某船用柴油機(jī)拉缸故障分析

任鳳華，王嘉志，吳善躍

（92957部隊(duì)，浙江 舟山 316000）

柴油機(jī)作為船舶動(dòng)力和電力供應(yīng)的關(guān)鍵裝備，被稱(chēng)為船舶的“心臟”。但由于工作負(fù)荷強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等原因，使得柴油機(jī)在船舶運(yùn)行中的故障率較高，其中拉缸故障出現(xiàn)最為頻繁。

拉缸是柴油機(jī)運(yùn)行中的嚴(yán)重故障之一，是活塞、活塞環(huán)或活塞銷(xiāo)在缸套中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因某種原因造成零件損壞形成干摩擦，使缸套表面或者活塞因相互作用被拉傷、拉毛或劃出溝紋而影響柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的嚴(yán)重磨損損傷現(xiàn)象[1]。造成拉缸的可能原因主要有：汽缸潤(rùn)滑故障、冷卻和排氣故障、活塞環(huán)或活塞銷(xiāo)卡環(huán)故障、活塞或缸套單體故障、柴油機(jī)設(shè)計(jì)缺陷以及其他運(yùn)行維護(hù)等方面的問(wèn)題。本文以實(shí)際工作中遇到的某船用柴油機(jī)拉缸故障為例，分析了故障產(chǎn)生的原因機(jī)理，并對(duì)事故背后潛在的裝備管理問(wèn)題進(jìn)行了剖析，就裝備管理方法的優(yōu)化改進(jìn)談幾點(diǎn)思考意見(jiàn)。

1 故障現(xiàn)象及原因分析

1.1 裝備基本情況

柴油機(jī)型號(hào)為16V396TE54，其維修頻次采取W 等級(jí)修理模式，總共分為W1～W6 的6 個(gè)等級(jí)。故障發(fā)生時(shí)柴油機(jī)工作時(shí)間16 000 h左右，距離上一次等級(jí)修理時(shí)間（W5，12 000 h）間隔4 000 h，距離規(guī)定的W6 等級(jí)修理時(shí)間相差2 000 h。日常監(jiān)測(cè)方面，柴油機(jī)主要采取油水氣溫度、壓力等參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與滑油定期取樣離線監(jiān)測(cè)相結(jié)合的模式，截止故障發(fā)生前，滑油、淡水以及排氣的溫度壓力變化均無(wú)明顯異常。柴油機(jī)滑油主要磨損元素歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要磨損元素歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1.2 故障現(xiàn)象

柴油機(jī)在使用過(guò)程中潤(rùn)滑油壓力突然下降，觸發(fā)報(bào)警裝置后機(jī)器自動(dòng)停機(jī)，拆檢后發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)B7 缸出現(xiàn)嚴(yán)重拉缸故障，柴油機(jī)B7 缸現(xiàn)場(chǎng)故障圖如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，了解到該缸故障為：①活塞在活塞銷(xiāo)孔位置大致沿橫向斷裂；②兩活塞銷(xiāo)孔銅襯套外表面有明顯咬合磨損痕跡，且靠近缸壁外端有明顯的撞擊變形；③氣缸套內(nèi)壁有嚴(yán)重的拉痕且底部出現(xiàn)撞擊缺損；④機(jī)體上活塞冷卻油噴嘴及主油道被連桿打壞。由于機(jī)體損壞的潤(rùn)滑油道難以修復(fù)，該柴油機(jī)修理將采取整機(jī)更換的措施。

圖1 柴油機(jī)B7缸現(xiàn)場(chǎng)故障圖

1.3 故障原因分析

經(jīng)專(zhuān)家組初步分析判斷，認(rèn)為該機(jī)出現(xiàn)拉缸故障具有2種可能：一種可能是活塞鑄造中活塞銷(xiāo)孔位置具有先天缺陷，該缺陷在持續(xù)交變的機(jī)械載荷和熱載荷作用下逐步擴(kuò)展出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致活塞銷(xiāo)孔尺寸逐漸增大，造成活塞銷(xiāo)孔銅襯套松動(dòng)；第二種可能是活塞銷(xiāo)孔銅襯套與活塞裝配過(guò)程中的過(guò)盈量偏大，在使用中出現(xiàn)銅襯套松動(dòng)。無(wú)論哪種可能，松動(dòng)的銅襯套都會(huì)在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中發(fā)生振動(dòng)，并將振動(dòng)攜帶的巨大動(dòng)能直接作用在活塞的銷(xiāo)孔以及側(cè)端缸套位置，最終導(dǎo)致活塞斷裂、缸套破損，滑油主油道打斷，機(jī)器斷油造成拉缸事故。

