某轮主机缸套异常磨损分析及应对措施

ME-C主机是在MC主机基础上升级改进而来，引入了更多智能化控制系统，ME-C主机具有低负荷经济性、工作稳定性与智能管理，得到广泛应用。ME-C机型排气阀工作可靠、噪声小，但排气阀控制系统、液压驱动系统及空气密封结构发生故障概率较高。液压控制系统故障会干扰信号传输，导致排气阀行程出现故障；驱动系统与空气密封结构部件发生故障，就会导致排气阀空气弹簧室上方液压活塞与空气室内压力发生变化，引起排气阀关闭行程延迟，甚至引起部件撞击，影响船舶安全航行。周卓建[1]研究了MANB＆WME-C电喷主机，主操作面板（MainOperatingPanel,MOP）界面偶发性出现气缸排气阀关闭过慢报警，且警报很快自行恢复现象，结合故障分析提出排气阀故障预防及工作曲线分析。窦天君[2]研究了主机型号WARTSILA6RTFLEX-48T-D的1100TEU集装箱船，在新船试航过程中，主机车速由SLOW加速至FULL时报警系统发出气缸关闭行程过长报警并触发主机降速故障现象，通过分析排气阀的关闭逻辑与影响排气阀动作的机械原因，最终查明问题原因。张玉龙[3]研究了MANB＆WME-C主机，主操作面板经常出现某缸排气阀关闭过慢或过快报警，严重时会出现排气阀异常的敲击声响，分析排气阀敲击机理，提出故障解决措施。孙立云[4]研究了ME-C主机与MC主机的区别，分析了主机型号MANB＆W7S80ME-C8.2大型油船主机气缸排气阀行程短警报，主机自动慢车现象；根据主操作面板故障诊断分析，找出导致排气阀行程短的原因。（为了方便大家查阅以上资料，我们会在推送时间把部分PDF版本原文发到船机帮技术交流群里，请大家准时接收！）本文针对主机型号为MANB&W6G50ME-C排气阀关闭过慢报警故障现象，对排气阀拆卸检查，找出故障原因，对排气阀部件进行修理更换，解决排气阀关闭行程过慢与敲击故障；同时对排气阀空气密封结构进行改进，阻止燃气上窜，减轻排气阀阀杆腐蚀和磨损，实现排气阀稳定的工作。一、故障现象某船主机型号为MANB&W6G50ME-C，额定功率8000kW、额定转速82.5r/min，某次航行过程中，该船No.1缸与No.3缸先后发生排气阀关闭过慢报警故障。No.1缸排气阀故障现象：No.1缸排气阀关闭过慢报警，并伴有敲击声，主机控制空气压力降至0.6MPa，主机自动减速，随后将主机控制空气压力调高至0.7MPa时，报警消失；但是No.1缸排气阀关闭行程还是比其他气缸低，敲击声仍然存在。把控制空气压力增加到0.75MPa时，No.1缸排气阀关闭恢复正常，随后把控制空气压力恢复到0.7MPa，但是仔细观察可看到主机控制空气压力有波动。根据轮机员反应，No.1缸排气阀行程长期低于其他缸，正常航行时No.1缸排气阀行程与其他气缸一致，但是主机运行30h后，No.1缸排气阀行程就会降低，低于其他气缸排气阀行程。No.3缸排气阀故障现象：No.3缸排气阀关闭过慢报警，主机自动减速，主机控制空气压力正常，轮机员下机舱自动复位，主机恢复正常转速。检查No.3缸排气阀发现启闭油管和燃油高压油管均有正常脉动，排温正常，排气阀升程和其他缸无明显差异。20min后主机又发出同样报警，主机减速，不到1min主机又自动复位，并自动加车至正常转速。通过现场观察判断，故障可能发生在No.3缸排气阀探头，于是停车更换探头，启动主机后正常运转，故障暂时消失。第2天，No.3缸排气阀出现同样报警，主机自动减速，刚开始几次报警后很短时间主机自动复位，主机恢复到正常转速，后来报警就无法自动复位。检查MOP电脑，No.3缸每次报警时电流数值和排气阀升程数值不一样，初步判断可能是控制系统或者排气阀机械故障。二、排气阀工作原理与结构1、工作原理ME-C和MC实现主机排气阀开关原理相同，都是通过压缩排气阀液压油缸里面液压油顶开排气阀，通过空气弹簧关闭排气阀。二者区别在于ME-C机型取消了MC机型上的传动凸轮机构，采用0.2MPa～0.3MPa伺服液压油经过燃油喷射阀执行器（FuelInjectionValveActuator,FIVA）后驱动排气阀活塞，排气阀打开和关闭过程由安装在排气阀油缸体上的位置传感器监测，并转换为电流信号或者位移形式显示。图1ME-C排气阀结构原理图如图1所示，ME-C机型主机排气阀开启，FIVA阀芯上移，向执行机构提供压力油，驱动2级活塞上行。