“MSCBelem”輪副機超速故障分析與處理

時間：2024-08-15 19:33:38 機電畢業論文我要投稿

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　　摘要：本文從DAIHATSU 6DK-20型船舶發電柴油機飛車故障案例出發，對柴油機調速工作原理和燃油系統各部件組成、結構和工作原理，燃燒室的結構對燃燒的影響等方面進行分析，總結了柴油發電機超速的原因，提出故障處理以及平時應做的預防措施。

　　關鍵詞：：超速故障噴油裝置燃燒室船舶調速器

　　現代船舶用發電柴油機，大都是中速四沖程柴油機，作為船舶發電機的原動機，要求能在外界負荷變化時保持恒定轉速，以保證發電機的電壓與頻率恒定。但發電柴油機本身沒有調速能力，所以必須設調速器，通過調速器來調整噴油泵的供油量，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速穩定運轉。

　　一、發電柴油機超速故障現象

　　“MSC Belem”輪柴油發電機為四沖程中速柴油機，其型號為DAIHATSU 6DK-20，使用的是PGA液壓調速器，且燃燒室為預燃室式。正常工作時，柴油機聲音平穩無雜音，轉速維持在720 r/min，各缸的排溫也都維持在320℃左右(350KW負荷時)。事故發生在當班輪機員停掉GS泵后，發現電網頻率升高，立即去機旁檢查，柴油機有點抖動，透平發出沉重轟鳴聲，各缸排溫持續升高，當班輪機員立即啟動備用發電機合閘并網供電，此時，3號發電機轉速繼續升高，超速警報觸發，但是柴油機仍然沒有停車，輪機員現場發現油門桿卡死，停油氣缸也不能將油門桿推至零位，此時當班輪機員果斷將該柴油機進油閥關閉，實現停油停車的目的。超速保護本應在柴油機轉速達到115-120%額定轉速時，柴油機油門桿拉至零位，自動停車，同時超速保護警報觸發。

　　二、引起超速相關裝置的結構及工作原理

　　1、調速器

　　1.1調速器的結構特點

　　船舶調速器分為機械調速器和液壓調速器。對于機械式調速器，它主要由飛重、滑動套筒及調速彈簧組成，通過飛重轉動形成的離心力與彈簧的作用力相互作用，達到相對平衡，從而調節噴油量。而機械式調速器不能保持柴油機調速前后的轉速不變，負荷改變時柴油機不能恢復到原來的轉速。產生這種轉速差的根本原因是因為感應元件與油量調節機構之間采用的是剛性連接。所以機械式調速器只適用于中小功率的柴油機，具有靈敏度和精度差，結構簡單，維修方便的特點�，F代的船舶發電柴油機大都是大功率柴油機，所以機械式調速器不能夠滿足現代船舶航行要求，這里就需要液壓調速器來幫忙。該輪發電柴油機功率大，調速器拉動油量調節機構所需力矩較大，故增加了一個放大伺服機構在感應機構和油量調節機構之間，使調速器靈敏度和工作能力大大提高。且本輪發電機采用一種雙反饋、氣動速度設定的全制式液壓調速器，所以這里主要分析的是液壓調速器，其結構如下圖所示。

　　1.2 調速器的工作原理

　　如上圖所示，PGA液壓調速器基本由三大部分組成，每個部分都有不同的作用。當柴油機負荷減小時，轉速升高，飛重離心力大于調速彈簧的彈力，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右側并推動它向左移動，并將左側的油壓入伺服油缸17內動力活塞的上部，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，轉速下降。這時阻尼活塞12左右兩側的油壓同時作用在位于滑閥上部的補償環帶7的兩側，且作用在上側的油壓大于下側油壓，產生向下的推力(稱為補償力)，使滑閥8下移而超前復位，即由補償力產生的負反饋作用。所以柴油機減速過程中，由油壓差所產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節，使油壓差逐漸減小。一般情況下調節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，從而使得當轉速恢復至原設定轉速穩定運轉時，補償力消失，飛重恢復至垂直位置，滑閥與阻尼活塞均恢復到原中央位置，而動力活塞穩定在新的位置上。這樣便保證了柴油機負荷減少時，供油量降低的情況下穩定在額定轉速。負荷增加則與上述過程相反。

　　2、噴油設備

　　2.1 噴油泵

　　結構特點。噴油泵是噴射系統中核心組成部件之一。主要產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。噴油泵分兩種結構：單體泵和合成泵，主要由一個柱塞和套筒構成，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。一般小功率柴油發電機都是用合成泵，為回油孔調節式合成泵，在同一泵體內安裝與柴油機汽缸數相同的柱塞套筒偶見，每缸一組噴油元件，由泵體內凸輪軸上的對應該缸的凸輪驅動。

　　工作原理。柱塞與套筒是一對精密偶件。柱塞在套筒內由凸輪頂動上下往復運動。當柱塞由凸輪頂動上行，在柱塞上部端面剛好關閉回油孔時，泵腔內燃油開始受壓，是為幾何供油始點。柱塞繼續上行，當柱塞斜槽打開回油孔時，柱塞上方的高壓燃油經直槽和環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;當調速器輸出的油量調節信號經油門桿拉動齒圈和柱塞轉動時，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，發電機發出功率減低;噴油定時的調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。本輪事故即為發電機負荷降低時，第1、5兩缸油齒、柱塞和套筒卡在較大供油量位置，發電機轉速不斷增大導致超速。

