船用自动反冲洗滤器工作原理与故障分析

吴珊

摘 要：文章以德国BOLL- RUECKSPUELFILTER TYPE 6.61 GR.10+15型船用压缩空气自动反冲洗滤器为例，对船用压缩空气自动反冲洗滤器的布置、类型与作用、典型结构、基本工作原理、故障分析与处理等进行介绍和分析，以此试图为广大船舶轮机管理人员提供思考和借鉴，并希望有助于他们提高轮机设备技术管理水平，保证船舶及设备安全运行。

关键词：船用自动反冲洗滤器；工作原理；自动控制原理；故障分析与处理

现代柴油主机商船为了降低营运成本，要求船舶柴油主机使用的燃油品质越来越差，这种情况势必使船舶柴油主机燃油和润滑油系统中的杂质增加，造成柴油主机发生事故概率增大，同时也大大增加了轮机管理人员对柴油主机燃油和润滑油系统的净化维护工作量。因此，为了防止柴油主机发生事故，减少轮机管理人员日常维护工作量，目前在船舶柴油主机燃油和润滑油系统中广泛应用自动反冲洗滤器作为细滤器，以滤除系统中的细微杂质。

本文以应用于德国MAK-8M453C型柴油主机润滑油系统的德国BOLL- RUECKSPUELFILTER TYPE 6.61 GR.10+15型压缩空气自动反冲洗滤器为例，对其相关知识进行介绍和分析，旨在帮助船舶轮机管理人员了解其布置、类型与作用、典型结构，理解其基本工作原理和自动控制原理，掌握其故障分析及处理方法，使船舶轮机管理人员能够“管、用、养、护”好船用自动反冲洗滤器，达到保证船舶柴油主机和船舶安全运行的目的。

一、船用自动反冲洗滤器概述

（一）船用自动反冲洗滤器的布置

图1是某船德国MAK-8M453C型柴油主机润滑油系统布置图。图中，主机曲柄箱润滑油系统正常运行时其润滑油的循环运行路径为：润滑油循环柜（01）→润滑油循环泵进口滤器（02）→润滑油循环泵（03）→润滑油自动反冲洗滤器（06）→润滑油冷却器（10）→进机滤器（12）→曲柄箱内各润滑点（13）→润滑油循环柜（01）。可见，主机润滑油系统自动反冲洗滤器（06）布置在其润滑油循环泵的出口端管路上，作为系统的洗滤器。在自动反冲洗滤器（06）的进出口之间装有压差继电器（08），用于检测其进出口润滑油压力差值，控制其反冲洗过程。此外，在其两端还并联布置一组备用纸质滤筒，用于在自动反冲洗滤器发生故障检修期间临时转换投入使用。

（二）船用自动反冲洗滤器的类型与作用

1.船用自动反冲洗滤器的类型

船用自动反冲洗滤器按其利用的冲洗介质不同有压缩空气反冲洗和油反冲洗两种类型，其中压缩空气自动反冲洗滤器是依靠反向引入压缩空气（即在冲洗滤筒中的管状滤芯时压缩空气的流动方向与该滤筒正常滤油时润滑油的流动方向相反）实现冲洗过程，而油自动反冲洗滤器是依靠反向引入系统油实现冲洗过程。

