某船用发电机组柴油机飞车原因分析与排除

刘晓刚 褚力滨 张小崇 吕战鹏 王克明 赵伊晓 张青锋

摘要：针对某船用高速柴油机发电机组飞车的原因进行分析，是由于调速器复位弹簧挂钩断裂，齿条油量位置失去控制，发生柴油机转速急剧升高，最终导致的柴油机飞车。并通过故障复现验证了原因定位，最后制定了预防措施并针对此问题进行了举一反三。

关键词：发电机组;柴油机;飞车;齿条复位弹簧

中图分类号：TK428                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0151-03

1  情况概述

某型布缆船1#船采用3台某高速柴油机发电机组（标定功率/转速：1550kW/1500rpm）用于电力推进系统主机组，1台柴油发电机组（标定功率/转速：600kW/1500rpm）用于辅助发电，1台柴油发电机组（标定功率/转速：150kW/1500rpm）用于应急发电。5台机组于2013年10月出厂，2015年2月交付使用。

2017年8月25日该船出海试航，现场操作人员反馈：上午8：00分别将主、辅发电机组启动至怠速状态（960转/分），柴油机水温、油温预热后，主、辅发电机组转速升至1500转/分，将1#机组和辅机并网进行带载试验，大约5分钟后机舱DC24V充放电板1#、2#蓄电池低电压和充放电板充电故障同时报警，处理后仍然出现同样的报警，将1#发电机组解列，并将3台主发电机组降至怠速状态后，到电工间进行排查，突然主机控制箱失电，1#、2#机组先后自动停车，但3#机组声音异常，转速升至飞车状态。操作人员迅速从电工间跑到3#机组旁将B列断气阀手动关闭，机组转速下降（A列断气阀为自动关闭），随后按控制箱紧急停车按钮，几秒后停车，但控制箱电压不稳，各指示灯闪烁，此时已盘不动车，截止故障发生时，3#机组已累计运行826小时。

接到反馈后，工厂高度重视，立即组织分析原因，并于2017年8月26日派技术人员赴现场进行相关勘验工作。

2  现场勘验

2.1 3#机组运行、保养情况

现场查阅了3#机组自2016年12月30日～2017年8月18日的航行日志，记录了柴油机的运行参数、维护保养以及故障处理情况。

①3#机组故障前期运行参数正常，其中机油压力均在0.52MPa以上，未出现机油压力偏低的现象。②3#机组1月26日更换了机油，机油更换周期正常。③6月18日记录了13：53由于DC24V充放电板发生故障导致全船失电（如图1、图2所示）。

进一步了解发生失电时的情况，告知是由于给控制箱供电的蓄电池电压低，将DC24V充放电板1#、2#蓄电池进行切换后出现的全船失电，当时3台柴油机均未发生飞车现象。

2.2 3#机组柴油机排查情况

①柴油机盘不动车，脱开发电机，柴油机仍盘不动车。检查高弹联轴器，发现橡胶齿顶有烧熔现象（如图3所示）。发电机转动灵活，但发电机风扇下有大约10mm长铜块（如图4所示）。

②检查曲轴已无轴向间隙，止推环可见部分未见异常（如图5所示）。

③打开观察孔盖板，检查各档连杆轴向串动情况（见表1）。外观检查轴瓦发现第七档主轴瓦和B4缸连杆瓦边有挤出现象，拆开B4缸连杆瓦盖，发现连杆瓦面和连杆轴颈有过热、磨损现象（如图6、图7所示）。

④检查各缸摇臂、过桥、挺杆、喷油器未见异常。

⑤拆开各缸气缸盖，检查活塞顶部、气缸套表面无拉缸现象。

⑥检查机油滤清器未见异常，检查机油泵衬套和外部过渡齿轮未见异常（如图8、图9所示）。

⑦拆前端盖检查齿轮系，发现曲轴传动齿轮与曲轴有碰撞痕迹（如图10所示），其它齿轮无异常。

⑧在A/B列增压器压气机端处检查，增压器转动灵活、无刮蹭现象。

⑨检查3#机组高压油泵齿条，拉动灵活无卡滞现象，高压油泵齿条复位弹簧一端断裂、脱落（靠减震器端侧），无复位作用，检查断裂部位有锈迹（如图11所示）。检查1、2#机组复位弹簧，弹簧挂钩处均有锈迹。1、2、3#机组高压油泵齿条控制装置活动灵活，无卡滞现象。

⑩控制箱正常通电后，按紧急停车按钮，检查A/B列断气阀功能正常。

2.3 滑油检测情况

将3#机组柴油机用过的机油取样，进行常规理化检测。粘度、闪点235℃等参数满足使用要求。

3  厂内排查

根据现场勘查情况，工厂组织人员对3#机组发生飞车的原因，从柴油机停车原理、柴油机装配、复位弹簧检测三个方面开展了排查。

3.1 柴油机停车原理

柴油机停车分为正常停车、紧急停车两种。正常停车时停车电磁铁和电子调速器同时工作，切断柴油机燃油供给;紧急停车时停车电磁铁、电子调速器、断气阀同时工作，切断柴油机燃油供给和进气供给。两种停车过程中，在设定程序的控制下，电子调速器将高压油泵齿条推向零位的同时，调速机构的复位弹簧也给高压油泵齿条施加推向零位的作用力。

3.2 柴油机装配

在柴油機装配时，装配、检查人员严格按照作业指导书的要求执行，并将检测结果逐台记录，查阅该机出厂前的装配记录卡，均满足装配要求，可以排除装配间隙问题造成柴油机飞车的可能性。