1级活塞提供克服空气弹簧室内气体压力与空气弹簧压力的动力，2级活塞提供排气阀其余行程驱动力。高压油管内的液压油被压缩后推动液压活塞，进而推动排气阀杆下行，排气阀打开。排气阀打开过程中，自阻尼柱塞、中部阻尼活塞与空气弹簧室内空气活塞都起到缓冲作用，防止排气阀开启时冲击力过大。自阻尼柱塞内部设有阻尼弹簧，对柱塞下行起缓冲作用；中部阻尼油缸内部充满滑油，阻尼活塞下行过程中，对阻尼活塞起缓冲作用；空气活塞下行时，空气弹簧室内压缩空气对活塞起缓冲作用[5]。排气阀关闭，FIVA阀芯下行，2级活塞下行，高压油管内液压油泄放，排气阀克服高压油管内油液压力与阀杆重力，在空气弹簧作用下上移，排气阀关闭。两级活塞在油液推动作用下回到原始位置，高压油管内部泄放掉的油液通过单向阀补给，使其内部始终充满油液。排气阀关闭时，空气弹簧室内需要有一定压力空气，推动活塞上行，所以空气弹簧室组件至关重要，包括空气弹簧活塞、空气单向阀、安全阀及密封环等。空气弹簧室空气单向阀损坏、密封环磨损及安全阀设置压力过低都会引起空气弹簧室空气压力过低，影响排气阀关闭行程。2、部件结构（1）FIVA阀和蓄压器FIVA阀4由气缸控制单元控制，并根据预设定时通电（曲柄转角约为140°）或断电（曲柄转角约250°），阀芯上下移动，接通或切断压力油。蓄压器1作用是防止液压系统油液压力波动，保持液压油压力稳定。主机长期运行过程中，蓄压器膜片可能破损，引起液压油压力波动，所以需要定期检查蓄压器膜片压力值。不同温度下蓄压器膜片对应的压力值见表1[6]。（2）排气阀驱动装置排气阀驱动装置由液压油进油单向阀5、节流塞7和两级活塞6组成。单向阀5主要是将液压油由低压端导入高压端，并保持高压端一直处于高压状态，同时避免低压端和高压端相互扰动。节流塞7的主要作用是确保执行器压力变化稳定，同时将执行器上端油液少量置换，执行器上端油液压力升高，油液温度上升，过大温升损坏部件，置换部分上端低温油液，避免油液持续温度升高。2级活塞6是指排气阀执行器升压过程分为2个阶段，在第1阶段，活塞A和活塞B在高压液压油驱动下同时向上运动，直至活塞B抵达行程终点，高压油管内的油液克服气缸压力和空气弹簧压力提供打开排气阀初始动力；第2阶段，活塞A继续上行，提供动力给高压油管内油液，完成排气阀开阀过程主要行程[7]。（3）空气弹簧室空气弹簧室主要由单向阀17、空气弹簧活塞14、安全阀15及密封环组成。单向阀17将控制空气持续导入到空气弹簧室内，使空气弹簧活塞在关阀过程中克服排气阀阀杆重力及高压油管内液压力上行，关闭排气阀。单向阀17也可防止空气弹簧活塞下行时，空气弹簧室空气压力过大，反向流入补气管路；同时空气弹簧活塞下行时，气缸内压力增大，可以缩短排气阀关闭时间[7]。安全阀15起保护作用，防止空气弹簧室空气压力过大。图2空气弹簧室结构图空气弹簧室密封结构见图2，其密封效果对排气阀行程影响很大。密封效果主要由密封环1、密封环2及密封环3完成。密封环1和密封环2对空气弹簧活塞的上下运动起导向作用；密封环3密封排气阀阀杆和导套表面，与排气阀杆相对运动，有较大磨损。排气阀中部阻尼油缸上的节流阀回流的油液会通过密封环1和密封环2进入空气弹簧室，油液不可压缩，累积一定量油液被空气弹簧活塞下行压缩后，通过安全阀释放，经泄油口回流到曲轴箱[8]。（4）排气阀位置传感器ME-C机型排气阀油缸下部增加了一个检测排气阀位置传感器，排气阀开启定时由安装在主机自由端角度编码器控制。每缸有1个独立控制单元（CylinderControlUnit,CCU），主机运转时，CCU通过端口1向FIVA阀发送控制信号指令，该指令通过FIVA阀执行器转换成对燃油升压器柱塞位移和排气阀启闭开关量控制。FIVA阀位置传感器2、排气阀位置传感器4和柱塞位置传感器3负责监控该指令的有效运行。图3为各缸控制信号与反馈信号关系图。图3各缸控制信号与反馈信号关系图主机正常稳定运行时FIVA阀位置传感器、排气阀位置传感器和柱塞位置传感器回路上电流在一个最大值与最小值之间跳动。如果排气阀或者排气阀位置传感器故障，控制单元CCU就会认为是排气阀没有打开或者打开不足，控制单元CCU自动对该缸发出停油指令，并发出报警；同时FIVA阀位置传感器、排气阀位置传感器和柱塞位置传感器回路上电流显示固定值[9]。