一例船舶主機啟動故障分析處置

曹新玉+江峰+宋強

摘 要：大型船舶主機啟動控制系統原理復雜，主機啟動牽扯的因素多，對故障快速排查定位難，能否有效地解決故障對船舶機動至關重要。該文針對某輪發生的一例主機啟動故障，對故障原因進行了深入分析，對排查方法措施進行了介紹，剖析了故障機理，查找了故障產生的根源，尤其對高壓油泵結構原理、彈簧卡滯的機理進行了深入分析，該文對類似故障處置有一定借鑒意義。

關鍵詞：柴油機 啟動故障 高壓油泵 彈簧斷裂

中圖分類號：TK42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（c）-0063-03

柴油機作為船舶主機的一種常見機型，柴油機不能正常啟動是一個綜合性的易發故障，掌握柴油機無法啟動的原因與解決措施，對于輪機管理人員來講十分必要。在尋找原因與解決辦法時，既要從柴油機供油系統、進氣系統、操縱機構、操作與環境、啟動控制系統等多方面因素進行考慮，同時還要具體問題具體分析，根據具體故障現象，查找故障根源，采取有效措施排除故障，同時應加強主機預防性維修工作，減少柴油機不能啟動故障概率，提高船舶主機可靠性。

1 故障現象

某輪共2臺主機，型號為瓦錫蘭8L46C柴油機，四沖程中冷增壓，額定轉速500 rpm，主機啟動轉速超過120 rpm發火。2015年12月14日，備航在對右主機啟動時，連續啟動多次，主機均未能正常啟動。具體現象為：主機啟動后，在啟動空氣的作用下轉速達到120 rpm，但主機不發火，啟動失敗。

2 故障初步分析

主機曲軸旋轉，但不發火的原因主要有以下3個方面：一是主機啟動空氣系統故障；二是燃油供油系統故障；三是進氣系統故障。具體常見原因如下。

（1）啟動空氣故障，導致發動機轉速過低。啟動空氣壓力過低，系統未正常接通，閥件未開到位，空氣濾芯臟堵，主起動閥、慢轉閥、起動電磁閥故障等。

（2）停車裝置未復位。主機淡水溫度高、曲軸箱油霧濃度高、滑油低壓等安保停車未復位，超速保護裝置故障等。

（3）控制系統設置不正確。供油控制軸或調速器的負荷限制設定過低，起動燃油限位裝置設定點不正確。

（4）燃油系統故障，柴油機供油不足。燃油壓力不足，燃油泄漏，燃油濾器堵塞，燃油泵故障，燃油中含有水分雜質等。

（5）氣缸壓縮壓力過低，進氣閥或排氣閥在開啟位置卡住，處于“負氣閥間隙”。進氣系統不暢堵塞。

（6）調速器故障。調速器助力油缸不動作，調速器滑油污染，內部機構損壞。

（7）供油控制操縱機構故障。操縱機構不靈活，主機高壓油泵卡滯，高壓油管泄漏量大，噴油器霧化效果差。

3 故障排查與解決

多次啟動主機無法發火，崗位人員迅速對故障展開排查。

（1）啟動空氣系統正常，啟動壓力在正常范圍，檢查測試電磁閥正常。

（2）主機安保停車各環節要素正常，未出現報警故障。

（3）控制系統設置均為出廠設置，未進行過修改，設定值復查正確。

（4）燃油系統全面檢查，系統供油正常。

（5）通過盤車、沖車，氣缸活塞壓縮正常。

（6）調速器檢查，未發現明顯問題。

（7）供油機構外觀檢查正常。圖1為供油機構示意圖，拆除調速器彈簧連接桿（16）與供油機構連接螺釘（20），手動活絡供油機構，發現供油操縱機構卡滯，需要用很大力氣才能使機構運動。比對總桿供油量刻線與各高壓油泵齒條刻線，發現右主機3#、4#、6#、7#缸供油量明顯偏小，幾乎接近于零。拆除3#、4#、6#、7#高壓油泵齒條與總桿供油機構連接件（2），手動拉動齒條（1）不動作。關閉高壓油泵停車活塞缸氣路，齒條仍然卡滯不動。初步判斷為高壓油泵齒條機構卡滯故障。

