船舶柴油机加速受限故障树研究

随着我国对外贸易的拓展和船舶运输业的发展,船舶运输已经成为我国对外贸易的主要运输方式之一,船舶出海的时间和频率大大增加,船舶柴油机的故障率也随着出海频次的增加而升高,对作为船舶主动力的柴油机带来了巨大的挑战。目前轮机从业人员对柴油机的常规故障分析与解决方法已经积累了一定的经验,针对一些突变性故障也进行过理论研究[1-5]。

然而,柴油机的故障也有很多是“隐性、慢性”的[6-9],不是突发性的,而是经历了长时间的量变到质变的过程,故障的原因往往也是“隐形”的,这就对轮机操作管理员的专业素养提出了更高的要求。发生故障时,要结合柴油机结构特点对故障做出全面分析,有针对性排查故障,才能准确定位故障原因并排除故障。本文针对船舶柴油机加速受限这一故障,从故障本质出发,将该故障原因分为:机械部分异常导致加速无力、转速控制系统故障导致无法加速,以及安全保护系统生效限制加速三种。

构建故障树分析体系对上述三种主要故障原因作进一步分析,并辅以案例进行补充说明,为轮机操作管理人员排除船舶柴油机加速受限故障提供借鉴。一、故障机理船舶柴油机相对于其他柴油机具有以下特点:(1)船舶柴油机工作时间长、负荷大;

(2)船舶柴油机监控系统已经非常成熟,安保系统功能强大,大多通过电子调速器进行转速控制;

(3)船舶柴油机(特别是主机)的负荷变换频繁;

(4)船舶柴油机航区比较广,经常穿梭于寒区、温区和热区,环境温度变化大;

(5)船舶主动力柴油机后带有传动轴、推力轴承、齿轮箱、调距桨等设备,这些部件出现故障也有可能导致监控系统的安全保护系统起作用从而限制柴油机加速;(6)船舶柴油机时常发生大角度横倾和纵倾,容易导致海水进入。船舶柴油机在工作过程中加速受限的主要定义为:

柴油机是可以运行的,但是在加速时转速受到限制,难以提高转速。

结合船舶柴油机及其监控系统的工作原理及运行特点可知,发生加速受限的主要原因有三类:

一是监控系统的安全保护系统起作用限制柴油机加速;

二是转速控制系统发生故障,导致柴油机无法加速;

三是柴油机机械部分本体出现异常导致柴油机无力加速。1、柴油机机械部分异常导致无力加速机械部分异常导致柴油机无力加速的实质是柴油机无法发出既定的功率,加速力矩不够,导致柴油机无力加速。

其主要原因为:

燃油供给不足,导致柴油机发出的功率不足,柴油机无力加速;燃油供应充足,但不能充分燃烧及供能,柴油机无力加速;柴油机燃油供给足,也能充分燃烧,但功率损失过多,导致发出的功率低于期望值,柴油机无力加速。2、柴油机转速控制系统故障导致无法加速随着自动控制的发展,现代柴油机大多数都采用电子调速器,其控制原理框图如图1所示。

图1船舶柴油机转速控制系统原理框图将柴油机转速传感器采集的转速信号,以及转速设定器设定的转速设定信号送入到转速控制器进行差值比较,再通过执行器调整供油量,使柴油机转速与设定转速一致。根据柴油机转速控制系统的原理可知，当柴油机加速时，若转速控制器产生的控制信号偏弱或执行器出现限制无法增加供油量时，柴油机将出现无法加速的现象。3、监控系统的安全保护系统限制加速监控系统的安全保护系统限制加速的原理比较简单,其本质是安全保护系统的程序控制起作用。

监控系统导致的限速又可以细分为三种:

一是柴油机机械部分出现问题,导致柴油机监测报警系统测量参数达到安全保护系统的限制值后触发监控系统限速。二是监测报警系统故障,使得传递到安全保护系统的参数不正确,触发了监控系统限速。

三是安全保护系统本身故障,安全保护系统的参数设置有问题或程序紊乱,限制了柴油机加速。二、故障树分析体系的构建根据船舶柴油机加速受限故障的发生机理和本质因素,结合船舶柴油机的特点,进一步构建船舶柴油机加速受限故障的故障树体系,如图2所示。图2船舶柴油机加速受限故障树1、柴油机机械部分异常导致无力加速的可能故障原因（1）燃油系统故障导致功率不足1)燃油不足:

燃油管路、滤清器、输油泵及阀门堵塞或泄漏,日用油柜通气孔堵塞、出口堵塞或进空气,都会导致输油泵供油不足。

滤清器安全阀、燃油系统压力调节阀发生故障,多缸喷油器、喷油泵泄漏会导致回油过多,使喷油泵供油齿条在某个位置无法继续增加供油量。2)燃油燃烧不完全:

