某船柴油机转速波动分析

谭健

摘 要：柴油机转速波动过大产生的危害很大，本文阐述了引起柴油机转速波动过大的主要原因，并结合某船柴油机转速波动大具体故障案例进行了分析。

关键词：柴油机；转速波动；调速器；燃油系统

中图分类号：U664.121 文献标识码：A

Abstract： The harm caused by the excessive fluctuation of diesel engine speed is very large. This paper expatiates on the main reasons that cause the diesel engine speed fluctuation too much， and analyzes the concrete failure of the diesel engine speed fluctuation.

Key words： diesel engine； speed fluctuation； governor； fuel system

1 前言

柴油机是燃烧柴油并将燃料的化学能转化为机械能的设备。柴油机热效率高，功率范围广，起动迅速，使用寿命较长，因而得到了广泛的应用，特别是在船舶应用方面，船舶柴油机做为船舶主要的配套设备，对船舶工业的发展至关重要。船舶柴油机主要做为推进系统主机和电站辅机，这两个系统都是船舶系统的核心系统。柴油机的安全稳定运行直接影响到船舶的安全稳定运行，因此必须高度重视对柴油机的运行、维护、管理。

无论是柴油机运行人员、调试维修技术人员、维护人员、管理人员均需要了解柴油机的结构、工作原理和控制系统的控制逻辑，这样在柴油机发生故障时候能够准确分析原因并及时排除，恢复系统正常运行，避免事故的扩大造成更大的损失。现针对柴油机转速波动这一常见现象进行具体分析。

2 柴油机转速波动大的危害

在船舶上无论是作为动力主机还是电站的辅机，柴油机都扮演着重要角色。船舶柴油机在实际运行过程中会发生各种各样的故障，其中转速波动就是常见的故障之一。正常运行时柴油机的转速在某一个转速附近有微小的波动，根据各柴油机厂家对转速波动率的要求设定有差异，一般波动率大概为±1%左右，这种微小的波动是正常的。但是如果转速波动过大，周期性忽高忽低，调速系统无法将转速稳定在某一值附近，甚至出现震荡、发散现象，这会给柴油机的安全运行带来非常不利的影响：

（1）导致柴油机组的振动过大，破坏柴油机运行的稳定性以及导致柴油机支持轴承和推力轴承磨损；

（2）转速波动大如发生在低速区间，很可能造成柴油机灭火停运；如发生在高速区间，很可能造成柴油机超速飛车的严重事故；

（3）柴油机热负荷不稳定，热负荷波动影响螺旋桨动力输出或者电站的电力品质，威胁船舶航行安全；

（4）过大的冲击热负荷直接表现为柴油机排气温度忽高忽低，柴油机承受过大的热应力热变形，严重时会导致柴油机气缸拉缸，高温受热部件产生不可逆转的塑性变形或者发生裂纹损坏，并大大缩短柴油机的使用寿命。

3 柴油机转速波动大的原因分析

柴油机转速波动大的原因很多，调速系统故障、燃油系统故障和柴油机本身故障是造成转速波动的主要原因。

3.1 柴油机的调速系统故障

柴油机的调速系统对柴油机的安全稳定运行至关重要，调速系统的故障会直接导致转速的大幅波动，甚至会导致柴油机熄火或者飞车超速等严重事故。

柴油机的调速器分为电子调速器、液压式调速器、机械式调速器。信号监测及控制采用电气方式的调速器称电子调速器，是一种具有良好发展前景的调速器，其执行机构可分为电磁式和液压式，前者主要应用于小功率柴油机上，后者主要应用于大功率柴油机上；液压调速器是利用液压伺服器将飞重产生的离心力放大从而控制油门，实现气缸喷油量的调节，也就是转速和负荷的调节，它广泛应用于船舶大功率柴油机上；机械式调速器是直接利用飞重产生的离心力去拉动油量调节机构，以调节柴油机的转速，是一种直接作用式调速器，主要应用在小功率柴油机上。