2.船用自动反冲洗滤器的作用

现代船舶柴油主机使用的燃油（特别是劣质燃料油）和润滑油，主要来自石油，属于石油产品，其组成的基本元素是碳和氢，此外，还含有少量的氧、硫、氮元素和微量的氯、碘、磷、钾、钠、镁、钙、铜、铁、镍、砷、铅、钒等元素，它们一般以化合物的形态存在于石油中，其成分因产地和提炼加工方法而异。可见，柴油主机燃油和润滑油中会存在油品本身含有的机械杂质、沥青分（胶状杂质），燃油燃烧后产生的碳化物、硫化物、氧化物等杂质，主机运动零部件摩擦产生的金属屑，以及从外界进入的尘土等固体颗粒（尺寸大小不同），并且它们会随同主机燃油和润滑油进入其管道，造成机器零部件磨损加快、腐蚀严重，重则出现咬死以及系统油路堵塞等危害，使主机发生事故概率增大。因此，在船舶柴油主机燃油和润滑油系统中一般布置粗、细两种过滤器，分别用来滤除上述不同尺寸大小的有害固体颗粒杂质。然而，由于主机燃油和润滑油洗滤器在工作中容易脏堵引起系统油路中断和主机发生事故，必须频繁清洗才能保证主机燃油、润滑油系统和主机正常运行。因此，为了防止柴油主机发生事故，同时避免采用人工方法频繁清洗滤，减少轮机管理人员日常维护工作量和润滑油的消耗，目前在船舶柴油主机燃油和润滑油系统中广泛应用自动反冲洗滤器作为洗滤器，用于滤除系统中的细微杂质。

（三）船用压缩空气自动反冲洗滤器的工作原理

1.船用压缩空气自动反冲洗滤器的典型结构

图2、图3为TYPE 6.61 GR.10+15型船用自动反冲洗润滑油滤器主要结构原理图。由图可见，该滤器主要由伺服电机（01）、减速器（02）、浮子式放气阀（03）、滤筒（04）（共有四只沿圆周方向分布的滤筒，每只滤筒内装有多支管状滤芯（12））、转轴阀（05，旋转本体）、排污阀（06）、储气瓶（07，由气源通过减压阀供气、保持0.4～1.0MPa气压）、压差继电器（08，△P1、△P2）、储气瓶出口阀（09）、控制气源（10）、滤器壳体（11）、纸质排污滤筒（与排污阀出口连接，图中未标明）、排污/反冲洗控制电磁阀（S1）、备用滤筒注油孔（K）以及相关控制电线路、压缩空气管路、仪表等组成。

图2所示为该自动反冲洗滤器中相邻的三只滤筒（例如No.2、No.3、No.4滤筒）之一（例如No.2滤筒）处于正常滤油工作状态位置（滤油工作），而图3所示为某只滤筒（例如No.2滤筒）处于排污/反冲洗状态。从结构上讲，这种滤器的转轴阀（05）处于任一规定位置时，都与相邻的三只滤筒、壳体、润滑油进出管口等构成一个滤油工作腔室（见图2、图4），同时也与其余一只滤筒（备用滤筒）、壳体、反冲洗压缩空气管口、排污阀管口等构成一个排污/反冲洗腔室（见图3、图4）。伺服电机（01）按照压差继电器△P1发出的“清洗”指令带动转轴阀（05）作间断性的转动。转轴阀（05）的作用是根据其位置来确定当时滤器的四只滤筒中哪三只滤筒处于滤油状态位置，哪一只滤筒处于排污/反冲洗或备用状态位置。压差继电器（08，△P1、△P2）分别由滤器进出口润滑油压力差、反冲洗空气壓力控制。

2.船用压缩空气自动反冲洗滤器的基本工作原理

图4、图5为TYPE 6.61 GR.10+15型船用自动反冲洗润滑油滤器进口处水平截面图，关于该型自动反冲洗滤器的基本工作原理，可以从其四只滤筒之中的某一只滤筒（例如No.2滤筒，因每只滤筒工作情况均同）的工作状态变化过程：“排污/反冲洗（含开机一次）→备用→滤油→再排污/反冲洗”的循环过程进行分析和说明。

（1）排污/反冲洗过程。一般情况下，船舶柴油主机润滑油系统一开始运行的同时就合上自动反冲洗滤器控制箱电源开关使其投入工作，开机（开始投入工作）时要求先原地对处于排污/反冲洗或备用状态位置的备用滤筒（上次清洗的No.2滤筒）进行反冲洗一次（约持续1分钟，见图3、图4），以确保No.2滤筒保持洁净并注满洁净润滑油后进入其备用过程；而与此同时，其余处于滤油状态位置相邻的三只滤筒（No.3、No.4和No.1滤筒组合）同时对主机润滑油系统进行正常滤油工作（见图2、图4）。No.2滤筒经开机排污/反冲洗一次后的每次再排污/反冲洗过程，在后文中详述。

