船用柴油机故障诊断技术研究

2019-01-14

装备机械 2019年3期

中国人民武装警察部队海警学院浙江宁波 315801

1 船用柴油机概述

船用柴油机是船舶的心脏,是保证船舶正常航行的动力源。船用柴油机由配气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、起动系统、调速换向装置和操纵系统等组成,结构复杂,零部件种类繁多,装配关系具有一定的逻辑性,性能好坏直接影响船舶航行的经济性和安全性。特别是从事远洋运输的船舶,由于工作条件特殊,海上航行时间较长,一旦船用柴油机发生故障,不能及时进行处理,就有可能引发航行事故,严重时会导致船舶丧失航行能力,威胁到全船人员的安全。

2 故障原因

船用柴油机在使用过程中会发生各种故障,引发故障的原因多种多样。对故障原因进行分类,大致可以分为三类。

2.1 材料结构

船用柴油机在研发时结构设计存在缺陷,零部件选材不合理,在长时间的工作运转中,结构出现错位,零部件材料磨损严重,造成故障。例如,活塞对工作条件要求严格,如果活塞裙没有制造为椭圆形或销座附件表面没有剜去部分金属,那么燃烧室内销座孔周围金属将受热膨胀,在侧推力和燃气压力的共同作用下,活塞裙部容易发生变形,导致活塞与气缸套强烈摩擦,严重时会卡死在气缸套中。

2.2 装配工艺

船用柴油机在装配时,各零部件的安装间隙必须在要求范围内,并尽量减小误差。例如,某国产V型6缸柴油机的进气阀间隙为0.3 mm,排气阀间隙为0.5 mm,在调整气阀间隙时,如果气阀间隙过大,那么在柴油机运行过程中不仅影响燃烧效果,降低柴油机效率,而且会使柴油机燃烧环境恶化,甚至出现停机等故障。

2.3 维护管理

预防性维护保养是提高船用柴油机工作性能、延长使用寿命和降低运营成本的关键,无论进行何种维护,都要按照一定的操作流程,有计划、有步骤地进行拆检和安装,并合理地使用工具,保持零部件表面清洁。例如,在清洗通气管内的滤芯时,正确的操作流程是先将机体门盖板加油管中的油芯取出,放在柴油或汽油中清洗吹净,浸上机油后再安装。如果工作人员不熟悉保养和检修流程,或者违反保养规程,将油芯放在日用淡水中清洗,或最后没有浸机油,都会影响船用柴油机的工作可靠性,最终导致船用柴油机损坏。

3 传统故障诊断方法

船用柴油机发生故障前,通常会有一些预兆和异常表现。因此,针对船用柴油机各种压力、温度超过或低于正常值,船用柴油机冒黑烟,轴系出现异常振动,曲轴箱、燃烧室发出尖锐声响等情况,如果不及时查明原因,并在第一时间排除,那么可能会引发严重事故。

3.1 观察法

观察船用柴油机的各个系统在工作过程中呈现的各种现象,根据经验或参数表判断柴油机是否发生故障,故障发生的原因和部位,及时排除,保证船用柴油机正常运转,不影响船舶的航行安全。例如,在船用柴油机起动前及运行过程中,按时观察设备是否出现漏油、漏水现象,燃油、润滑油和冷却水的液位是否在规定范围内,柴油机转速、运行压力和燃烧室温度是否出现大范围波动或骤降骤增现象。如果船用柴油机冒白烟,说明有大量水分混入排烟系统中,可能是燃烧室密封不严,气缸漏水导致。如果船用柴油机冒蓝烟,那么可能是油环磨损失效,气环加剧泵油,导致润滑油进入气缸。

3.2 听诊法

船用柴油机正常运转时发出的声响具有一定的规律性,通常为均匀、有节奏的排气声和轻微的噪声。当船用柴油机零部件磨损严重,配合间隙超过安全范围或相关零部件出现错位时,机器设备就会发出异响。通过船用柴油机发出的异响声可以判断发生故障的原因和位置。也可以应用金属棒在船用柴油机外壳部位进行敲击,判断气缸内的燃烧状况和设备的运行特征,及时采取有效措施。如果听到气缸外壁严重的撞击声,那么可能是活塞和气缸套的配合间隙过大。如果排气阀出现异常声响,那么表明排气阀和活塞发生了碰撞,气阀无法正常关闭,应立即停机进行维修检查。