调速系统引起柴油机转速波动大的原因主要有以下几点：

（1）工作液压油脏污变质是调速器最常见的故障，油质的脏污会导致调速器内部液压滑阀移动迟缓甚至卡涩；

（2）转速反馈系统故障，例如电子调速器的转速传感器故障，液压式调速器和机械调速器的转速—飞重离心力系统故障；

（3）内部液压油存在空气或者液压油液位过低，也会造成调速器滑阀反应的滞后性，调速器灵敏度的降低必然导致转速的波动；

（4）电子调速器的给定指令不稳定也会导致转速的波动大，例如转速控制信号受到外界电磁干扰时；

（5）转速控制回路的控制逻辑设定不当，例如死区和增益设置不当造成转速波动；

（6）和高压油泵间的机械传动机构（油门拉杆）卡涩、松脱等故障。

3.2 柴油机燃油系统故障

柴油机运行过程中，燃油系统故障也是引起转速波动大的重要原因：

（1）系统存在空气，会导致燃油压力的波动，破坏燃油供给的连续性，甚至造成断油熄火；

（2）油质差，存在水分和杂质，影响燃油在燃烧器内的雾化效果，造成燃烧的不稳定也即热负荷的不稳定，而且杂质的存在会对燃油系统管路和油泵造成腐蚀卡涩，导致转速的波动；

（3）油位过低会导致燃油泵流量不足发生汽蚀，使燃油压力波动和渗入空气，这也会造成燃烧的不稳定即热负荷的不稳定；

（4）油温是影响燃油粘度的关键因素，适当的温度和粘度有利于燃油的雾化燃烧，过高或者过低的燃油温度都会造成燃烧的提前和滞后，造成热负荷的波动；

（5）供给系统的输送泵、喷射泵故障、滤网堵塞等等，同样会破坏燃油供给的连续性和燃油的雾化效果造成燃烧不良转速波动；

（6）系统泄漏或者安全阀、溢流阀故障，导致供油压力波动。

3.3 其他原因

除了调速系统和燃油系统外，引起柴油机转速波动大原因还有柴油机热负荷、机械负荷、增压器和对中等：

（1）柴油机机械负荷的剧烈变化，超过调速系统的动态稳定能力。例如在恶劣海况风浪大时，动力系统螺旋桨吃水变化很大，调速系统为了将柴油机转速稳定在设定值附近，会对柴油机供油量进行频繁大幅度的调整。

（2）柴油机各缸发火不均，甚至有的缸不发火，发火不均导致各缸热负荷不均也就造成了转速的忽高忽低。

（3）柴油机废气涡轮增压系统故障，例如废气涡轮或者压气机的叶轮脏污损坏等。在燃油供给量不改变的情况下，废气涡轮增压系统故障会使供给燃烧室的空气量不足，造成油多气少的缺氧燃烧，燃烧的恶化导致转速的波动大。

（4）柴油机与所带的负荷对中不良、轴承磨损、气缸拉缸、基座螺栓松动等，造成振动、动力传输的损耗过大。

4 某船动力系统柴油机转速波动大实例分析

4.1 实船柴油机转速波动情况

某船动力系统为双轴双桨推进，动力原动机为两台柴油机。柴油机为双列16缸V型废气涡轮增压柴油机。柴油机主要技术参数如表1所示。

正常运行情况下，柴油机调速系统的转速波动率不超过±1%。按照柴油机调速系统控制程序逻辑，进四工况柴油机对应的指令设定转速为880 r/min，实际转速在871～889 r/min就是正常的。从图中可以看出，转速在一分钟内发生了多次波动，波动最高达897 r/min，最低达861 r/min，波动率高达2.1 %。这种频繁的大幅度的波动严重威胁柴油机的安全运行。

4.2 实船柴油机转速波动故障分析

现从轮机和电气两方面对该船柴油机转速波动大故障进行分析。

通过监控系统画面对燃油系统相关参数进行分析。控制系统模拟量和现场压力表均显示燃油进机压力0.30-0.38 MPa左右波动，那么燃油压力的波动可能是造成转速波动的原因。引起燃油压力波动的因素有多种，例如燃油系统存在空气，燃油机带泵故障、传感器故障、压力表故障等等。传感器测量的压力和现场压力表显示基本一致说明压力测量正常，燃油压力确实存在波动；停运柴油机后对燃油系统进行放气，也未发现燃油系统进空气；对机带泵进行拆检，未发现机带泵叶轮和轴承存在故障，经更换新的机带泵后转速和燃油压力波动故障依旧，排除机带泵故障。通过观察燃油压力和转速波动情况，发现燃油压力的变化总是跟随并滞后于转速的变化，这说明是转速波动引起了燃油压力的波动，而不是燃油压力引起了转速的波动。通过排查，燃油系统滤网、油位、油温等均正常，另外回油阀、溢流阀、安全阀等均未发现异常。因此，燃油系统不是引起柴油机转速波动的原因。

