“MSCBelem”輪副機超速故障分析與處理

申石磊

摘 要：本文從DAIHATSU 6DK-20型船舶發(fā)電柴油機飛車故障案例出發(fā)，對柴油機調(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)對燃燒的影響等方面進行分析，總結(jié)了柴油發(fā)電機超速的原因，提出故障處理以及平時應(yīng)做的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：：超速故障 船舶調(diào)速器 噴油裝置 燃燒室

現(xiàn)代船舶用發(fā)電柴油機，大都是中速四沖程柴油機，作為船舶發(fā)電機的原動機，要求能在外界負荷變化時保持恒定轉(zhuǎn)速，以保證發(fā)電機的電壓與頻率恒定。但發(fā)電柴油機本身沒有調(diào)速能力，所以必須設(shè)調(diào)速器，通過調(diào)速器來調(diào)整噴油泵的供油量，使柴油機的有效功率隨外界負荷的變化而變化，以保證柴油機始終能以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

發(fā)電柴油機超速故障現(xiàn)象

“MSC Belem”輪柴油發(fā)電機為四沖程中速柴油機，其型號為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，柴油機聲音平穩(wěn)無雜音，轉(zhuǎn)速維持在720 r/min，各缸的排溫也都維持在320℃左右（350KW負荷時）。事故發(fā)生在當(dāng)班輪機員停掉GS泵后，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)頻率升高，立即去機旁檢查，柴油機有點抖動，透平發(fā)出沉重轟鳴聲，各缸排溫持續(xù)升高，當(dāng)班輪機員立即啟動備用發(fā)電機合閘并網(wǎng)供電，此時，3號發(fā)電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，超速警報觸發(fā)，但是柴油機仍然沒有停車，輪機員現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)油門桿卡死，停油氣缸也不能將油門桿推至零位，此時當(dāng)班輪機員果斷將該柴油機進油閥關(guān)閉，實現(xiàn)停油停車的目的。超速保護本應(yīng)在柴油機轉(zhuǎn)速達到115-120%額定轉(zhuǎn)速時，柴油機油門桿拉至零位，自動停車，同時超速保護警報觸發(fā)。

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

船舶調(diào)速器分為機械調(diào)速器和液壓調(diào)速器。對于機械式調(diào)速器，它主要由飛重、滑動套筒及調(diào)速彈簧組成，通過飛重轉(zhuǎn)動形成的離心力與彈簧的作用力相互作用，達到相對平衡，從而調(diào)節(jié)噴油量。而機械式調(diào)速器不能保持柴油機調(diào)速前后的轉(zhuǎn)速不變，負荷改變時柴油機不能恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)速差的根本原因是因為感應(yīng)元件與油量調(diào)節(jié)機構(gòu)之間采用的是剛性連接。所以機械式調(diào)速器只適用于中小功率的柴油機，具有靈敏度和精度差，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便的特點。現(xiàn)代的船舶發(fā)電柴油機大都是大功率柴油機，所以機械式調(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)速器來幫忙。該輪發(fā)電柴油機功率大，調(diào)速器拉動油量調(diào)節(jié)機構(gòu)所需力矩較大，故增加了一個放大伺服機構(gòu)在感應(yīng)機構(gòu)和油量調(diào)節(jié)機構(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)電機采用一種雙反饋、氣動速度設(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，每個部分都有不同的作用。當(dāng)柴油機負荷減小時，轉(zhuǎn)速升高，飛重離心力大于調(diào)速彈簧的彈力，則飛重向外收攏，滑閥柱塞8向上運動，此時壓力油進入阻尼活塞12右側(cè)并推動它向左移動，并將左側(cè)的油壓入伺服油缸17內(nèi)動力活塞的上部，隨著油壓的升高，推動動力活塞向下移動，此時柴油機供油量減少，轉(zhuǎn)速下降。這時阻尼活塞12左右兩側(cè)的油壓同時作用在位于滑閥上部的補償環(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（稱為補償力），使滑閥8下移而超前復(fù)位，即由補償力產(chǎn)生的負反饋作用。所以柴油機減速過程中，由油壓差所產(chǎn)生的補償力將由阻尼活塞的緩慢右移而通過補償針閥進行調(diào)節(jié)，使油壓差逐漸減小。一般情況下調(diào)節(jié)補償針閥的開度大小，使補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，從而使得當(dāng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)至原設(shè)定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，補償力消失，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，而動力活塞穩(wěn)定在新的位置上。這樣便保證了柴油機負荷減少時，供油量降低的情況下穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。負荷增加則與上述過程相反。