三、故障原因分析1、密封环安装时异物卡阻、质量不好空气弹簧室密封环1和密封环2安装时有异物卡阻或密封环质量不好，工作过程中密封环异常磨损，导致空气弹簧室内空气泄漏，造成关阀行程控制空气压力不足以快速关闭排气阀，而漏气又引起控制空气压力波动。2、燃气上窜，导致弹簧垫片未正常落座空气弹簧室密封环3磨损后，气缸内的燃气上窜，导致阻尼活塞油缸弹簧垫片不能正常落座，并受空气弹簧下端的撞击而破碎，以致空气弹簧室内压力不足，排气阀关闭耗时更长，超过预设时间而引发报警。3、气缸内无润滑油在安装空气弹簧室之前要对气缸下部油腔注入干净润滑油，润滑密封环和排气阀杆，同时对润滑密封环和排气阀杆的接触面进行油封，否则密封环3磨损，空气弹簧室空气压力不足，关阀行程过慢[8]。4、空气单向阀及安全阀故障弹簧空气室空气单向阀不能止回，引起空气室压力不足；弹簧空气室自身设定压力过低，引起空气室压力不足，一般设置0.7MPa左右；或者弹簧空气室安全阀泄漏，引起空气室压力不足，以上几点都会导致排气阀关闭过慢[10]。5、控制系统及传感器故障独立控制单元CCU、FIVA阀位置传感器、排气阀位置传感器以及排气阀位置传感器接线盒到CCU线路发生故障，就会干扰信号传输，导致排气阀行程出现故障，并出现报警。四、故障解决及结构改进1、故障解决No.1缸排气阀故障解决：No.1缸排气阀发生报警后，轮机员把No.1缸排气阀空气压力调高至0.7MPa时，No.1缸排气阀依旧关闭过慢，同时伴有敲击声。随后拆卸No.1缸排气阀，发现排气阀空气弹簧室密封环1有2道刮痕，密封环2严重磨损，破坏空气弹簧室密封性能，空气弹簧室内空气泄漏，关阀行程控制空气压力不足，导致排气阀关闭过慢。确认敲击声是No.1缸排气阀本体发出，拆卸No.1缸液压油缸，发现排气阀阀杆和空气弹簧活塞位于油缸底部，空气弹簧室空气泄漏严重，通过单向阀补入空气，停止供入后，排气阀阀杆和空气弹簧又回到底部，由此判断密封环3漏气。拆除空气弹簧活塞，发现液压油缸底部弹簧垫圈断裂，密封环3严重磨损。密封环3磨损后，气缸内的燃气上窜，弹簧垫片不能正常落座，引起空气弹簧活塞下部发生撞击破损，引起敲击声，同时空气弹簧室内空气压力不足，排气阀关闭行程过慢。检查发现：弹簧空气室下部油腔滑油不足，导致密封环3严重磨损。弹簧空气室下部油腔滑油主要作用是润滑密封环3和排气阀阀杆，同时对密封环3和排气阀阀杆接触部位形成油封。通过更换No.1缸排气阀空气弹簧室全部密封环，液压油缸弹簧垫圈，弹簧空气室下部油腔充注干净足量的滑油，主机恢复正常运转，No.1缸排气阀行程恢复正常。No.3缸排气阀故障解决：No.3缸排气阀发生报警后，检查No.3缸蓄压器压力、排气阀空气弹簧室空气压力及空气单向阀、排气阀执行器进油单向阀均正常，初步判定为控制系统故障；随后检查主机操作界面（MarineOperatePosition,MOP）电脑上No.3缸绝缘，电噪声为11dB（介于其他缸中间水平），把No.3缸与No.2缸排气阀（工作正常）位置探头互换，检查从No.3缸排气阀位置探头到CCU的线路，重新拨插各个端子并上紧螺丝，重新启动主机，No.3缸排气阀正常工作，但10h后No.3缸排气阀关闭过慢报警再次出现。根据现场排查，最后确定故障可能发生在排气阀位置传感器接线盒到CCU的线路[4]。该船排气阀位置传感器接线盒到CCU线路长9m，大部分电缆完好地固定在线路支架上，但是中间有0.5m悬空。这一小段悬空电缆随主机运转而轻微抖动，电缆与铁轧带之间有相对运动，此时启动主机，用手摇动悬空处电缆，主机立刻发出No.3缸排气阀行程短报警。排气阀位置传感器接线盒到CCU的线路出场时布线不合理，导致悬空线路随主机工作振动而抖动，电缆与铁轧带长期处于相对运动，导致电缆磨损，电缆屏蔽线一旦破损，就会干扰信号传输，导致No.3缸排气阀行程短报警。剪开铁轧带，发现电缆外皮有轻微破损，停下主机，更换线路，检查固定悬空线路，随后启动主机，No.3缸排气阀工作正常。2、密封空气系统结构改进空气弹簧室的密封对排气阀关闭行程影响很大，为了提高密封空气压力，防止燃气上窜，减轻排气阀阀杆腐蚀和磨损，减小对排气阀行程的影响，对密封空气结构进行改进，见图4。图4空气弹簧室密封系统结构改造图在空气弹簧室A下部增设密封空气室B，空气弹