（2）备用过程No.2滤筒经开机一次或再次排污/反冲洗并注满洁净（滤后）润滑油后随即进入备用状态，成为备用滤筒（见图3、图4，但此时图3中的排污阀已关闭）。其备用过程就是它开始进入备用状态至No.3、No.4、No.1三只滤筒组合滤油过程中滤器进出口润滑油压力差△P1值达到设定允许值（0.09MPa）发出“清洗”指令，使压差继电器（08）动作并控制伺服电机（01）开始带动转轴阀（05）按规定方向（设顺时针）转动的等待过程。

（3）滤油过程。转轴阀（05）转动后，备用滤筒（No.2滤筒）即开始滤油，而“下一只待清洗滤筒”（依序为No.3滤筒）即开始退出滤油。当转轴阀（05）转动并停止在其排污口（腔）、反冲洗压缩空气口（腔）分别完全对准No.3滤筒的润滑油进、出口位置时，No.3滤筒的润滑油进口通过转轴阀排污口（腔）与排污阀（06）相通，其润滑油出口通过转轴阀的压缩空气口（腔）与储气瓶出口阀（09）相通，即，此时No.3滤筒完全退出滤油工作状态位置。与此同时，No.2滤筒的润滑油进、出口也分别通过转轴阀的润滑油进、出口（腔）与滤器的润滑油进、出口完全对准相通，No.2滤筒就完全进入滤油工作状态位置，完全换下No.3滤筒投入滤油工作（见图2、图4、图5）。

No.2滤筒完全投入，No.3滤筒完全退出滤油工作后（见图5），使主机润滑油系统仍然继续保持有相邻的三只滤筒（No.4、No.1和No.2滤筒组合）同时处于滤油状态，而其余一只滤筒（No.3滤筒）处于排污/反冲洗或备用状态。在此过程中，系统待滤润滑油继续保持连续送入滤器进口（见图2上部进口箭头），通过转轴阀（05）同时进入No.4、No.1和No.2三只滤筒（见图5），并从其内部多支管状滤芯元件滤网的外部进入滤芯元件内部得到过滤后往下流经滤器出口（见图2下部出口箭头）流回系统，保持连续循环过滤状态，而润滑油中的细微杂质不断地被滤除在管状滤芯滤网外表面及其外部腔室，并等待在下次排污/反冲洗过程中从排污口排出。

（4）再排污/反冲洗过程。No.2滤筒的再排污/反冲洗过程（对所有滤筒都相同）可以分为以下三个阶段进行具体分析和说明。

第一阶段：转轴阀（05）转动阶段。在上述No.2滤筒参与组合滤油期间，依序经过“No.4、No.1、No.2三只滤筒组合（No.3滤筒备用）→No.1、No.2、No.3三只滤筒组合（No.4滤筒备用）→No.2、No.3、No.4三只滤筒组合（No.1滤筒备用）”三轮滤油工作。在其第三轮的组合滤油工作中，当滤器进出口润滑油压力差△P1值再次达到允许值又发出“清洗”指令，使压差继电器（08）动作并控制伺服电机（01）帶动转轴阀（05）按规定方向（设顺时针）转动并停止在使“下一只待清洗滤筒”（依序为No.2滤筒）再次处于完全退出滤油状态位置（同时No.1备用滤筒处于完全进入滤油工作状态位置）时，No.2滤筒即进入再次排污/反冲洗过程（被No.1滤筒换下）（见图4）。