2、噴油設(shè)備

2.1 噴油泵

結(jié)構(gòu)特點。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燃燒室，還能控制供油量和噴油定時。噴油泵分兩種結(jié)構(gòu)：單體泵和合成泵，主要由一個柱塞和套筒構(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、低速柴油機上，見圖2。一般小功率柴油發(fā)電機都是用合成泵，為回油孔調(diào)節(jié)式合成泵，在同一泵體內(nèi)安裝與柴油機汽缸數(shù)相同的柱塞套筒偶見，每缸一組噴油元件，由泵體內(nèi)凸輪軸上的對應(yīng)該缸的凸輪驅(qū)動。

工作原理。柱塞與套筒是一對精密偶件。柱塞在套筒內(nèi)由凸輪頂動上下往復(fù)運動。當(dāng)柱塞由凸輪頂動上行，在柱塞上部端面剛好關(guān)閉回油孔時，泵腔內(nèi)燃油開始受壓，是為幾何供油始點。柱塞繼續(xù)上行，當(dāng)柱塞斜槽打開回油孔時，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油空間，是為幾何供油終點。從供油始點到供油終點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)信號經(jīng)油門桿拉動齒圈和柱塞轉(zhuǎn)動時，柱塞上的螺旋槽與套筒油孔之間的相對位置變化，從而改變柱塞有效行程，該缸噴油量減少，發(fā)電機發(fā)出功率減低；噴油定時的調(diào)整通過改變套筒和柱塞間相對位置而改變供油始點的方法實現(xiàn)。本輪事故即為發(fā)電機負荷降低時，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)運動，僅通過微量的燃油漏泄?jié)櫥渑浜媳砻妫趲装貰ar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：噴油器分為開式噴油器和閉式噴油器，開式噴油器的主要特點是噴油器噴油管內(nèi)腔始終與燃燒室相通。由于它沒有關(guān)閉噴孔的針閥，所以結(jié)構(gòu)簡單，但容易產(chǎn)生滴油，無明顯的壓力界限，故供油開始時，在壓力不足的情況下有可能漏油，在斷油時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)電柴油機大部分用的是閉式噴油器。該輪發(fā)電機用的是閉式噴油器，噴孔數(shù)目6個，根據(jù)說明書每1500工作時間需解體、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彈簧預(yù)緊力時，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，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其材質(zhì)要求很高。針閥在針閥體中良好的密封同時，允許有微量的漏油來進行潤滑。所以針閥偶件一般都采用耐磨性好、韌性好、疲勞強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)活塞運動到上止點時，氣缸蓋底面、氣缸套內(nèi)表面及活塞頂共同組成一個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、半分開式、球形油膜式和復(fù)合式燃燒室，船用大功率柴油機一般采用直噴式燃燒室；而分開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，所以分開式燃燒室分為渦流室式和預(yù)燃室式，見圖3。

故障原因及排除方法

1、故障原因

通過對引起超速相關(guān)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，對于發(fā)電柴油機超速故障，可總結(jié)為兩方面原因：

原因一、燃油供應(yīng)過量引起柴油機超速飛車：① 油門齒桿從調(diào)速桿叉槽內(nèi)滑出，或裝配高壓油泵時時沒有將油量調(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)電機一啟動就會發(fā)生超速保護停車故障。 ②油門桿卡死或柱塞齒圈轉(zhuǎn)動不靈。油門桿、齒圈卡死造成超速的現(xiàn)象比較常見，這次“MSC Belem”輪就是此類故障，此時柱塞齒圈卡死，油門桿拉不動，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)動不靈的原因有：裝配時柱塞被碰傷；油泵內(nèi)有臟物，使雜質(zhì)進入柱塞套筒間隙中；出油閥座擰緊時力矩太大，致使套筒變形（這種情況一般在小型柴油機上易出現(xiàn)）；套筒定位螺釘太長或彎曲，裝配時頂死套筒。 ③齒桿齒圈無記號或沒對上、柱塞裝錯，造成供給燃油過量。④拉桿與調(diào)速器活動部位卡滯。 ⑤調(diào)速器調(diào)試不當(dāng)。可能的原因有：柴油機調(diào)速彈簧的預(yù)緊力過大；調(diào)速器內(nèi)潤滑油多或粘度大；調(diào)速器的作用點過高，致使停油轉(zhuǎn)速高或不能停油。

