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“MSCBelem”輪副機(jī)超速故障分析與處理
摘要：本文從DAIHATSU 6DK-20型船舶發(fā)電柴油機(jī)飛車故障案例出發(fā)，對(duì)柴油機(jī)調(diào)速工作原理和燃油系統(tǒng)各部件組成、結(jié)構(gòu)和工作原理，燃燒室的結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒的影響等方面進(jìn)行分析，總結(jié)了柴油發(fā)電機(jī)超速的原因，提出故障處理以及平時(shí)應(yīng)做的預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：：超速故障 噴油裝置 燃燒室 船舶調(diào)速器
現(xiàn)代船舶用發(fā)電柴油機(jī)，大都是中速四沖程柴油機(jī)，作為船舶發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)，要求能在外界負(fù)荷變化時(shí)保持恒定轉(zhuǎn)速，以保證發(fā)電機(jī)的電壓與頻率恒定。但發(fā)電柴油機(jī)本身沒(méi)有調(diào)速能力，所以必須設(shè)調(diào)速器，通過(guò)調(diào)速器來(lái)調(diào)整噴油泵的供油量，使柴油機(jī)的有效功率隨外界負(fù)荷的變化而變化，以保證柴油機(jī)始終能以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
一、發(fā)電柴油機(jī)超速故障現(xiàn)象
“MSC Belem”輪柴油發(fā)電機(jī)為四沖程中速柴油機(jī)，其型號(hào)為DAIHATSU 6DK-20，使用的是PGA液壓調(diào)速器，且燃燒室為預(yù)燃室式。正常工作時(shí)，柴油機(jī)聲音平穩(wěn)無(wú)雜音，轉(zhuǎn)速維持在720 r/min，各缸的排溫也都維持在320℃左右(350KW負(fù)荷時(shí))。事故發(fā)生在當(dāng)班輪機(jī)員停掉GS泵后，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)頻率升高，立即去機(jī)旁檢查，柴油機(jī)有點(diǎn)抖動(dòng)，透平發(fā)出沉重轟鳴聲，各缸排溫持續(xù)升高，當(dāng)班輪機(jī)員立即啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)合閘并網(wǎng)供電，此時(shí)，3號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，超速警報(bào)觸發(fā)，但是柴油機(jī)仍然沒(méi)有停車，輪機(jī)員現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)油門桿卡死，停油氣缸也不能將油門桿推至零位，此時(shí)當(dāng)班輪機(jī)員果斷將該柴油機(jī)進(jìn)油閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)停油停車的目的。超速保護(hù)本應(yīng)在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到115-120%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)油門桿拉至零位，自動(dòng)停車，同時(shí)超速保護(hù)警報(bào)觸發(fā)。
二、引起超速相關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理
1、調(diào)速器
1.1調(diào)速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