第二阶段：反冲洗阶段。上述转轴阀（05）转动到位停止（由凸轮开关限位）后，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）通电动作换位（见图3），接通排污阀（06）控制气路（开启控制气路通气，关闭控制气路放气）使排污阀（06）开启，为排污做好准备。同时，控制空气经排污阀（06）的开启控制气路进入储气瓶出口阀（09）的控制机构后克服弹簧力开启储气瓶出口阀（09），使储气瓶（07）向滤器提供反冲洗压缩空气对No.2滤筒中的管状滤芯进行反冲洗。反冲洗时压缩空气的路径为：储气瓶（07）→储气瓶出口阀（09）→滤器压缩空气进口→转轴阀（05）的空气腔→“下一只待清洗滤筒”（No.2滤筒）出油口→管状滤芯的内部→管状滤芯的外部→No.2滤筒进油口→转轴阀（05）空心部分空间的排污腔→排污阀（06）→排污纸质滤筒（图中未标出）→主机润滑油循环柜/油渣柜。可见，在No.2滤筒反冲洗阶段压缩空气在其中的流向与其在滤油时润滑油在其中的流向相反，故称为反冲洗。一般反冲洗持续时间设定为约1分钟，之后，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）断电自动复位（见图2），切断排污阀（06）和储气瓶出口阀（09）的开启控制气路，接通排污阀（06）的关闭控制空气气路并使其关闭，排污阀（06）关闭后使储气瓶出口阀（09）的开启控制空气泄压，储气瓶出口阀（09）在其弹簧力作用下自行关闭，停止压缩空气反冲洗供气。

第三阶段：注入润滑油（注油）阶段。储气瓶出口阀（09）关闭后，由于滤器的反冲洗空气腔和No.2滤筒中的气压消失，经过滤的洁净润滑油从滤器出口经转轴阀上的注油孔K（见图3）注入洁净的No.2滤筒中，使No.2滤筒中的存余空气经其顶部的浮子式放气阀（03）排出，直至滤筒中注满洁净润滑油为止浮子式放气阀（03）才自动关闭。此后，No.2滤筒又作为备用滤筒，再次进入上述的备用过程继续循环下去。

（四）船用压缩空气自动反冲洗滤器的自动控制原理

船用压缩空气自动反冲洗滤器工作要求其必须具备开始投入工作时对备用滤筒反冲洗一次（开机反冲洗一次）、保持备用/正常滤油状态，必要时（△P1值达到允许值或按下手动按钮PB时）进行排污/反冲洗、故障时发出报警以及相关状态指示等自动控制功能。然而实现这些规定功能，保证其正常可靠的自动运行是依靠其自动控制电路来完成的。下面就以TYPE 6.61 GR.10+15型船用自动反冲洗润滑油滤器的控制电路图（见图6）为例，分析、说明其自动控制原理。

1.滤器开始投入工作时对备用滤筒反冲洗一次（开机反冲洗一次）

在图6中，合上自动反冲洗滤器控制箱电源开关S后，L1电源指示灯发亮表示电路电源正常，因延时继电器-RT延时1分钟动作，故其触头1、3暂时保持接通/通路6接通，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）通电换位（见图3），使排污阀（06）和储气瓶出口阀（09）受控开启，压缩空气反向进入No.2滤筒对其进行反冲洗约1分钟后延时继电器（RT）动作，其触头1、3断开/通路6断开，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）断电复位（见图2），排污阀（06）和储气瓶出口阀（09）受控关闭，停止对No.2滤筒反冲洗，No.2滤筒重新注满洁净润滑油后作为备用滤筒，等待投入滤油工作。

2.保持备用/滤油正常状态

假设滤器处于No.2滤筒备用、其余的三只滤筒（No.3、No.4、No.1滤筒）组合同时滤油状态（见图4），滤器进出口润滑油压力差△P1未达到设定的允许值（0.09MPa），且无其他故障，电源指示灯亮。这时，由于凸轮开关（CS）（因凸轮位置对准No.2滤筒）保持断开（见图6），延时继电器（RT）保持通电1分钟后，其触头1、2接通/通路7接通，1、3断开/通路6断开，一方面为△P1再次达到设定的允许值发出“清洗”指令时，使伺服电机带动转轴阀凸轮转到对准“下一只待清洗滤筒”（依序为No.3滤筒），即，使No.3滤筒处于排污/反冲洗状态位置、No.2滤筒处于滤油状态位置做好准备；另一方面禁止在△P1值未达到允许值时排污/反冲洗控制电磁阀（S1）通电启动反冲洗，使滤器保持No.3、No.4、No.1三只滤筒组合处于正常滤油工作状态。

