船用柴油機故障診斷技術研究

中國人民武裝警察部隊海警學院 浙江寧波 315801

1 船用柴油機概述

船用柴油機是船舶的心臟,是保證船舶正常航行的動力源。船用柴油機由配氣系統、燃油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動系統、調速換向裝置和操縱系統等組成,結構復雜,零部件種類繁多,裝配關系具有一定的邏輯性,性能好壞直接影響船舶航行的經濟性和安全性。特別是從事遠洋運輸的船舶,由于工作條件特殊,海上航行時間較長,一旦船用柴油機發生故障,不能及時進行處理,就有可能引發航行事故,嚴重時會導致船舶喪失航行能力,威脅到全船人員的安全。

2 故障原因

船用柴油機在使用過程中會發生各種故障,引發故障的原因多種多樣。對故障原因進行分類,大致可以分為三類。

2.1 材料結構

船用柴油機在研發時結構設計存在缺陷,零部件選材不合理,在長時間的工作運轉中,結構出現錯位,零部件材料磨損嚴重,造成故障。例如,活塞對工作條件要求嚴格,如果活塞裙沒有制造為橢圓形或銷座附件表面沒有剜去部分金屬,那么燃燒室內銷座孔周圍金屬將受熱膨脹,在側推力和燃氣壓力的共同作用下,活塞裙部容易發生變形,導致活塞與氣缸套強烈摩擦,嚴重時會卡死在氣缸套中。

2.2 裝配工藝

船用柴油機在裝配時,各零部件的安裝間隙必須在要求范圍內,并盡量減小誤差。例如,某國產V型6缸柴油機的進氣閥間隙為0.3 mm,排氣閥間隙為0.5 mm,在調整氣閥間隙時,如果氣閥間隙過大,那么在柴油機運行過程中不僅影響燃燒效果,降低柴油機效率,而且會使柴油機燃燒環境惡化,甚至出現停機等故障。

2.3 維護管理

預防性維護保養是提高船用柴油機工作性能、延長使用壽命和降低運營成本的關鍵,無論進行何種維護,都要按照一定的操作流程,有計劃、有步驟地進行拆檢和安裝,并合理地使用工具,保持零部件表面清潔。例如,在清洗通氣管內的濾芯時,正確的操作流程是先將機體門蓋板加油管中的油芯取出,放在柴油或汽油中清洗吹凈,浸上機油后再安裝。如果工作人員不熟悉保養和檢修流程,或者違反保養規程,將油芯放在日用淡水中清洗,或最后沒有浸機油,都會影響船用柴油機的工作可靠性,最終導致船用柴油機損壞。

3 傳統故障診斷方法

船用柴油機發生故障前,通常會有一些預兆和異常表現。因此,針對船用柴油機各種壓力、溫度超過或低于正常值,船用柴油機冒黑煙,軸系出現異常振動,曲軸箱、燃燒室發出尖銳聲響等情況,如果不及時查明原因,并在第一時間排除,那么可能會引發嚴重事故。

3.1 觀察法

觀察船用柴油機的各個系統在工作過程中呈現的各種現象,根據經驗或參數表判斷柴油機是否發生故障,故障發生的原因和部位,及時排除,保證船用柴油機正常運轉,不影響船舶的航行安全。例如,在船用柴油機起動前及運行過程中,按時觀察設備是否出現漏油、漏水現象,燃油、潤滑油和冷卻水的液位是否在規定范圍內,柴油機轉速、運行壓力和燃燒室溫度是否出現大范圍波動或驟降驟增現象。如果船用柴油機冒白煙,說明有大量水分混入排煙系統中,可能是燃燒室密封不嚴,氣缸漏水導致。如果船用柴油機冒藍煙,那么可能是油環磨損失效,氣環加劇泵油,導致潤滑油進入氣缸。

3.2 聽診法

船用柴油機正常運轉時發出的聲響具有一定的規律性,通常為均勻、有節奏的排氣聲和輕微的噪聲。當船用柴油機零部件磨損嚴重,配合間隙超過安全范圍或相關零部件出現錯位時,機器設備就會發出異響。通過船用柴油機發出的異響聲可以判斷發生故障的原因和位置。也可以應用金屬棒在船用柴油機外殼部位進行敲擊,判斷氣缸內的燃燒狀況和設備的運行特征,及時采取有效措施。如果聽到氣缸外壁嚴重的撞擊聲,那么可能是活塞和氣缸套的配合間隙過大。如果排氣閥出現異常聲響,那么表明排氣閥和活塞發生了碰撞,氣閥無法正常關閉,應立即停機進行維修檢查。

3.3 嗅聞及觸摸法

機器漏油或設備部件燒焦都會發出刺鼻的味道,因此可以利用嗅聞法判斷船用柴油機是否存在故障。例如,絕緣材料受熱燃燒后會散發焦臭味,潤滑油嚴重老化后會散發酸性刺激氣味。