船舶調(diào)速器分為機(jī)械調(diào)速器和液壓調(diào)速器。對(duì)于機(jī)械式調(diào)速器，它主要由飛重、滑動(dòng)套筒及調(diào)速?gòu)椈山M成，通過(guò)飛重轉(zhuǎn)動(dòng)形成的離心力與彈簧的作用力相互作用，達(dá)到相對(duì)平衡，從而調(diào)節(jié)噴油量。而機(jī)械式調(diào)速器不能保持柴油機(jī)調(diào)速前后的轉(zhuǎn)速不變，負(fù)荷改變時(shí)柴油機(jī)不能恢復(fù)到原來(lái)的轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)速差的根本原因是因?yàn)楦袘?yīng)元件與油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間采用的是剛性連接。所以機(jī)械式調(diào)速器只適用于中小功率的柴油機(jī)，具有靈敏度和精度差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便的特點(diǎn)�，F(xiàn)代的船舶發(fā)電柴油機(jī)大都是大功率柴油機(jī)，所以機(jī)械式調(diào)速器不能夠滿足現(xiàn)代船舶航行要求，這里就需要液壓調(diào)速器來(lái)幫忙。該輪發(fā)電柴油機(jī)功率大，調(diào)速器拉動(dòng)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所需力矩較大，故增加了一個(gè)放大伺服機(jī)構(gòu)在感應(yīng)機(jī)構(gòu)和油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間，使調(diào)速器靈敏度和工作能力大大提高。且本輪發(fā)電機(jī)采用一種雙反饋、氣動(dòng)速度設(shè)定的全制式液壓調(diào)速器，所以這里主要分析的是液壓調(diào)速器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
1.2 調(diào)速器的工作原理
如上圖所示，PGA液壓調(diào)速器基本由三大部分組成，每個(gè)部分都有不同的作用。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷減小時(shí)，轉(zhuǎn)速升高，飛重離心力大于調(diào)速?gòu)椈傻膹椓Γ瑒t飛重向外收攏，滑閥柱塞8向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓力油進(jìn)入阻尼活塞12右側(cè)并推動(dòng)它向左移動(dòng)，并將左側(cè)的油壓入伺服油缸17內(nèi)動(dòng)力活塞的上部，隨著油壓的升高，推動(dòng)動(dòng)力活塞向下移動(dòng)，此時(shí)柴油機(jī)供油量減少，轉(zhuǎn)速下降。這時(shí)阻尼活塞12左右兩側(cè)的油壓同時(shí)作用在位于滑閥上部的補(bǔ)償環(huán)帶7的兩側(cè)，且作用在上側(cè)的油壓大于下側(cè)油壓，產(chǎn)生向下的推力(稱為補(bǔ)償力)，使滑閥8下移而超前復(fù)位，即由補(bǔ)償力產(chǎn)生的負(fù)反饋?zhàn)饔�。所以柴油機(jī)減速過(guò)程中，由油壓差所產(chǎn)生的補(bǔ)償力將由阻尼活塞的緩慢右移而通過(guò)補(bǔ)償針閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使油壓差逐漸減小。一般情況下調(diào)節(jié)補(bǔ)償針閥的開(kāi)度大小，使補(bǔ)償力增加的速度與飛重離心力的降低速率相同，這樣便可以保持滑閥在中央位置不動(dòng)，從而使得當(dāng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)至原設(shè)定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，補(bǔ)償力消失，飛重恢復(fù)至垂直位置，滑閥與阻尼活塞均恢復(fù)到原中央位置，而動(dòng)力活塞穩(wěn)定在新的位置上。這樣便保證了柴油機(jī)負(fù)荷減少時(shí)，供油量降低的情況下穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。負(fù)荷增加則與上述過(guò)程相反。
2、噴油設(shè)備
2.1 噴油泵
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。噴油泵是噴射系統(tǒng)中核心組成部件之一。主要產(chǎn)生高壓燃油供噴油器霧化噴進(jìn)燃燒室，還能控制供油量和噴油定時(shí)。噴油泵分兩種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)误w泵和合成泵，主要由一個(gè)柱塞和套筒構(gòu)成，本身不帶凸輪軸，有的甚至不帶滾輪傳動(dòng)部件，由于這種單體泵便于布置在靠近汽缸蓋的部位，使高壓油管大大縮短，目前應(yīng)用在缸徑為200mm以上的大功率中、低速柴油機(jī)上，見(jiàn)圖2。一般小功率柴油發(fā)電機(jī)都是用合成泵，為回油孔調(diào)節(jié)式合成泵，在同一泵體內(nèi)安裝與柴油機(jī)汽缸數(shù)相同的柱塞套筒偶見(jiàn)，每缸一組噴油元件，由泵體內(nèi)凸輪軸上的對(duì)應(yīng)該缸的凸輪驅(qū)動(dòng)。