3.3 复位弹簧检测

高压油泵的复位弹簧采用碳素弹簧钢丝（GB/T4357），材料为65Mn，钢丝直径1.2mm，力学性能等级为D级，按照技术要求，工厂随机抽取6件弹簧，检测化学成分、机械性能（抗拉强度、扭转、缠绕）、弹簧拉伸力等，经检测均满足技术要求（附件3）。

通过对弹簧库存实物的检测，可以排除复位弹簧批次性质量问题的可能性，该复位弹簧进厂复检测采用抽样检验的方式，可能存在复位弹簧有偶发质量问题未抽检到的情况。

4  原因分析

通过对现场勘查、厂内排查和柴油机停车原理的分析，认为3#柴油发电机组飞车的故障原因是：在怠速运行过程中发生柴油机控制箱供电DC24V电源失电，导致柴油机电子调速器失电，调速失控，此时如复位弹簧状态完好，通过弹簧的回复力，可将高压油泵油量齿条拉回至供油零位，使柴油机正常停机。但由于调速器复位弹簧挂钩断裂，齿条油量位置失去控制，受手动停车手柄重力和高压油泵工作特性的影响，齿条向高供油量方向运动，使过多的燃油喷入燃烧室参与燃烧，引起柴油机转速异常升高。同时由于机旁控制箱失电，安保系统失去对柴油机的保护作用，超速保护装置未正常工作，最终导致柴油机飞车。

故障发生时出现A列断气阀为自动关闭、B列断气阀为手动关闭现象，分析认为在柴油机飞车初期，DC24V供电电源不稳，产生波动，控制箱电源时通时断，柴油机安保系统曾起作用，但由于断气阀生产制造的差异，使两断气阀动作时间不完全一致，导致控制箱得、失电期间出现B列断气阀动作而A列断气阀未动作的现象。

5  故障复现

2017年9月2日，工厂选取一台同型号柴油机在试验台架上进行模拟弹簧断裂和控制箱失电的试验：起机前取下调速机构复位弹簧，在柴油机正常运行时切断控制箱电源。切断控制箱电源后，在2-3秒时柴油机声音异常，转速急剧升高，停车手柄向下（油量升高方向）移动，且相关停车保护功能均无动作，迅速手动停机。通过台架试验的结果表明，在复位弹簧断裂和控制箱失电同时发生的情况下，会发生柴油机转速急剧升高的飞车现象。

6  处理措施

2017年9月15日和10月25日召开布缆船1#船3#柴油发电机组故障处置专题会，明确了3#柴油发电机组飞车故障原因，要求尽快恢复设备，确保船舶正常使用。根据工作会议的安排，3#柴油机组目前已经恢复完毕并投入使用，具体进度如下：①2017年9月18日，对3#柴油发电机组修复条件进行现场勘验，确定了机组出舱修复的方案;②2017年12月26日柴油机、发电机修复完成运抵目的地;③2017年12月29日与船厂配合完成柴油机、发电机入舱，整船封舱工作;④2018年2月20日与船厂配合完成柴油机、发电机对中工作;⑤2018年3月1日机组外围管路恢复完毕，服务工程师进行动车前检查工作，其中对断气阀、复位弹簧、停车电磁铁进行了重点检查，机组具备系泊试验条件;⑥2018年4月1日机组完成系泊试验，4月2日试航顺利结束，3#柴油发电机组运行正常。

系泊试验及航行试验结束后，现场服务人员再次对该机的断气阀、复位弹簧及停车电磁铁进行检查，一切正常。排除了柴油机全部故障，确定机器运行状态良好，无故障交付使用部队，并现场签了完工服务单。

7  举一反三

①工厂对1#船的1#、2#、3#柴油发电机组调速控制系统进行了全面的检查、保养，确保机组各项功能正常，可靠使用。工厂服务人员于2018年9月21日上船进行1000小时保养，并填写了服务记录单。②工厂加大复位弹簧抽检力度，对陆装项目所用复位弹簧装配前100%检验。工厂从仓库抽取9件复位弹簧（3件用于2#船主发机组，6件用于备件）进行了拉伸力和相关尺寸的复检，均满足技术要求。③工厂进一步对使用部队开展柴油机的日常维护保养的培训工作，对柴油机起机前检查调速机构状态、安保系统状态、维护保养等工作重点培训;在布缆船2#船随机资料每套机组增加3份培训教材，培训教材中对柴油机复位弹簧、停车电磁铁使用说明内容做重点标识。工厂于2018年10月15日走访1#船，并派服务人员上船进行巡检工作。由于1#船即将进行定型试验，与使用方沟通待定型试验后，派专业工程师对使用厂家进行培训工作，2019年6月18日，工厂完成了培训工作。培训教材中对柴油机复位弹簧、断气阀、停车电磁铁使用和保养内容做了重点标识。④工厂对同类项目的柴油发电机组增加影响安全运行的警示、警告标识，在1#、2#船主发机组控制箱上增加“柴油机开机前，请检查并确保复位弹簧处于完好状态”标识。

工厂技术部门在2018年10月31日下发通知，要求制作警示标牌，采购的警示标牌11月14日到厂后，对2#船主发机组进行整改，1#船的现场整改与培训工作同时进行。

参考文献：

[1]林兴，等.船用发电柴油机飞车故障原因分析[J].船海，2020（4）：54-56.

[2]任荣社，李振奇.船舶柴油机飞车故障原因分析与排除[J].柴油机，2015（6）：53-54.

[3]張青锋，等.某船用柴油机发电机组燃油系统进水故障分析[J].内燃机与配件，2017（01）：73-75.