多缸喷油器的燃油雾化不良会使供油提前角变化。喷油提前角过小会导致后燃严重,供油提前角过大会出现爆燃现象,使柴油机出现敲缸,功率下降。（2）换气系统故障导致功率不足1)进气量不够:

进气管路、滤清器及冷却器等堵塞或泄漏,配气定时错误,柴油机增压器中空气泄漏过多等原因都会导致进气不足。2)进气效益不够:

空冷器冷却效果太差导致进气密度下降;增压器故障使得增压压力不够;排气管路或部件(排气消音器、挡板阀等)堵塞,导致换气质量变差。3)燃气泄漏较多:

气门间隙不当、气门关闭不严致使压缩空气泄漏和高压燃气泄漏。（3）燃烧室密封不严导致功率不足燃烧室密封不严会使空气或燃气泄漏,进气压力随之下降导致燃烧不充分,柴油机工作效率降低。

如果活塞环安装不当或长期持续工作,气缸套及活塞会严重磨损,在起动阀、示功阀等处发生泄漏。

这些故障同时伴随着曲轴箱温度与压力的升高,造成气缸盖冒烟或冒火,以及冷却水“开锅”等现象。（4）柴油机整机性能下降导致功率不足在柴油机的实际使用过程中,还会发生由于使用管理或维护不当使得柴油机无力加速的情况。如果柴油机长时间维护保养不当或柴油机修理装配不合格也会导致柴油机的整机性能下降。

又比如船舶原本设计运行区域为寒带,未经调整突然到热带航行,在高速航行时也容易出现无力再加速的现象。2、转速控制系统无法加速的可能故障原因使用电子调速器的柴油机,监控系统的转速控制系统如果出现故障会使柴油机转速不受控制,导致柴油机无法加速。（1）测量信号异常当转速测量信号异常,转速控制系统无法接收到实际转速的反馈值,导致控制器无法正常运行。

测量信号异常的主要原因为:转速传感器故障、转速传感器间隙安装不合理、传感器长时间使用后松动、转速传感器表面吸附大量金属颗粒以及转速传感器连接线路故障等。（2）转速控制系统的控制器故障如今大多数柴油机转速控制系统的转速设定器都包含在控制器里。

若转速设定线路或模块出现异常,会丢失标定信号,导致柴油机无法加速。当控制器出现程序紊乱或部分损坏,也有可能导致柴油机无法加速。（3）电磁执行机构故障当柴油机的电磁执行机构出现异常,会使柴油机无法拉动供油齿条,导致无法加速。

主要异常情况为连接电磁执行器的线路故障以及电磁执行器本身故障等。3、监控系统的安全保护系统限制加速的可能故障原因（1）柴油机出现温度异常限制加速1)冷却效果不好,温度过高导致安保系统起作用限制柴油机加速。

主要故障原因为:

海水、淡水管路脏堵或泄漏;海水泵或淡水泵故障;淡水和滑油冷却器故障;淡水和滑油调温阀故障导致进入冷却器的淡水和滑油过少;海水滤清器、滤网脏堵;海水进口管裸露致使海水气泡增多等。2)冷却效果太好,带走热量太多导致柴油机过冷,安保系统起作用。

主要故障原因为淡水和滑油调温阀故障,导致所有淡水和滑油都只经过冷却器冷却。3)柴油机冷机加速,油水温度无法达到预定负荷的要求。4)由于润滑不良、偏磨、负荷不正常等原因导致柴油机主轴承温度过高、后传动装置的主轴推力轴承、齿轮箱轴承温度过高。5)进排气系统里的排气温度过高限制柴油机加速。（2）柴油机出现压力异常限制加速1)润滑系统故障导致压力异常。如滑油管和冷却器堵塞或泄漏,滑油泵故障导致供油不足,滑油滤清器堵塞、泄漏,滑油压力调节阀或安全阀故障导致滑油回油过多,机体内部压力润滑密封不严等。2)气缸盖、气缸套、排气管、增压器等冷却水密封不严导致滑油中进水或进燃油,从而使滑油粘度降低、滑油压力下降。3)燃烧室密封故障导致曲轴箱压力过高。（3）柴油机出现负荷异常限制加速当柴油机负荷超过负荷限值时,柴油机也会被限制加速。

柴油机超负荷运转的主要原因为:柴油机急加速、螺旋桨缠绕异物、大风浪航行、操作失误或功率平衡控制器故障等。（4）监测报警异常导致安保系统限制加速当柴油机监测报警系统出现异常,会因参数超限而导致安保系统起作用,从而限制柴油机加速。

主要异常原因为:

1)柴油机及其附属系统的排气温度、冷却水温度、滑油温度及轴承温度测量异常,传感器及其控制模块和线路异常;