3.3 嗅闻及触摸法

机器漏油或设备部件烧焦都会发出刺鼻的味道,因此可以利用嗅闻法判断船用柴油机是否存在故障。例如,绝缘材料受热燃烧后会散发焦臭味,润滑油严重老化后会散发酸性刺激气味。

船用柴油机各部位的温度直接反映工作状态,可以通过触摸管道和气缸外壁判断设备的运行温度是否超标。例如,在起动空气管、曲拐箱导门盖等位置,均可以使用触摸法,加强对船用柴油机运行状态的检查,以保障船用柴油机高效运行。

3.4 热力分析法

通过对气缸压力示功图、进出水口温度、润滑油温度、排气温度等热力学参数进行研究分析,判断柴油机的工作状态是否正常、稳定。在热力分析法中,压力示功图是首选参数,反映了气缸内气体压力随时间的变化情况[1],可以通过直接测录法或间接测录法获得。通过对示功图进行计算分析,得到压力升高率、指示功、压缩压力等,以此判断各缸的燃烧质量和工作状况,实现对船用柴油机的有效监测。

3.5 振动分析法

通过测量船用柴油机工作时产生的振动信号,判断船用柴油机气缸、活塞、主轴承及气阀等各零部件的状态,完成对船用柴油机的故障检测和排查[2]。首先选择高灵敏度传感器和二次放大仪表完成对船用柴油机信息的全面准确采集,然后进行数据处理、信号分析,获取直接、敏感的特征参数,最后结合柴油机制造、维修经验和运转状态等对特征参数进行分析,以此诊断船用柴油机的性能,解决船用柴油机存在的故障,并预测船用柴油机的工作状态。

3.6 瞬时转速法

观察瞬时转速信号,依据设备的运行状态,快速获取船用柴油机的故障信息。这一方法的不足之处是虽然可以准确无误地判断出船用柴油机的状态,查找出故障,但是无法准确判断故障原因。

3.7 油液分析法

船用柴油机在运转过程中,各个运动副不可避免地会发生磨损,个别零部件在长期运行中,产生的铁屑和微粒还会落入润滑油中。利用铁谱和光谱分析法对润滑油中的金属含量进行测定,判断船用柴油机零部件的磨损程度,以免影响船舶的正常航行[3]。光谱法的优点是能够准确测量出润滑油中的金属含量,但对磨损的形状和类型则难以判定。铁谱法的优点是能够了解金属微粒的成分、大小和磨损类型,缺点是缺乏对有色金属的分辨能力。可见,为更加准确地进行故障诊断,可以综合应用光谱法和铁谱法对船用柴油机进行检测。

4 故障处理

4.1 排烟气温过高

如果船用柴油机在运行时出现排烟气温过高的情况,那么需要判断是单个气缸排烟气温过高还是所有气缸均出现这种现象。如果全部气缸都存在排烟气温过高的情况,那么大概率是透平前格栅和透平叶轮脏污,导致无法正常进气,或者锅炉结垢严重,发生堵塞,排气受阻。如果是单个气缸出现排烟气温过高,那么可能是气缸排气装置出现破损,活塞密封失效,或气口堵塞等[4]。可以通过拆检清洁零部件,或定期对锅炉进行除垢,及时更换气封等零部件,保证设备正常运行。

4.2 柴油机拉缸

船用柴油机在运行时振动突然加剧,出现“哒哒”的异常声响,转速下降,功率减小,冷却水温度及润滑油温度显著升高,曲轴箱通气口等处开始冒烟,并产生油焦味等,基本可以判断船用柴油机出现了拉缸故障[5]。拉缸的本质是气缸表面黏着磨料或活塞、活塞环、气缸壁之间没有形成润滑油膜,在工作表面上产生平行于气缸轴线的拉痕和黏着磨损。造成拉缸的原因十分复杂,可以通过以下方法予以解决:① 补充高质量的气缸润滑油;② 对润滑油系统进行清理,减少杂质;③ 增大冷却水泵排出压力,清除冷却水腔内的锈蚀或脏污;④ 更换活塞和气缸套后,在加大负荷运行前要保证充分磨合;⑤ 按时清除活塞环积碳,及时更换活塞环。

