TBD620型柴油机转速监测异常故障分析

在船舶推进机组系泊试验过程中，柴油机转速是一个非常重要的测量参数。转速监测系统对柴油机保持稳定运行动态提供重要的保证，当转速出现异常时，不仅影响船舶推进机组性能，甚至可能发生柴油机超速、飞车等严重事故。当柴油机发生此类故障现象时，应尽快查明原因、排除故障，以确保柴油机运行处于正常状态。一、故障现象某船TBD620型柴油机推进机组进入修船厂车间修理、调试，完成台架试验后入舱回装，在系泊试验阶段，发现柴油机在低速运行时，集控室和驾控台的指针式转速表与集控室电子表显示的转速存在约100r／min的偏差；当柴油机高速运行时，3个转速表显示转速又恢复一致。此故障现象反复重现，将柴油机调速到650r／min怠速时，使用频闪测速仪检测柴油机主轴实际转速，确认集控室电子表显示转速与柴油机实际转速基本一致，而集控室和驾控台的指针式转速表显示转速明显高于实际转速。二、转速监测系统工作原理TBD620型柴油机转速监测系统是由转速传感器、信号变换模块、集控式电脑(ECU)、转速表、转速测速模块等装置组成，由转速传感器采集柴油机飞轮齿数并转换输出脉冲信号，脉冲信号经各种变换模块转换为其他制式电信号，分别接人转速表、ECU、调速器等装置以实现转速显示、计算、控制、报警等功能。TBD620型柴油机转速监测系统构成如图1所示。图1中f为频率信号，U为电压信号。该系统有3个独立转速监测线路，1﹟转速传感器通过WS1528模块接人机旁控制箱转速表，2﹟转速传感器通过WS1528模块和WS15272模块分别接入转速测速模块、集控室转速表、驾控台转速表，3﹟转速传感器直接接入电子调速器。转速传感器安装在柴油机飞轮端一侧，它能感应到飞轮齿数并转变为相应的频率信号(频率=转速×飞轮齿数／60)。WS1528模块全称是全隔离频率信号变换端子，其将转速传感器送来的频率信号(0～10kHz)经过频率／电压转换电路、放大电路，输出符合转速表输入的电压信号(0~10V)。WS15272模块全称是全隔离双输出脉冲／脉冲变换端子，其将转速传感器送来的频率信号(0～10kHz)经过隔离变换元件，输出符合集控台ECU采集的频率信号(0~10kHz)。转速测速模块实际上是一个直流电压信号报警设定器，根据柴油机转速参数预设报警电压值，当由变换模块送来的电压等于或超过预设值时，继电器输出触点闭合，从而触发安保系统报警或停机。三、故障原因分析根据柴油机转速监测系统工作原理，导致柴油机转速监测显示异常的可能原因如下。1)转速表故障。指针式转速表经过长时间使用，可能存在内部电子器件老化或机械部件磨损的情况，导致指针显示不准确。2)转速传感器故障。转速传感器安装位置在飞轮端一侧，长期处于高温、震动、油污等较为恶劣的工作环境，使用寿命相对较短，容易发生老化、松动、甚至损坏现象。3)信号变换模块故障。信号变换模块属于较为精密的电子器件，电源波动或者信号超限接入很容易发生模块损坏或者精度下降，导致测速异常。4)线路故障。整个转速监测系统连接多个机舱设备，走线跨度较大，端口接点较多，容易发生电线老化、断裂，接口触点氧化等现象。四、故障排查过程通过对上述故障原因的分析，按照先简单后复杂、先外部后内部的原则，有顺序有步骤地进行电气检查、分析及判断。逐一验证检查结果是否正常，具体排查步骤如下。1)拆卸各路转速表至车间进行检查、校验，功能及量值测量正常，用新转速表替换显示异常的转速表进行试验，故障现象仍然存在。2）集控室电子转速表与指针式转速表显示转速不一致，这2个显示信号均来自2﹟转速传感器，因此判断2﹟转速传感器的转速监测线路存在问题，为进一步确认，先对信号源开始排查，拆卸转速传感器进行测量，各点内阻值均在正常范围内。