2)滑油、曲轴箱压力传感器及其控制模块、线路异常,监测系统测量模块异常;

3)齿条位移传感器及其控制模块和线路异常;

4)负荷传感器及其控制模块和线路异常。（5）安保系统本身故障安保系统程序紊乱也会导致柴油机安保系统误动作,限制柴油机的加速。

该情况主要发生在安保系统维修之后,程序安装不当。三、实际故障案例1、故障现象2019年7月,某船在海上高速航行,该船的主机最低空车稳定转速为400r/min,设定最大转速为1084r/min,四台主动力柴油机和两个螺旋桨并车运行。

当该船在持续加速时,左轴的两台主动力柴油机(简称主机)转速上升至945r/min,主机无法继续加速且转速出现微小波动。

通过控制系统降速时,主机转速下降至正常范围内后又重新缓慢加速至945r/min。

对两台主机分别进行接排加速试验,试验结果显示后主机加速正常,前主机单机接排在转速820r/min以下运行时正常,但当转速上升至855r/min时,无法继续加速。对前主机单独进行空车加速试验,发现该主机可以自由加速,在试验过程中,主机、监控系统并未发现明显异常。2、故障分析与处理（1）故障原因分析主机操作管理人员分别进行左轴前、后主机的接排(带负荷)加减速,左轴的后主机可以正常运行,故将故障锁定在左轴的前主机。结合本型船舶柴油机及控制系统的特点分析,分析故障发生的原因为以下几点:1)从左轴前主机的负荷和空车加速试验的结果来看,没有出现明显的参数不正常的情况,后传动装置和调距桨也未出现参数超限情况。

故排除安全保护系统限制加速、转速控制系统无法加速的可能性。

故障原因可确定为由机械部分异常所导致无力加速,且故障类型是隐性的及慢性的。2)在该主机带负荷运行的情况下,柴油机工作稳定、排气的颜色正常,燃烧室周围未发现明显异常。

说明供气量充足且供气时间足够,燃烧室无明显漏气。

排除换气系统异常及燃烧室密封不严的故障。3)该船前期在较高的航速下运行正常,在整个加速过程不存在操作不当的问题。

主机维护保养组织正规有序,近期未被拆卸维修,主机性能保持较好,故排除因装配不当、维护保养不当导致柴油机整机性能下降的原因。

且因柴油机工作稳定、排气的颜色正常,各缸排气温度相差不大,可排除供油提前角过大或过小以及喷油器的相关故障。

在该主机前期运转时也未出现明显异常,可排除系统燃油往外泄漏的可能。

综合以上推断,可将故障原因锁定在燃油系统的功率因素上。图3柴油机燃油系统原理图根据如图3所示的该型柴油机的燃油系统图,可进一步将故障原因锁定在以下几点:

1)喷油泵故障,包括泄漏过多、供油齿条卡滞等。

图4柴油机喷油泵供油调节弹性连接如图4所示,该柴油机调油杆系的连接方式是刚性与弹性相结合,加油是弹性的,减油是刚性的,若某缸供油齿条卡滞,则整机无法加油;2)燃油日用油柜出口、燃油滤清器、管路出现轻微堵塞或通气孔堵塞;

3)燃油系统压力调节阀异常,回油过多,燃油供量不足;

图5燃油输送泵结构4)燃油输油泵供油效率下降,该柴油机燃油输送泵使用的是带减压阀的齿轮泵(如图5所示),当减压阀弹力下降,齿轮泵出油口的燃油通过减压阀回到进油口的燃油会增加,如果齿轮泵磨损过多会导致“三隙”过大,齿轮泵供油量随之下降。（2）故障排除根据以上分析，结合该型柴油机燃油系统部件的结构特点，本着排除故障先判后拆、由简到繁的原则，进行实机检查，对故障原因进行排查。1)检查油底壳滑油油质、油量正常，手动拉动各缸供油齿条，可以在最小供油量和最大供油量之间灵活调节,排除喷油泵泄漏过多、供油齿条卡滞故障。2)检查日用油柜,确认油位较高,且航行中不存在大风浪情况,排除燃油系统进气故障。鉴于该柴油机只有在较高负荷加速时才会出现加速受限,初步判断是燃油回油过多或供油量不足引起的。(3)检查日用油柜通气,未发现异物,通气正常;检查回收油箱油位,确认无明显上升,燃油粗滤器、燃油自净式滤清没有堵塞;检查燃油系统压力调节阀也正常。(4)检查燃油输油泵的减压阀,发现弹簧弹力下降很多,换上新的弹簧进行负荷试验,发现柴油机恢复正常工作状态。

说明故障原因就是燃油输油泵减压阀长期工作后弹簧弹力下降造成输油泵回油增多,输油泵供油效率下降。四、总结与思考(