工作原理。柱塞與套筒是一對(duì)精密偶件。柱塞在套筒內(nèi)由凸輪頂動(dòng)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞由凸輪頂動(dòng)上行，在柱塞上部端面剛好關(guān)閉回油孔時(shí)，泵腔內(nèi)燃油開(kāi)始受壓，是為幾何供油始點(diǎn)。柱塞繼續(xù)上行，當(dāng)柱塞斜槽打開(kāi)回油孔時(shí)，柱塞上方的高壓燃油經(jīng)直槽和環(huán)形槽與回油孔相通而流回進(jìn)油空間，是為幾何供油終點(diǎn)。從供油始點(diǎn)到供油終點(diǎn)柱塞上行的距離為有效行程，該行程的大小代表供油量多少;當(dāng)調(diào)速器輸出的油量調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)油門桿拉動(dòng)齒圈和柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柱塞上的螺旋槽與套筒油孔之間的相對(duì)位置變化，從而改變柱塞有效行程，該缸噴油量減少，發(fā)電機(jī)發(fā)出功率減低;噴油定時(shí)的調(diào)整通過(guò)改變套筒和柱塞間相對(duì)位置而改變供油始點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)。本輪事故即為發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低時(shí)，第1、5兩缸油齒、柱塞和套筒卡在較大供油量位置，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增大導(dǎo)致超速。
易發(fā)生的故障。首先是柱塞與套筒偶件。柱塞在套筒中高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，僅通過(guò)微量的燃油漏泄?jié)櫥渑浜媳砻�，在幾百Bar的高壓燃油下還需保持良好的密封。柱塞偶件在如此惡劣的工作環(huán)境中易受到燃油的腐蝕和雜質(zhì)的擦傷，故柱塞偶件采用高硬度、耐磨、耐腐蝕的材料經(jīng)精密加工而成。
2.2噴油器
噴油器的結(jié)構(gòu)和工作原理：噴油器分為開(kāi)式噴油器和閉式噴油器，開(kāi)式噴油器的主要特點(diǎn)是噴油器噴油管內(nèi)腔始終與燃燒室相通。由于它沒(méi)有關(guān)閉噴孔的針閥，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易產(chǎn)生滴油，無(wú)明顯的壓力界限，故供油開(kāi)始時(shí)，在壓力不足的情況下有可能漏油，在斷油時(shí)由于油管和燃料的膨脹也可能產(chǎn)生滴油，所以現(xiàn)在的船用發(fā)電柴油機(jī)大部分用的是閉式噴油器。該輪發(fā)電機(jī)用的是閉式噴油器，噴孔數(shù)目6個(gè)，根據(jù)說(shuō)明書(shū)每1500工作時(shí)間需解體、清潔后檢查，視情況更換磨損超限部件。
噴油器中的主要部件是針閥偶件，由針閥和閥體組成。針閥由彈簧力將其預(yù)緊在閥座上，當(dāng)噴油器針閥下端錐面上的油壓超過(guò)彈簧預(yù)緊力時(shí)，針閥上移啟閥，將高壓燃油從噴孔中噴入燃燒室，此為啟閥壓力。當(dāng)作用在噴油器針閥承壓錐面上的油壓低于彈簧預(yù)緊力時(shí)，針閥關(guān)閉。
易發(fā)生的故障。主要是針閥和閥體精密偶件。燃燒室的高溫及針閥落座的撞擊對(duì)其材質(zhì)要求很高。針閥在針閥體中良好的密封同時(shí)，允許有微量的漏油來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑。所以針閥偶件一般都采用耐磨性好、韌性好、疲勞強(qiáng)度好且有足夠硬度的材料。應(yīng)當(dāng)注意的是針閥和針閥座密封錐面上的密封環(huán)帶(通常我們叫閥線)連續(xù)不間斷、寬度0.3～0.5mm最佳。
2.3 燃燒室
燃燒室部件是柴油機(jī)中重要的組成部分，它主要由活塞組件、氣缸蓋組件和氣缸套組成。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，氣缸蓋底面、氣缸套內(nèi)表面及活塞頂共同組成一個(gè)燃料與空氣混合的空間，這就是燃燒室。