2 維修管理存在的問(wèn)題

2.1 維修管理模式不科學(xué)

傳統(tǒng)的維修管理模式，采取在裝備壽命周期內(nèi)根據(jù)預(yù)定安排實(shí)施計(jì)劃性維修。用以指導(dǎo)裝備維修安排的主要依據(jù)是時(shí)間量，而非裝備的實(shí)際性能狀態(tài)，顯然這種維修模式有失科學(xué)性。

一是維修項(xiàng)目抓不住重點(diǎn)、分不清主次，不是維修過(guò)剩就是維修不足。上述故障案例中，據(jù)船員介紹柴油機(jī)在開(kāi)展W5 等級(jí)修理時(shí)，修理項(xiàng)目涵蓋了曲柄連桿、氣缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣管、中冷器、啟動(dòng)空氣系統(tǒng)、附屬油水泵等諸多機(jī)械部件，任務(wù)量巨大而給定工期較短，因此修理單位對(duì)柴油機(jī)的氣缸及連桿機(jī)構(gòu)選擇了抽檢，而恰巧漏掉了B7缸，給后續(xù)拉缸埋下了事故隱患。

二是計(jì)劃維修難以避免裝備的突發(fā)故障。計(jì)劃維修由于修理間隔時(shí)間相對(duì)固定，2 次修理間隙裝備出現(xiàn)的故障隱患難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，積存的小問(wèn)題長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)展劣化容易釀成大事故，尤其對(duì)于工作環(huán)境惡劣且長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)而言更是如此，計(jì)劃維修極易演變成事后維修。本案例中柴油機(jī)就屬于還未到規(guī)定的W6 等級(jí)修理時(shí)間就突發(fā)嚴(yán)重拉缸事故的典型，故障的突發(fā)給船舶航行安全造成嚴(yán)重危害，且柴油機(jī)的事后維修也影響了船方執(zhí)行任務(wù)，并帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 預(yù)防性維修水平低下

維修管理模式的落后也側(cè)面說(shuō)明預(yù)防性維修水平的低下，而預(yù)防性維修的基礎(chǔ)在于裝備的監(jiān)測(cè)診斷工作。上述案例中監(jiān)測(cè)工作存在的主要問(wèn)題有以下2方面。

一是監(jiān)測(cè)工作未能形成有效閉環(huán)。監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)曾在2021 年12 月14 日在對(duì)柴油機(jī)油樣定期監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)銅、鋁元素有異常增長(zhǎng)的現(xiàn)象，并將此情況通報(bào)至了船方，同時(shí)給予船方“視情檢查相應(yīng)磨損部件，設(shè)備運(yùn)行50 h 后取樣復(fù)測(cè)，密切關(guān)注裝備運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì)”的建議。但船方未按監(jiān)測(cè)指導(dǎo)意見(jiàn)開(kāi)展相關(guān)問(wèn)題的排查整改，而是選擇了直接更換滑油，導(dǎo)致其中關(guān)于銅、鋁磨損元素的信息被清零覆蓋。而2022 年3 月1 日再次取樣復(fù)測(cè)時(shí)，數(shù)值結(jié)果明顯下降，且與歷史正常數(shù)據(jù)接近，因而未再列入問(wèn)題隱患清單，也未再要求繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)。船方對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的無(wú)效處置以及后續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)的缺失，使得監(jiān)測(cè)工作沒(méi)有達(dá)成有效閉環(huán)，也就導(dǎo)致錯(cuò)失了裝備隱患早期發(fā)現(xiàn)的時(shí)機(jī)。

二是監(jiān)測(cè)診斷能力還十分有限。船方對(duì)于柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)診斷主要以設(shè)備操作人員的感官經(jīng)驗(yàn)、柴油機(jī)油水氣參數(shù)在線監(jiān)測(cè)以及第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)滑油離線監(jiān)測(cè)為主，監(jiān)測(cè)手段比較單一且都有很大的局限性。比如依靠操作人員的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等感官方面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)柴油機(jī)性能狀態(tài)進(jìn)行判斷，需要操作人員具有較高的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，主觀依賴(lài)性強(qiáng)，且拉缸事故發(fā)生到被操作人員覺(jué)察的程度時(shí)，柴油機(jī)內(nèi)部缸套和活塞等部件的摩擦已經(jīng)非常嚴(yán)重。其次關(guān)于滑油、冷卻水以及進(jìn)排氣溫度和壓力的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取方便且數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，可以作為柴油機(jī)性能監(jiān)測(cè)的參考依據(jù)，但溫度升高和壓力變化是一個(gè)受多種因素影響且相對(duì)拉缸滯后的過(guò)程，難以應(yīng)用于柴油機(jī)狀態(tài)惡化的提前預(yù)判。最后依托監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展的滑油監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但受離線監(jiān)測(cè)限制，油樣樣本數(shù)量偏少（距離上次等級(jí)修理4 000 余小時(shí)的工作時(shí)間內(nèi)僅送檢油樣9 次），難以對(duì)柴油機(jī)磨損狀態(tài)的評(píng)估閾值進(jìn)行有效界定，此外油液分析法無(wú)法定位故障源頭，難以向船方下達(dá)明確的檢修意見(jiàn)。