船用柴油機各部位的溫度直接反映工作狀態,可以通過觸摸管道和氣缸外壁判斷設備的運行溫度是否超標。例如,在起動空氣管、曲拐箱導門蓋等位置,均可以使用觸摸法,加強對船用柴油機運行狀態的檢查,以保障船用柴油機高效運行。

3.4 熱力分析法

通過對氣缸壓力示功圖、進出水口溫度、潤滑油溫度、排氣溫度等熱力學參數進行研究分析,判斷柴油機的工作狀態是否正常、穩定。在熱力分析法中,壓力示功圖是首選參數,反映了氣缸內氣體壓力隨時間的變化情況[1],可以通過直接測錄法或間接測錄法獲得。通過對示功圖進行計算分析,得到壓力升高率、指示功、壓縮壓力等,以此判斷各缸的燃燒質量和工作狀況,實現對船用柴油機的有效監測。

3.5 振動分析法

通過測量船用柴油機工作時產生的振動信號,判斷船用柴油機氣缸、活塞、主軸承及氣閥等各零部件的狀態,完成對船用柴油機的故障檢測和排查[2]。首先選擇高靈敏度傳感器和二次放大儀表完成對船用柴油機信息的全面準確采集,然后進行數據處理、信號分析,獲取直接、敏感的特征參數,最后結合柴油機制造、維修經驗和運轉狀態等對特征參數進行分析,以此診斷船用柴油機的性能,解決船用柴油機存在的故障,并預測船用柴油機的工作狀態。

3.6 瞬時轉速法

觀察瞬時轉速信號,依據設備的運行狀態,快速獲取船用柴油機的故障信息。這一方法的不足之處是雖然可以準確無誤地判斷出船用柴油機的狀態,查找出故障,但是無法準確判斷故障原因。

3.7 油液分析法

船用柴油機在運轉過程中,各個運動副不可避免地會發生磨損,個別零部件在長期運行中,產生的鐵屑和微粒還會落入潤滑油中。利用鐵譜和光譜分析法對潤滑油中的金屬含量進行測定,判斷船用柴油機零部件的磨損程度,以免影響船舶的正常航行[3]。光譜法的優點是能夠準確測量出潤滑油中的金屬含量,但對磨損的形狀和類型則難以判定。鐵譜法的優點是能夠了解金屬微粒的成分、大小和磨損類型,缺點是缺乏對有色金屬的分辨能力。可見,為更加準確地進行故障診斷,可以綜合應用光譜法和鐵譜法對船用柴油機進行檢測。

4 故障處理

4.1 排煙氣溫過高

如果船用柴油機在運行時出現排煙氣溫過高的情況,那么需要判斷是單個氣缸排煙氣溫過高還是所有氣缸均出現這種現象。如果全部氣缸都存在排煙氣溫過高的情況,那么大概率是透平前格柵和透平葉輪臟污,導致無法正常進氣,或者鍋爐結垢嚴重,發生堵塞,排氣受阻。如果是單個氣缸出現排煙氣溫過高,那么可能是氣缸排氣裝置出現破損,活塞密封失效,或氣口堵塞等[4]。可以通過拆檢清潔零部件,或定期對鍋爐進行除垢,及時更換氣封等零部件,保證設備正常運行。

4.2 柴油機拉缸

船用柴油機在運行時振動突然加劇,出現“噠噠”的異常聲響,轉速下降,功率減小,冷卻水溫度及潤滑油溫度顯著升高,曲軸箱通氣口等處開始冒煙,并產生油焦味等,基本可以判斷船用柴油機出現了拉缸故障[5]。拉缸的本質是氣缸表面黏著磨料或活塞、活塞環、氣缸壁之間沒有形成潤滑油膜,在工作表面上產生平行于氣缸軸線的拉痕和黏著磨損。造成拉缸的原因十分復雜,可以通過以下方法予以解決:① 補充高質量的氣缸潤滑油;② 對潤滑油系統進行清理,減少雜質;③ 增大冷卻水泵排出壓力,清除冷卻水腔內的銹蝕或臟污;④ 更換活塞和氣缸套后,在加大負荷運行前要保證充分磨合;⑤ 按時清除活塞環積碳,及時更換活塞環。

4.3 冷卻系統故障

冷卻水溫度是影響船用柴油機工作的重要熱工參數,冷卻系統能夠控制冷卻水溫度在合理的范圍內,以免影響柴油機正常工作。水溫過低,會使柴油機過多散發熱量,導致空氣和燃油的混合效果不佳,燃燒質量不高,降低熱效率。水溫過高,會導致燃燒室溫度升高,活塞環過度膨脹,加劇與缸套之間的磨損,還會加快潤滑油的老化。因此,當冷卻系統水量不足時,應及時進行補充,并加強對水泵和散熱器等關鍵設備的檢修。另一方面,定期安排工作人員對冷卻系統管道進行除垢,以免發生堵塞,影響冷卻系統的正常循環。