3.反冲洗

当滤器进出口润滑油压力差△P1值升高达到设定的允许值（0.09MPa）时，△P1常开触头闭合，使接触器（C1）通电（因还未处于反冲洗状态，△P2触头保持常闭）/通路3接通，接触器（C1）常闭触头断开/通路6断开禁止排污/反冲洗控制电磁阀（S1）通电启动反冲洗，同时C1常开触头闭合使伺服电机通电并带动转轴阀按规定方向（设顺时针）转动，转动后凸轮（CS）释放限位开关使其触头闭合，继电器（R1）通电使其常开触头闭合保持接触器（C1）通电和伺服电机转动，同时常闭触头断开使延时继电器-RT断电，RT触头1、2断开/通路7断开，1、3闭合（但因此时接触器（C1）常闭触头断开/通路6保持断开，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）还不能通电启动反冲洗）。当转轴阀转到其凸轮对准“下一只待清洗滤筒”（No.3滤筒）使其完全退出滤油工作状态位置，同时使备用滤筒（No.2滤筒）完全进入滤油工作状态位置时（见图5），凸轮顶到限位开关，使限位开关触头重新断开/通路5断开（见图6），继电器（R1）断电使R1常闭触头闭合/通路9接通，延时继电器（RT）通电，同时R1常开触头断开使接触器（C1）断电后C1常开触头断开使伺服电机断电停止转动，同时C1常闭触头闭合/通路6接通，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）通电换位（见图3），使排污阀（06）和储气瓶出口阀（09）受控开启，对No.3滤筒进行反冲洗。反冲洗期间由于滤器压缩空气腔压力升高使△P2动作，△P2常闭触头断开防止伺服电机转动，同时△P2常开触头闭合/通路8接通，反冲洗指示燈L3发亮（表示滤器处于反冲洗状态）。压缩空气反冲洗持续时间约1分钟（由延时继电器（RT）的延迟动作时间决定，滤器反冲洗累计时间由计时器h记录）后，延时继电器（RT）触头1、3断开/通路6断开，排污/反冲洗控制电磁阀（S1）断电复位（见图2），排污阀（06）和储气瓶出口阀（09）关闭，停止对No.3滤筒反冲洗；同时，RT触头1、2接通/通路7接通，再为“下一只待清洗滤筒”（No.4滤筒）反冲洗做好准备。

4.故障指示

如果上述反冲洗无效，使滤器润滑油进出口压差大于0.12MPa时，报警触头△P3闭合，发出报警信号。如果滤器运行过载，热保护继电器e1触头1断电、触头2通电，使L2指示灯发亮，指示线路故障报警。

二、船用压缩空气自动反冲洗滤器的故障分析与处理

压缩空气反冲洗滤器由于所过滤介质（润滑油、燃油）品质的恶化，运行环境的变化，操作、管理的不当以及设备本身可靠性等因素，使其在运行工作中会出现某些故障，影响主机润滑油系统、主机正常运行和船舶航行安全，以及增加轮机管理人员的劳动强度，所以，轮机管理人员应该认真分析其故障原因，掌握迅速处理故障的方法，确保主机正常运行和船舶安全航行。下面就对压缩空气自动反冲洗滤器常见故障进行分析，以供参考。

故障一

合上电源主开关S后，控制电路没电/L1不亮（非指示灯损坏），这种故障现象的可能原因为电源主开关（S）、熔断器、电压互感器等故障，需拆下、抽出测量检查，发现损坏予以修复或更换。