為進一步確定故障部位，崗位人員按照工藝要求，依次對4臺故障高壓油泵拆檢、解體檢查，發現6號、7號缸高壓油泵柱塞底部內彈簧以及3號、4號高壓油泵內外彈簧均斷裂，7號缸高壓油泵上彈簧盤和齒圈損壞。對其余部件清洗檢查，未見異常。由于船上無彈簧備件，更換了4臺備用高壓油泵，并對操縱機構軸承點加注潤滑脂，靈活性檢查正常，總桿供油齒條刻線與各缸高壓油泵齒條刻線一致。裝復完成后，啟動主機發火正常。后停靠江陰母港聯系設備廠家，按照預防性維修理念，對2臺主機其余高壓油泵解體檢查，發現右主機5號、8號高壓油泵柱塞底部內外彈簧也均已斷裂，左主機彈簧與右機類似，存在不同程度磨損。對彈簧予以全部更換，至此故障隱患得以解決。

4 故障機理分析

主機高壓油泵是主機噴射系統的核心部件，其主要作用定時定量控制產生高壓燃油進入噴油器噴射。高壓油泵的主要零件是由柱塞和套筒所構成的偶件。柱塞上設有直槽、斜槽和環槽，套筒上開有2個圓孔。柱塞中部與調節齒圈用鍵連接，齒圈與齒條嚙合，拉動齒條可轉動柱塞以調整柴油機的循環供油量。柱塞下端接上下彈簧盤及柱塞彈簧。高壓油泵供油通過凸輪頂頭頂動柱塞上行完成，而柱塞的吸油動作則靠彈簧使柱塞下行來完成。調節齒條上有刻線，指示高壓油泵供油量。各缸高壓油泵齒條通過連接螺釘與油門操縱機構總桿相連，通過調速器拉動操縱總桿實現供油量的總調。各缸高壓油泵調節齒條對面裝有停車活塞缸，當電控超速保護系統給出指令，或自動停車系統動作時，30 bar的控制空氣作用在停車活塞缸上，將高壓油泵的油門齒條推向零供油位置。

對拆下來的彈簧檢查，發現彈簧上下三圈平面磨損嚴重，斷裂處也多發生在此位置（如圖2、3所示）。同時發現高壓油泵內部件浮銹油泥較多，內外彈簧表面鍍層均有不同程度的剝落斑點，彈簧韌勁有所下降。高壓油泵柱塞底部彈簧主要起到緩沖恢復柱塞行程的作用，彈簧在工作中不僅受壓應力、拉應力及沖擊應力，還承受扭轉應力，在彈簧的內表面，剪切應力值最大，其應力集中的敏感性十分重要，一旦材料表面有微小的缺陷或裂紋存在，應力馬上會集中在缺陷的周圍，導致材料的晶格產生扭曲破壞，隨著應力的不斷循環，缺陷形成疲勞核心，并不斷擴展，與此同時，集中的應力也逐漸增大。一旦集中的應力大于材料的極限應力，就會造成彈簧早期的疲勞斷裂。

彈簧斷裂后，由于彈簧上下部沒有足夠的徑向約束體，斷裂的兩段彈簧在承受壓縮時會發生歪斜，不再與柱塞中心線保持一致，同時彈簧的彈力也會下降很多（如圖4所示）。當柱塞受凸輪頂桿的推擠向上運動時，柱塞通過下部彈簧座同時擠壓彈簧，兩截彈簧受力都不是上下垂直方向，將對柱塞、齒圈產生橫向推力。當柱塞受到橫向推力并試圖在套筒中往復運動或轉動時，會與套筒產生較大的附加側向摩擦推力。當齒條試圖拉動齒圈，并帶動柱塞轉動時，由于柱塞、齒圈同時受阻，造成操縱機構卡滯供油不暢。斷裂彈簧在凸輪頂桿的來回推擠向，當彈簧卡滯在齒圈下端時，將會造成齒條固定在一個位置無法轉動，該文有主機4個缸齒圈均卡滯在零位，造成主機供油操縱機構卡滯，在啟動空氣作用下主機曲軸轉動，但未供油，主機無法發火啟動失敗。

某輪2臺主機運行均已接近20 000 h，彈簧上下三圈平面磨損嚴重，部分鍍層脫落受到腐蝕破壞，成為應力集中區，所以，此次故障定位為高壓油泵柱塞彈簧磨損韌性下降疲勞損壞。

5 結語

通過此次故障排查分析，給崗位人員積累了寶貴經驗，為避免類似故障發生，今后在對主機管理中，應對高壓油泵予以更加關注，做好以下幾點。

（1）密切關注主機排溫、高壓油泵供油情況，定期對主機齒條操縱機構靈活性檢查，比對供油總桿刻線與各缸高壓油泵齒條刻線是否一致。

（2）開啟燃油分油機凈化主機燃油，加強主機燃油日用柜放殘，防止水分雜質進入高壓油泵。

（3）大修時，對高壓油泵彈簧磨損及韌性進行檢查，視情更換。

參考文獻

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