4.3 冷却系统故障

冷却水温度是影响船用柴油机工作的重要热工参数,冷却系统能够控制冷却水温度在合理的范围内,以免影响柴油机正常工作。水温过低,会使柴油机过多散发热量,导致空气和燃油的混合效果不佳,燃烧质量不高,降低热效率。水温过高,会导致燃烧室温度升高,活塞环过度膨胀,加剧与缸套之间的磨损,还会加快润滑油的老化。因此,当冷却系统水量不足时,应及时进行补充,并加强对水泵和散热器等关键设备的检修。另一方面,定期安排工作人员对冷却系统管道进行除垢,以免发生堵塞,影响冷却系统的正常循环。

4.4 气缸套穴蚀

船舶正常航行时,活塞在气缸内做周期性往复运动,不可避免地会对气缸施加侧推力,致使气缸套产生振动,与气缸套直接接触的冷却水在气缸套的带动下会产生大量气泡或空泡[6]。当这些气泡或空泡炸裂时,会对气缸套产生冲击,导致气缸套表面剥落,形成蜂窝状小孔。穴蚀是湿式气缸套常见的一种失效形式,也是船用柴油机使用过程中存在的较为普遍和突出的问题,严重影响柴油机的性能和使用寿命。针对气缸套穴蚀问题,可以通过四种方法进行解决:① 加注冷却水时,尽量选用干净、无污染的水源;② 采用闭式冷却方法,保持冷却水温度恒定;③ 在冷却水流入冷却腔之前,对冷却水进行软化,或在缸体外层通过镀铬、渗透等方法做好防护;④ 按时对燃烧室的积炭进行清理,防止柴油机工况恶化,避免气缸套振动加剧。

4.5 滑动轴承故障

滑动轴承承担较大的力,船舶在机动航行过程中,柴油机需要频繁加减速,导致无法建立均匀的润滑油膜,使滑动轴承产生磨损、胶合、腐蚀、裂纹、疲劳剥落及轴瓦烧熔等故障[7]。在装配滑动轴承时,必须按照正确的操作流程进行,并符合相关标准要求[8]。需要选用质量好、规格高的润滑油,并定期进行检查和更换,防止润滑油老化,确保轴承表面形成良好的润滑。另外,尽量降低柴油机频繁起运率,避免超负荷运转,并不定时对滑动轴承间隙进行检查,及时调整至要求范围内[9]。

5 故障诊断技术发展趋势

目前,船用柴油机故障诊断技术正处于高速发展期,随着自动化技术、信息技术在柴油机领域的不断应用,船用柴油机故障诊断技术呈现出三大发展趋势。

5.1 专家系统与人工神经网络结合

专家系统是一种智能化数据决策系统[10],在长期大量船用柴油机故障诊断经验的基础上,模拟专家思维对船用柴油机进行故障诊断分析。专家系统虽然具有较高的诊断效率和诊断水平,但是也存在一些弊端,如很难对非线性问题和多要素故障做出有效判断[11]。因此,专家系统与人工神经网络相结合成为了船用柴油机故障诊断技术的发展趋势。人工神经网络所具备的非线性映射能力可以很好地应对船用柴油机复杂的结构和系统,弥补专家系统的缺陷,实现两者的优势互补[12]。

5.2 一体化

随着计算机技术和通信技术的迅猛发展与日渐完善,船用柴油机故障诊断系统可以通过网络与航运公司办公系统相连,航运公司相关负责人可以随时查看船用柴油机的运行状态,将暂时无法解决的故障直接传输至船用柴油机故障诊断专家,得到解决方案后,再反馈至在正在海上航行的工作人员。也可以通过视频进行远程指导,及时清除故障,解决问题[13]。另外,通过研发专用程序,将故障诊断系统装入轮机人员的移动电话中,突破场所和距离的限制,使轮机人员可以随时随地了解船用柴油机的运转特性,接收到船用柴油机故障预警时,可以在第一时间进行处理。

5.3 智能化

专家系统、人工神经网络及模糊诊断等故障诊断技术虽然可以很好地完成对船用柴油机的状态监测和故障诊断,但是与智能化还有一定的距离,还达不到智能化诊断的要求[14]。随着船舶工业的迅速发展,船用柴油机智能化故障诊断必然会成为新的发展方向,不仅可以应对船用柴油机复杂的工作环境和各种恶劣海况,而且可以预测故障隐患,及早发现故障,从根源上杜绝故障的发生[15]。同时,对于已经发生的故障,可以提供智能化维修方案,缩短维修时间,提高维修质量,有力保障船舶安全与高效营运。