故障二

合上电源主开关S后控制电路输入电压正常，但L2发亮，这种故障现象的可能原因为热保护继电器e1、控制线路等故障，须检查整定热保护继电器e1及线路有否短路、绝缘情况等，发现损坏予以修复或更换。

故障三

合上电源主开关S后控制电路输入电压正常，但滤器不能对备用滤筒进行一次反冲洗（开机反冲洗一次），这种故障现象的可能原因为延时继电器（RT）提前动作使其触头1—3断开（而1—2闭合）、排污/反冲洗控制电磁阀S1故障等，检查发现调整错误需重新整定、损坏予以修复或更换。

故障四

控制电路输入电压正常，滤器反冲洗期间L3不亮（非指示灯损坏），这种故障现象的可能原因为△P2继电器故障使常开触头不能闭合，或反冲洗压缩空气压力太低，须对其检查，发现损坏予以修复或更换。

故障五

滤器的非反冲洗期间，L3保持常亮，这种故障现象的可能原因为△P2继电器故障使常开触头不能复位断开，或反冲洗压缩空气管路和继电器波纹管是否因堵塞未泄压等，需对其检查，发现损坏予以修复或更换、堵塞予以疏通泄压。

故障六

△P1值升高达到设定的允许值（0.09MPa）时滤器不能反冲洗，这种故障现象的原因为：如果伺服电机（M）不转，则可能是接触器（C）线圈故障；如果伺服电机（M）转动到转轴阀凸轮对准“下一只待清洗滤筒”停止后，没有进行反冲洗，则可能是排污/反冲洗控制电磁阀（S1）或排污阀卡住或储气瓶出口阀（09）故障，需对其检查，发现损坏予以修复或更换。

故障七

△P1值升高达到设定的允许值（0.09MPa）时，伺服电机（M）转动但停止位置不确定，滤器也不能反冲洗，这种故障现象的可能原因为继电器（R1）线圈短路，需对其检查，发现损坏予以修复或更换。

故障八

滤器工作中出现原的不动地只对同一滤筒连续进行反冲洗，这种故障现象的可能原因为延时继电器（RT）线圈短路，需对其检查，发现损坏予以修复或更换。

三、结论

船用自动反冲洗滤器广泛应用于船舶主机燃油和润滑油系统作为洗滤器，其基本工作原理与其结构特点有关，就常见的设有四只滤筒的TYPE 6.61 GR.10+15型船用自动反冲洗润滑油滤器来说，滤器在运行时，始终保持相邻的三只滤筒组合同时投入滤油工作，而其余一只滤筒处于排污/反冲洗或备用状态。简单来说，每一只滤筒均不断依序轮换组合参与滤油和清洗，其具体工作状态的变化过程是不断经过“排污/反冲洗（含開机一次）→备用→滤油→再排污/反冲洗”的循环变化过程。其反冲洗自动控制原理是以压差继电器在滤器进出口润滑油压力差△P1值达到设定的允许值时发出的“清洗”指令为控制信号，由控制电路按照规定程序自动控制滤筒轮换完成排污/反冲洗过程。滤器使用中经常出现的故障主要是自动控制方面的功能故障，所以，分析和处理其故障时要首先根据故障现象判断该故障属于哪一种功能故障或丧失所致，然后认真分析其故障的原因，采取针对有效措施处理。

参考文献：

[1]李 斌，任福安，朱新河.主推进动力装置（操作级）[M].大连：大连海事大学出版社，2013.

[2]林叶锦，徐善林.船舶电气与自动化（船舶自动化）[M].大连：大连海事大学出版社，2012.

[3]蒲宝康，赵兴贤，林春亭，等.船舶轮机问答（轮机自动化分册）[M].北京：人民交通出版社，1985.

[4]张跃文，孟维明.船舶管理（操作级）[M].大连：大连海事大学出版社，2013.

（作者单位：海南科技职业学院）