燃燒室主要可分為直接噴射式和分開(kāi)式燃燒室，直噴式燃燒室根據(jù)燃油噴入方式和燃燒室形狀分為統(tǒng)一式、半分開(kāi)式、球形油膜式和復(fù)合式燃燒室，船用大功率柴油機(jī)一般采用直噴式燃燒室;而分開(kāi)式燃燒室被明顯隔成兩部分，一部分由活塞頂面及氣缸蓋底面(跟直噴式一樣)組成;另一部分在氣缸蓋或氣缸體中，兩者以一條或數(shù)條通道相聯(lián)接，所以分開(kāi)式燃燒室分為渦流室式和預(yù)燃室式，見(jiàn)圖3。
三、故障原因及排除方法
1、故障原因
通過(guò)對(duì)引起超速相關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，對(duì)于發(fā)電柴油機(jī)超速故障，可總結(jié)為兩方面原因：
原因一、燃油供應(yīng)過(guò)量引起柴油機(jī)超速飛車：① 油門齒桿從調(diào)速桿叉槽內(nèi)滑出，或裝配高壓油泵時(shí)時(shí)沒(méi)有將油量調(diào)節(jié)臂裝入槽內(nèi)，導(dǎo)致油泵油門齒條處于最大供油位置，柴油發(fā)電機(jī)一啟動(dòng)就會(huì)發(fā)生超速保護(hù)停車故障。 ②油門桿卡死或柱塞齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)不靈。油門桿、齒圈卡死造成超速的現(xiàn)象比較常見(jiàn)，這次“MSC Belem”輪就是此類故障，此時(shí)柱塞齒圈卡死，油門桿拉不動(dòng)，供油量偏大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速升高，調(diào)速功能喪失。而引起柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)不靈的原因有：裝配時(shí)柱塞被碰傷;油泵內(nèi)有臟物，使雜質(zhì)進(jìn)入柱塞套筒間隙中;出油閥座擰緊時(shí)力矩太大，致使套筒變形(這種情況一般在小型柴油機(jī)上易出現(xiàn));套筒定位螺釘太長(zhǎng)或彎曲，裝配時(shí)頂死套筒。 ③齒桿齒圈無(wú)記號(hào)或沒(méi)對(duì)上、柱塞裝錯(cuò)，造成供給燃油過(guò)量。④拉桿與調(diào)速器活動(dòng)部位卡滯。 ⑤調(diào)速器調(diào)試不當(dāng)�？赡艿脑蛴校翰裼蜋C(jī)調(diào)速?gòu)椈傻念A(yù)緊力過(guò)大;調(diào)速器內(nèi)潤(rùn)滑油多或粘度大;調(diào)速器的作用點(diǎn)過(guò)高，致使停油轉(zhuǎn)速高或不能停油。
原因二、機(jī)油引起柴油機(jī)超速的原因(通常這種情況在中速船用發(fā)電柴油機(jī)上發(fā)生的可能性較小)：①第四道刮油環(huán)裝反或活塞上的回油孔堵塞，使機(jī)油竄入燃燒室。 ②活塞環(huán)嚴(yán)重磨損，缸套間隙過(guò)大，或活塞環(huán)開(kāi)口對(duì)齊時(shí)，大量機(jī)油竄入燃燒室。③曲軸箱通氣孔堵塞，氣壓增高，使機(jī)油被壓入燃燒室。④油底殼機(jī)油過(guò)多，工作時(shí)竄入氣缸。⑤機(jī)油溫度高，粘度太低，也容易竄入燃燒室。而引起機(jī)油粘度下降的原因有：機(jī)油溫度過(guò)高;輕柴油漏進(jìn)油底殼;少量水進(jìn)入油底殼;機(jī)油質(zhì)量不符合要求。
2、船舶發(fā)電柴油機(jī)飛車故障時(shí)，超速保護(hù)停車不靈時(shí)應(yīng)采取的緊急措施
當(dāng)船舶柴油發(fā)電機(jī)出現(xiàn)飛車時(shí)，如果超速保護(hù)裝置沒(méi)有觸發(fā)停車或者停車保護(hù)觸發(fā)但未停止供油，輪機(jī)員應(yīng)沉著冷靜，果斷地采取有效措施使柴油機(jī)停止。若柴油機(jī)在運(yùn)行中，千萬(wàn)不要降低負(fù)荷，以防止轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高。①切斷進(jìn)氣。迅速用衣服或機(jī)艙廢舊破布、塑料等緊緊包住透平壓縮端空氣濾網(wǎng)，使新鮮空氣不能進(jìn)入燃燒室而使柴油機(jī)熄火。②停油。迅速停止供油泵，或關(guān)閉燃油進(jìn)機(jī)閥，或迅速擰松高壓油管接頭螺母，以切斷柴油供應(yīng)，使柴油機(jī)熄火。③ 如果是因?yàn)槿加凸┯土窟^(guò)多，也可采取增加柴油機(jī)負(fù)荷而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，然后再想辦法停車后調(diào)查原因。
