā)生的原因為以下幾點:1)從左軸前主機的負荷和空車加速試驗的結果來看,沒有出現(xiàn)明顯的參數不正常的情況,后傳動裝置和調距槳也未出現(xiàn)參數超限情況。

故排除安全保護系統(tǒng)限制加速、轉速控制系統(tǒng)無法加速的可能性。

故障原因可確定為由機械部分異常所導致無力加速,且故障類型是隱性的及慢性的。2)在該主機帶負荷運行的情況下,柴油機工作穩(wěn)定、排氣的顏色正常,燃燒室周圍未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

說明供氣量充足且供氣時間足夠,燃燒室無明顯漏氣。

排除換氣系統(tǒng)異常及燃燒室密封不嚴的故障。3)該船前期在較高的航速下運行正常,在整個加速過程不存在操作不當的問題。

主機維護保養(yǎng)組織正規(guī)有序,近期未被拆卸維修,主機性能保持較好,故排除因裝配不當、維護保養(yǎng)不當導致柴油機整機性能下降的原因。

且因柴油機工作穩(wěn)定、排氣的顏色正常,各缸排氣溫度相差不大,可排除供油提前角過大或過小以及噴油器的相關故障。

在該主機前期運轉時也未出現(xiàn)明顯異常,可排除系統(tǒng)燃油往外泄漏的可能。

綜合以上推斷,可將故障原因鎖定在燃油系統(tǒng)的功率因素上。圖3柴油機燃油系統(tǒng)原理圖根據如圖3所示的該型柴油機的燃油系統(tǒng)圖,可進一步將故障原因鎖定在以下幾點:

1)噴油泵故障,包括泄漏過多、供油齒條卡滯等。

圖4柴油機噴油泵供油調節(jié)彈性連接如圖4所示,該柴油機調油桿系的連接方式是剛性與彈性相結合,加油是彈性的,減油是剛性的,若某缸供油齒條卡滯,則整機無法加油;2)燃油日用油柜出口、燃油濾清器、管路出現(xiàn)輕微堵塞或通氣孔堵塞;

3)燃油系統(tǒng)壓力調節(jié)閥異常,回油過多,燃油供量不足;

圖5燃油輸送泵結構4)燃油輸油泵供油效率下降,該柴油機燃油輸送泵使用的是帶減壓閥的齒輪泵(如圖5所示),當減壓閥彈力下降,齒輪泵出油口的燃油通過減壓閥回到進油口的燃油會增加,如果齒輪泵磨損過多會導致“三隙”過大,齒輪泵供油量隨之下降。（2）故障排除根據以上分析，結合該型柴油機燃油系統(tǒng)部件的結構特點，本著排除故障先判后拆、由簡到繁的原則，進行實機檢查，對故障原因進行排查。1)檢查油底殼滑油油質、油量正常，手動拉動各缸供油齒條，可以在最小供油量和最大供油量之間靈活調節(jié),排除噴油泵泄漏過多、供油齒條卡滯故障。2)檢查日用油柜,確認油位較高,且航行中不存在大風浪情況,排除燃油系統(tǒng)進氣故障。鑒于該柴油機只有在較高負荷加速時才會出現(xiàn)加速受限,初步判斷是燃油回油過多或供油量不足引起的。(3)檢查日用油柜通氣,未發(fā)現(xiàn)異物,通氣正常;檢查回收油箱油位,確認無明顯上升,燃油粗濾器、燃油自凈式濾清沒有堵塞;檢查燃油系統(tǒng)壓力調節(jié)閥也正常。(4)檢查燃油輸油泵的減壓閥,發(fā)現(xiàn)彈簧彈力下降很多,換上新的彈簧進行負荷試驗,發(fā)現(xiàn)柴油機恢復正常工作狀態(tài)。

說明故障原因就是燃油輸油泵減壓閥長期工作后彈簧彈力下降造成輸油泵回油增多,輸油泵供油效率下降。四、總結與思考(