　　易發生的故障。首先是柱塞與套筒偶件。柱塞在套筒中高速往復運動，僅通過微量的燃油漏泄潤滑其配合表面，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境中易受到燃油的腐蝕和雜質的擦傷，故柱塞偶件采用高硬度、耐磨、耐腐蝕的材料經精密加工而成。

　　2.2噴油器

　　噴油器的結構和工作原理：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腔始終與燃燒室相通。由于它沒有關閉噴孔的針閥，所以結構簡單，但容易產生滴油，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生滴油，所以現在的船用發電柴油機大部分用的是閉式噴油器。該輪發電機用的是閉式噴油器，噴孔數目6個，根據說明書每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緊在閥座上，當噴油器針閥下端錐面上的油壓超過彈簧預緊力時，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。當作用在噴油器針閥承壓錐面上的油壓低于彈簧預緊力時，針閥關閉。

　　易發生的故障。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。應當注意的是針閥和針閥座密封錐面上的密封環帶(通常我們叫閥線)連續不間斷、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。當活塞運動到上止點時，氣缸蓋底面、氣缸套內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，直噴式燃燒室根據燃油噴入方式和燃燒室形狀分為統一式、半分開式、球形油膜式和復合式燃燒室，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，兩者以一條或數條通道相聯接，所以分開式燃燒室分為渦流室式和預燃室式，見圖3。

　　三、故障原因及排除方法

　　1、故障原因

　　通過對引起超速相關裝置的結構及工作原理的分析，對于發電柴油機超速故障，可總結為兩方面原因：

　　原因一、燃油供應過量引起柴油機超速飛車：① 油門齒桿從調速桿叉槽內滑出，或裝配高壓油泵時時沒有將油量調節臂裝入槽內，導致油泵油門齒條處于最大供油位置，柴油發電機一啟動就會發生超速保護停車故障。 ②油門桿卡死或柱塞齒圈轉動不靈。油門桿、齒圈卡死造成超速的現象比較常見，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，導致轉速升高，調速功能喪失。而引起柱塞轉動不靈的原因有：裝配時柱塞被碰傷;油泵內有臟物，使雜質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);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拉桿與調速器活動部位卡滯。 ⑤調速器調試不當�？赡艿脑蛴校翰裼蜋C調速彈簧的預緊力過大;調速器內潤滑油多或粘度大;調速器的作用點過高，致使停油轉速高或不能停油。

　　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電柴油機上發生的可能性較小)：①第四道刮油環裝反或活塞上的回油孔堵塞，使機油竄入燃燒室。 ②活塞環嚴重磨損，缸套間隙過大，或活塞環開口對齊時，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;機油質量不符合要求。

　　2、船舶發電柴油機飛車故障時，超速保護停車不靈時應采取的緊急措施

　　當船舶柴油發電機出現飛車時，如果超速保護裝置沒有觸發停車或者停車保護觸發但未停止供油，輪機員應沉著冷靜，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，以防止轉速繼續升高。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，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，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動機轉速降低，然后再想辦法停車后調查原因。

　　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防措施

　　為防止船舶發電柴油機發生飛車事故，應做好如下幾方面工作：①不要隨意調整和拆卸調速器，如需調整，應在嚴格按說明書的要求進行;②定期更換調速器的機油，保持油質清潔和油位適中;③定期檢查油量調節機構，確保聯接無松動、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，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，手動檢查調速器、油量調節機構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、過濾以確保燃油質量，并適當加熱保持最佳燃油噴射粘度。

　　四、總結

　　經過以上分析，我們得出結論：引起柴油發動機超速的根本原因是柴油機不能隨負荷變化及時調整供油量、保持穩定轉速，從而喪失了調速特性。噴油泵和調速器的相關部件卡滯或松脫、設定不當，會使其供油量不能及時調整而喪失正常的調速特性。

　　本輪柴油發電機超速故障，從后來的事故調查，發現是柱塞轉動不靈，柱塞處于最大供油位置，調速器拉不動油泵油門齒條，導致船舶電網負荷降低時轉速持續升高，調速器就失去了控制油量的作用。出現這種情況，主要是由于船舶長期使用低質燃油，噴油泵缺乏定期保養、油門桿卡死、柱塞不能轉動引起。所以出現柴油機超速這類突發事件時，一方面考驗輪機員的應急處理能力，另一方面反映二管輪平時對發電機高壓油泵缺乏保養。發電機高壓油泵應依據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，保持發電柴油機良好的運行工況，以避免類似發電柴油機超速事故出現。

　　作為一名合格的輪機員，平時應定期檢查船上各種機器設備的運行狀態和工作性能，從細微處發現問題，不能忽視一個小小的參數異常，避免人為保養工作不到位引起機器設備損壞和這類突發事故在船發生。

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