3)WS1528和WS15272模块实物图见图2，模块管脚、功能图见图3。依次拆卸2个模块，使用信号发生器模拟转速传感器信号，按照图3连接试验，试验得出测量数据见表1。从表1可以看出，WS1528模块在低频（低速)段的输出电压明显存在非线性正偏差，该现象与前面所提转速显示异常问题相关度较高，所以判断WS1528模块已经损坏。4)更换新的wSl528模块后，重新启动柴油机，集控室和驾控台的转速表显示转速与集控室电子表显示转速一致，也与频闪测速仪测得主轴转速基本一致，由此可以判定WS1528模块损坏是导致转速显示异常的原因。但是，在柴油机停机后，发现集控室和驾控台的转速表仍显示450r／min的转速，这是新产生的转速异常显示问题。五、对新问题的思考和排查针对新的转速异常显示问题，分析如下：①新更换的WS1528信号变换模块是否损坏；②2﹟转速监测线路是否存在其它故障点或损坏的器件。针对以上分析进行排查，具体过程如下。1)重新拆卸新更换的信号变换模块，再次使用信号发生器模拟转速传感器信号，对模块的输入信号对应输出信号进行测试，结果表明模块工作正常，排除WS1528模块被再次损坏的可能性。2)为了更好排查该2﹟转速监测线路存在的问题，需要检测线路中器件的电路状态。因此将新、旧WS1528模块分别回装，在不同条件下，对2﹟线路各器件引脚电压进行测量，测量结果见表2。3)分析表2，“序号1”项测得电压为1.68V,通过转速关系式（频率=转速×飞轮齿数/60)，可以计算其对应转速数值。已知TBD620型柴油机最大功率转速为1860r/min，飞轮齿盘为218齿，根据WS1528模块输人频率信号与输出电压信号的对应关系,输出电压为输入频率的1/1000，所以WS1528模块输出电压1.68V时转速为462r/min,与集控室转速表读数450r/min基本相符，说明与新产生转速异常显示问题相关。4)对比表2中“序号1”和“序号4”项，当断开WS1528模块与转速测速模块1、3引脚的连接时，电压为0，集控室转速表指针归零，所以确定到转速表的电压是由转速测速模块1、3引脚引入。5）对比表2“序号1、2、3”项，将新、旧wS1528模块输入输出阻抗进行对比测量,发现2个模块的内阻差别较大。将上述2个模块的使用情况反馈厂家，厂家确认了以下2点:①由于产品迭代，新WS1528模块内部采用数字量工艺，而旧WS1528模块内部采用模拟量工艺，所以2个模块内部阻抗不一样;②转速测速模块接入系统对系统接地工艺要求较高，接地不良会造成输入端1、3引脚产生一定电压。至此，更换WS1528模块后，停机时产生450r/min转速，找到了问题根源。六、改进措施及测试结果经过上述故障分析与排查，排除此次转速显示异常故障，除更换已损坏WS1528模块外，还需解决系统对转速测速模块1、3引脚产生电压的影响,同时要保证WS1528模块向转速测速模块提供有效电压信号。为满足以上要求,决定在线路上加装一个0~10V直流电压隔离模块，使得接入该模块前、后的电路阻抗不产生相互影响，并最大程度优化系统线路接地工艺。为确认改进效果，将直流电压隔离模块串联在WS1528模块与转速测速模块之间，然后系统通电试验，发现集控室转速表指针归零，转速显示异常故障排除。再次对该TBD620型柴油机进行系泊试验，转速监测系统工作正常，各线路的转速显示基本一致，超速模拟试验正常触发超速保护功能。在后续航行试验过程中，该TBD620型柴油机运行正常，各项指标符合使用要求，也符合海军修理技术标准的要求。七、结束语TBD620型柴油机发生转速监测异常故障是较常见的，其产生原因大部分来