4.4 氣缸套穴蝕

船舶正常航行時,活塞在氣缸內做周期性往復運動,不可避免地會對氣缸施加側推力,致使氣缸套產生振動,與氣缸套直接接觸的冷卻水在氣缸套的帶動下會產生大量氣泡或空泡[6]。當這些氣泡或空泡炸裂時,會對氣缸套產生沖擊,導致氣缸套表面剝落,形成蜂窩狀小孔。穴蝕是濕式氣缸套常見的一種失效形式,也是船用柴油機使用過程中存在的較為普遍和突出的問題,嚴重影響柴油機的性能和使用壽命。針對氣缸套穴蝕問題,可以通過四種方法進行解決:① 加注冷卻水時,盡量選用干凈、無污染的水源;② 采用閉式冷卻方法,保持冷卻水溫度恒定;③ 在冷卻水流入冷卻腔之前,對冷卻水進行軟化,或在缸體外層通過鍍鉻、滲透等方法做好防護;④ 按時對燃燒室的積炭進行清理,防止柴油機工況惡化,避免氣缸套振動加劇。

4.5 滑動軸承故障

滑動軸承承擔較大的力,船舶在機動航行過程中,柴油機需要頻繁加減速,導致無法建立均勻的潤滑油膜,使滑動軸承產生磨損、膠合、腐蝕、裂紋、疲勞剝落及軸瓦燒熔等故障[7]。在裝配滑動軸承時,必須按照正確的操作流程進行,并符合相關標準要求[8]。需要選用質量好、規格高的潤滑油,并定期進行檢查和更換,防止潤滑油老化,確保軸承表面形成良好的潤滑。另外,盡量降低柴油機頻繁起運率,避免超負荷運轉,并不定時對滑動軸承間隙進行檢查,及時調整至要求范圍內[9]。

5 故障診斷技術發展趨勢

目前,船用柴油機故障診斷技術正處于高速發展期,隨著自動化技術、信息技術在柴油機領域的不斷應用,船用柴油機故障診斷技術呈現出三大發展趨勢。

5.1 專家系統與人工神經網絡結合

專家系統是一種智能化數據決策系統[10],在長期大量船用柴油機故障診斷經驗的基礎上,模擬專家思維對船用柴油機進行故障診斷分析。專家系統雖然具有較高的診斷效率和診斷水平,但是也存在一些弊端,如很難對非線性問題和多要素故障做出有效判斷[11]。因此,專家系統與人工神經網絡相結合成為了船用柴油機故障診斷技術的發展趨勢。人工神經網絡所具備的非線性映射能力可以很好地應對船用柴油機復雜的結構和系統,彌補專家系統的缺陷,實現兩者的優勢互補[12]。

5.2 一體化

隨著計算機技術和通信技術的迅猛發展與日漸完善,船用柴油機故障診斷系統可以通過網絡與航運公司辦公系統相連,航運公司相關負責人可以隨時查看船用柴油機的運行狀態,將暫時無法解決的故障直接傳輸至船用柴油機故障診斷專家,得到解決方案后,再反饋至在正在海上航行的工作人員。也可以通過視頻進行遠程指導,及時清除故障,解決問題[13]。另外,通過研發專用程序,將故障診斷系統裝入輪機人員的移動電話中,突破場所和距離的限制,使輪機人員可以隨時隨地了解船用柴油機的運轉特性,接收到船用柴油機故障預警時,可以在第一時間進行處理。

5.3 智能化

專家系統、人工神經網絡及模糊診斷等故障診斷技術雖然可以很好地完成對船用柴油機的狀態監測和故障診斷,但是與智能化還有一定的距離,還達不到智能化診斷的要求[14]。隨著船舶工業的迅速發展,船用柴油機智能化故障診斷必然會成為新的發展方向,不僅可以應對船用柴油機復雜的工作環境和各種惡劣海況,而且可以預測故障隱患,及早發現故障,從根源上杜絕故障的發生[15]。同時,對于已經發生的故障,可以提供智能化維修方案,縮短維修時間,提高維修質量,有力保障船舶安全與高效營運。

6 結束語

船舶是海上運輸的重要交通工具,在世界貿易往來中發揮著不可替代的作用。船用柴油機作為船舶的動力來源,一旦發生故障,將嚴重影響船舶的正常航行。因此,必須不斷加大創新研發力度,積極探索和發展船用柴油機故障診斷技術,做好船用柴油機的故障診斷工作,為發展海洋經濟做出貢獻。