该船海上航行时水文气象良好，无大风浪导致吃水的频繁变化，螺旋桨的螺距也基本稳定在92.1%附近，这和进四车令相符，动力系统的机械功率是基本不变的；通过对废气涡轮增压系统进行检查，压气机和涡轮工作正常，未发现叶轮脏污损坏等现象，所以废气涡轮增压系统也不是引起转速波动的原因；柴油机各缸排气温度随转速波动，但是各缸温度变化是同步的，不存在偏差大情况。

调速系统是引起柴油机转速波动的重要因素，该船动力系统柴油机调速系统使用的是电-液调速系统，它是电子调速器的一种，其系统原理如图2所示。

该调速系统的转速信号监测和控制指令均采用电气方式，执行机构采用液压执行器。该调速系统主要是由转速控制单元、电-液调速器、转速传感器等组成。电-液调速器的基本工作原理是：柴油机的转速指令由车钟上的转速设定电位器给定，实际转速由转速传感器反馈，该转速传感器为磁电式安装于测速飞轮附近。实际转速信号经过特定的转速转换模块转换为标准的电信号N2后与车钟来的设定值N1进行比较后得到转速偏差Ne；该偏差经过PID调节器运算放大、负荷限制后输出油门指令P1再与油门反馈P2比较得到油门给定值电流Pe，此油门给定值电流进入调速器线圈产生驱动电磁力，促使滑阀移动改变液压油流向带动动力活塞移动，直至电磁力和弹簧力平衡；动力活塞联动油门拉杆控制柴油机高压喷油泵齿条向减小转速偏差的方向运动，从而实现柴油机转速稳定于某一定值。

对柴油机油门拉杆、高压油泵齿条和节气门进行仔细检查发现其动作灵活到位无卡涩现象，调速器液压油位正常，取油化验油质正常；如果调速器进空气会使调速器液压执行机构反应的滞后，导致转速波动大，但调速器使用新油缓慢注油排除空气后柴油机转速波动大故障还是没有解决；测量电-液调速线圈电阻、绝缘正常。

转速传感器对柴油机的转速控制至关重要，传感器接线松脱、线圈短路或断路、传感器探头到飞轮齿顶的距离不当等均会造成反馈转速的波动，造成与车种指令转速偏差大，最终导致转速波动大。经对转速反馈系统仔细排查，发现了转速传感器的线圈绝缘较低，绝缘低会导致转速反馈的不稳定。经更换同型号的转速传感器后柴油机运行转速基本稳定，波动率在1%合理范围内，从根本上消除了转速波动的现象。

因此，经过从机电多方面的分析排查，最终确定了调速系统的转速传感器故障导致了本案例中柴油机转速波动大。

4.3 實船转速波动故障消除后检测

实船转速波动故障消除后转速曲线图如图3所示。从图中可以看到，柴油机运行稳定，转速波动在正常范围内。

5 结束语

对于机电一体的控制系统，我们必须同时掌握电气、自动化和机械方面相关的专业知识。大量的运行经验表明，机械方面的原因引起转速波动几率很大。因此我们可以先从燃油系统、燃烧热负荷和机械负荷等方面分析。如果机械方面无法查找原因再从调速控制系统方面分析，转速传感器、调速器、执行器、控制器等都是重点检查的部位。 这是一个基本的原则，在实际应用时可以灵活掌握。只有相关专业知识的掌握和经验的不断积累，在处理柴油机转速波动大故障时我们才会做到高效准确。

参考文献

[1]卢冠钟.船舶电气与自动化[M].大连海事大学出版社，2014.

[2]傅克阳，周美荣.船舶柴油机[M].上海浦江教育出版社，2013.

[3]孙培廷.船舶柴油机[M].大连海事大学出版社，2002.