3 建議

拉缸故障的案例警示：柴油機(jī)作為高速運(yùn)轉(zhuǎn)且事關(guān)船舶航行安全的關(guān)鍵裝備，采取計(jì)劃維修模式難以有效應(yīng)對(duì)突發(fā)的惡性故障，安全風(fēng)險(xiǎn)大且經(jīng)濟(jì)效益低。因此必須改變傳統(tǒng)維修模式，由簡(jiǎn)單定期維修向狀態(tài)維修、主動(dòng)維修不斷改進(jìn)。結(jié)合上述分析，針對(duì)工作中存在的不足，現(xiàn)就提高柴油機(jī)維修管理能力提出以下建議。

1）維修模式要靈活。由于柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行部件眾多，各零部件的性能狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)方式、可靠度要求都不盡相同，因此管理人員應(yīng)結(jié)合柴油機(jī)工作使用特點(diǎn)，制定科學(xué)合理的維修管理方案，針對(duì)不同部件采用靈活的維修管理模式。例如液壓、電子技術(shù)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障后維修較困難，應(yīng)采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)模式；缸套、活塞、曲柄連桿等運(yùn)動(dòng)部件，事關(guān)柴油機(jī)運(yùn)行安全，應(yīng)采用預(yù)防修理和狀態(tài)修理相結(jié)合的維修模式；部分簡(jiǎn)單機(jī)械部件，可采用事后維修模式。

2） 監(jiān)測(cè)維護(hù)要主動(dòng)。通過(guò)日常主動(dòng)的監(jiān)測(cè)維護(hù)，可將裝備潛存的故障隱患扼殺在萌芽狀態(tài)，有效減少或避免裝備故障的發(fā)生。①船員主動(dòng)做好日常巡檢，利用簡(jiǎn)易便攜的儀器對(duì)柴油機(jī)性能狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常主動(dòng)上報(bào)，確診故障及時(shí)修理；②監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)主動(dòng)跟進(jìn)，定期對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行全面、細(xì)致、動(dòng)態(tài)的檢查，并將檢測(cè)結(jié)果加以分析統(tǒng)計(jì)獲得準(zhǔn)確可靠的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；③對(duì)監(jiān)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生異常的柴油機(jī)，應(yīng)主動(dòng)聯(lián)系廠家開(kāi)展深入檢測(cè)與問(wèn)題排查；④問(wèn)題排查與整改情況應(yīng)主動(dòng)反饋至監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，便于監(jiān)測(cè)單位掌握問(wèn)題處置進(jìn)度，及時(shí)做好裝備復(fù)測(cè)，確保隱患清零見(jiàn)底。

3）監(jiān)測(cè)技術(shù)要?jiǎng)?chuàng)新。先進(jìn)的狀態(tài)檢測(cè)能夠評(píng)估裝備狀態(tài)趨勢(shì)的變化，為裝備預(yù)知維修提供參考依據(jù)，完善的診斷能力能夠確定故障類(lèi)型和故障部位，為科學(xué)組織維修提供技術(shù)指導(dǎo)。對(duì)柴油機(jī)而言，想實(shí)現(xiàn)精確可靠的監(jiān)測(cè)診斷，絕非某種單一手段能夠完成，需要聯(lián)合運(yùn)用多種手段，對(duì)獲取的各類(lèi)狀態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行多源信息融合，比如機(jī)體振動(dòng)、缸套聲響、油溫、水溫、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的過(guò)程參數(shù)，以及油樣磨合物和煙色排泄物的信息等，建立信息融合的模型結(jié)構(gòu)，獲取融合信息的知識(shí)內(nèi)涵，最終實(shí)現(xiàn)基于信息融合的科學(xué)決策[2]。因此不管是具體的監(jiān)測(cè)手段還是信息處理方法都要不斷地學(xué)習(xí)創(chuàng)新應(yīng)用，才能更好地推動(dòng)柴油機(jī)走向預(yù)知性維修，提高機(jī)器全壽命的管理質(zhì)量。