原因二、機油引起柴油機超速的原因（通常這種情況在中速船用發(fā)電柴油機上發(fā)生的可能性較?。孩俚谒牡拦斡铜h(huán)裝反或活塞上的回油孔堵塞，使機油竄入燃燒室。 ②活塞環(huán)嚴重磨損，缸套間隙過大，或活塞環(huán)開口對齊時，大量機油竄入燃燒室。③曲軸箱通氣孔堵塞，氣壓增高，使機油被壓入燃燒室。④油底殼機油過多，工作時竄入氣缸。⑤機油溫度高，粘度太低，也容易竄入燃燒室。而引起機油粘度下降的原因有：機油溫度過高；輕柴油漏進油底殼；少量水進入油底殼；機油質(zhì)量不符合要求。

2、船舶發(fā)電柴油機飛車故障時，超速保護停車不靈時應(yīng)采取的緊急措施

當(dāng)船舶柴油發(fā)電機出現(xiàn)飛車時，如果超速保護裝置沒有觸發(fā)停車或者停車保護觸發(fā)但未停止供油，輪機員應(yīng)沉著冷靜，果斷地采取有效措施使柴油機停止。若柴油機在運行中，千萬不要降低負荷，以防止轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高。①切斷進氣。迅速用衣服或機艙廢舊破布、塑料等緊緊包住透平壓縮端空氣濾網(wǎng)，使新鮮空氣不能進入燃燒室而使柴油機熄火。②停油。迅速停止供油泵，或關(guān)閉燃油進機閥，或迅速擰松高壓油管接頭螺母，以切斷柴油供應(yīng)，使柴油機熄火。③ 如果是因為燃油供油量過多，也可采取增加柴油機負荷而使發(fā)動機轉(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，嚴禁再次起動柴油機；故障排除后，還應(yīng)檢查柴油機各運動件有無因飛車而損壞，檢查主軸瓦、連桿大瓦等滑動部件是否過度磨損導(dǎo)致間隙變大，以免再次起動柴油機而擴大損失。

3、船舶柴油機飛車的預(yù)防措施

為防止船舶發(fā)電柴油機發(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)在嚴格按說明書的要求進行；②定期更換調(diào)速器的機油，保持油質(zhì)清潔和油位適中；③定期檢查油量調(diào)節(jié)機構(gòu)，確保聯(lián)接無松動、動作靈活；④定期檢修柴油機高壓油泵，清潔高壓油泵的油門桿、柱塞齒套、柱塞套筒等機件，保證油門桿和齒套活動靈活不卡阻； 定期檢修高壓油泵，更換老化、破損的O型密封圈，防止燃油漏泄停機后冷卻凝結(jié)，而造成運動機件卡阻；⑤對長期停放的柴油機，在起動柴油機前，手動檢查調(diào)速器、油量調(diào)節(jié)機構(gòu)和各缸高壓油泵的齒條確保動作靈活，以防柴油機一起動就飛車；⑥加強燃油凈化、過濾以確保燃油質(zhì)量，并適當(dāng)加熱保持最佳燃油噴射粘度。

總結(jié)

經(jīng)過以上分析，我們得出結(jié)論：引起柴油發(fā)動機超速的根本原因是柴油機不能隨負荷變化及時調(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)，會使其供油量不能及時調(diào)整而喪失正常的調(diào)速特性。

本輪柴油發(fā)電機超速故障，從后來的事故調(diào)查，發(fā)現(xiàn)是柱塞轉(zhuǎn)動不靈，柱塞處于最大供油位置，調(diào)速器拉不動油泵油門齒條，導(dǎo)致船舶電網(wǎng)負荷降低時轉(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)動引起。所以出現(xiàn)柴油機超速這類突發(fā)事件時，一方面考驗輪機員的應(yīng)急處理能力，另一方面反映二管輪平時對發(fā)電機高壓油泵缺乏保養(yǎng)。發(fā)電機高壓油泵應(yīng)依據(jù)說明書和實際運行情況，每隔幾千工作小時，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)電柴油機良好的運行工況，以避免類似發(fā)電柴油機超速事故出現(xiàn)。

作為一名合格的輪機員，平時應(yīng)定期檢查船上各種機器設(shè)備的運行狀態(tài)和工作性能，從細微處發(fā)現(xiàn)問題，不能忽視一個小小的參數(shù)異常，避免人為保養(yǎng)工作不到位引起機器設(shè)備損壞和這類突發(fā)事故在船發(fā)生。

（作者單位：華洋海事中心）