在飛車故障原因未找到、并未排除之前，嚴(yán)禁再次起動(dòng)柴油機(jī);故障排除后，還應(yīng)檢查柴油機(jī)各運(yùn)動(dòng)件有無(wú)因飛車而損壞，檢查主軸瓦、連桿大瓦等滑動(dòng)部件是否過(guò)度磨損導(dǎo)致間隙變大，以免再次起動(dòng)柴油機(jī)而擴(kuò)大損失。
3、船舶柴油機(jī)飛車的預(yù)防措施
為防止船舶發(fā)電柴油機(jī)發(fā)生飛車事故，應(yīng)做好如下幾方面工作：①不要隨意調(diào)整和拆卸調(diào)速器，如需調(diào)整，應(yīng)在嚴(yán)格按說(shuō)明書(shū)的要求進(jìn)行;②定期更換調(diào)速器的機(jī)油，保持油質(zhì)清潔和油位適中;③定期檢查油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，確保聯(lián)接無(wú)松動(dòng)、動(dòng)作靈活;④定期檢修柴油機(jī)高壓油泵，清潔高壓油泵的油門桿、柱塞齒套、柱塞套筒等機(jī)件，保證油門桿和齒套活動(dòng)靈活不卡阻; 定期檢修高壓油泵，更換老化、破損的O型密封圈，防止燃油漏泄停機(jī)后冷卻凝結(jié)，而造成運(yùn)動(dòng)機(jī)件卡阻;⑤對(duì)長(zhǎng)期停放的柴油機(jī)，在起動(dòng)柴油機(jī)前，手動(dòng)檢查調(diào)速器、油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和各缸高壓油泵的齒條確保動(dòng)作靈活，以防柴油機(jī)一起動(dòng)就飛車;⑥加強(qiáng)燃油凈化、過(guò)濾以確保燃油質(zhì)量，并適當(dāng)加熱保持最佳燃油噴射粘度。
四、總結(jié)
經(jīng)過(guò)以上分析，我們得出結(jié)論：引起柴油發(fā)動(dòng)機(jī)超速的根本原因是柴油機(jī)不能隨負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整供油量、保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，從而喪失了調(diào)速特性。噴油泵和調(diào)速器的相關(guān)部件卡滯或松脫、設(shè)定不當(dāng)，會(huì)使其供油量不能及時(shí)調(diào)整而喪失正常的調(diào)速特性。
本輪柴油發(fā)電機(jī)超速故障，從后來(lái)的事故調(diào)查，發(fā)現(xiàn)是柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)不靈，柱塞處于最大供油位置，調(diào)速器拉不動(dòng)油泵油門齒條，導(dǎo)致船舶電網(wǎng)負(fù)荷降低時(shí)轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，調(diào)速器就失去了控制油量的作用。出現(xiàn)這種情況，主要是由于船舶長(zhǎng)期使用低質(zhì)燃油，噴油泵缺乏定期保養(yǎng)、油門桿卡死、柱塞不能轉(zhuǎn)動(dòng)引起。所以出現(xiàn)柴油機(jī)超速這類突發(fā)事件時(shí)，一方面考驗(yàn)輪機(jī)員的應(yīng)急處理能力，另一方面反映二管輪平時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)高壓油泵缺乏保養(yǎng)。發(fā)電機(jī)高壓油泵應(yīng)依據(jù)說(shuō)明書(shū)和實(shí)際運(yùn)行情況，每隔幾千工作小時(shí)，檢修高壓油泵，檢查精密偶件的磨損情況，換新所有的O-RING等易損元件，保持發(fā)電柴油機(jī)良好的運(yùn)行工況，以避免類似發(fā)電柴油機(jī)超速事故出現(xiàn)。
作為一名合格的輪機(jī)員，平時(shí)應(yīng)定期檢查船上各種機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工作性能，從細(xì)微處發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不能忽視一個(gè)小小的參數(shù)異常，避免人為保養(yǎng)工作不到位引起機(jī)器設(shè)備損壞和這類突發(fā)事故在船發(fā)生。
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