船用柴油机故障诊断及处理技术分析

曹立江

摘要：船用柴油发动机是船舶运行的动力中心，安全性能直接关系到运输过程的安全性，诊断船舶的机械故障是至关重要的。当船用柴油机出现故障时应该及时进行诊断，并应用相关处理技术消除故障，确保船用柴油机的安全性和适用性。柴油机故障维护是船舶维护的重要组成部分，它决定着柴油机的使用寿命。通过总结船用柴油机的常见故障，分析故障原因并提出解决方法。

关键词：船用柴油机;机械故障诊断;处理

0  引言

现阶段我国的船舶所使用的发动机多数都是柴油发电机，因此，柴油机的工作可靠性就成为了船舶是否可以长时间工作的主要条件。但是，柴油机在工作一段时间后，通常会出现很多问题，如果对其放任不管，将会缩短柴油机的使用寿命。柴油机最常见的故障包括排气温度过高、汽缸套气蚀、滑动轴承故障，主机安全阀故障以及主机“汽缸拉动”现象。

1  柴油机的故障诊断分类以及处理技术

1.1 船舶柴油机排烟温度过高

当使用老旧船舶时，由于从主机排出的废气温度有时异常高，因此有必要检测是来自所有气缸的废气温度还是来自各个气缸的废气温度，分析原因并根据测试结果采取不同的措施。如果在所有气缸上都发生此故障，则可能是因为涡轮机的前格栅和涡轮机叶轮太脏、涡轮机喷嘴堵塞、进气口不畅通、废气锅炉堵塞并且排气不良。如果各个气缸的排气温度过高，则可能是由于气缸的排气阀损坏导致空气泄漏、活塞密封有问题、空气口堵塞吸气不畅[1]。

排查出导致废气温度过高的原因，就可以采取针对性的措施解决该问题。对于排气堵塞的问题，有必要清除机器的灰尘。对于堵塞涡轮喷嘴的问题，必须首先卸下涡轮并进行清洁。如有必要，可以更换笼中的叶轮和涡轮喷嘴。对于气缸阀和活塞密封件泄漏，必须及时修复原因。

1.2 柴油机气缸套穴蚀问题

当柴油发动机运行时，汽缸套气蚀严重影响柴油机的运行性能和使用寿命。形成汽缸套气穴的原因非常复杂，当柴油机采用开放式冷却时，冷水温度较低，并且在高速运行时机器加热不均匀，从而导致缸套和活塞之间的装配间距不均匀，由于缸套中的力不均匀，导致出现气蚀现象。另外，用于冷却的冷水中含有许多杂质以及复杂的化学物质，由于这些物质的原因导致用于冷卻的冷水具备了一定程度的腐蚀性，而导致柴油机出现气缸穴蚀的原因之一便是冷却水具有腐蚀性。另外，由于曲柄连机构会带动活塞进行往复活动，在进行往复活动的过程中，活塞会对气缸造成冲击力，引起气缸发生共振。当气缸与活塞产生共振时，气缸内壁的金属材料会因为活塞冲击力的作用下发生形变。长时间的冲击会导致气缸内壁上的金属材料脱离，从而导致形成穴蚀[2]。

解决方法：①封闭式冷却方法可以使冷水温度保持相对恒定，确保机械零件的适当热膨胀系数，并减少空化的发生。但是，封闭式冷却的成本比开放式冷却的成本高得多，并且设备更为复杂。②在冷却液中添加乳化油等腐蚀抑制剂。抗蚀剂在气缸套的表面上形成保护膜，尽管该保护膜的厚度很薄，但可以减少气缸表面的消极影响。③合理地调节柴油机供油提前角，并使每个气缸的燃油喷射量保持恒定，以使柴油机平稳运行、减少振动、减少汽蚀现象。④使用结构致密，结构均匀，石墨形状良好且含有Gr、Mo等元素的缸套材料。这些材料具有很高的机械性能、热稳定性和耐化学性，可以有效地提高气缸套的抗气蚀能力。⑤尽量降低气缸套外壁的表面粗糙度，以减少积聚在气缸壁凹部和薄部中的蒸气芯的数量，并减慢气蚀过程。⑥改进冷却液腔的设计。当冷却剂流经精心设计的冷却剂腔时，流速和压力变化缓慢，通常不会突然变化，腔体的水流速度不超过2m/s，速度相对均匀，不应有大的波动，以免形成旋流区。

1.3 柴油机滑动轴承的故障问题

滑动轴承是柴油发动机的重要组成部分，但船用一级和二级柴油发动机中的轴承损坏却很常见。滑动轴承承受交变载荷，其中轴承油膜分布不均匀。柴油机运转时，轴承承受很大的力，内圈和外圈之间的相对速度很高。柴油发动机频繁启动并在使用时加速会使轴承力改变频率太大;天气不好，潮湿的空气会使润滑油变质。这些复杂因素会导致轴承损坏并缩短使用寿命[3]。

轴承的常见损坏包括：①拉毛和划痕。如果硬颗粒意外地混入润滑剂中，当轴承的内圈和外圈相对旋转时，这些硬颗粒会在轴承壳表面形成凹槽。②过度磨损。柴油发动机频繁启动、长时间的超负荷工作、粗糙的轴承表面带有杂质的润滑剂等等。③局部磨损。当轴承之间的同轴度不符合要求时，就会发生偏心磨损，从而导致局部压力集中。局部磨损通常发生在轴承衬套的中间或侧面。④龟裂或疲劳剥落。轴承衬套表面上会出现微裂纹和剥离。如果轴承材料的疲劳强度不符合要求，或者对轴承施加了过大的力，则轴承会在高温下运行，从而导致不均匀的力和局部应力集中在轴承表面上。局部压力过大会导致合金层出现疲劳裂纹。疲劳裂纹发展到深处，在接缝表面附近横向扩展，彼此连接，剥落合金层。⑤轴瓦烧熔。烧熔会严重损坏轴承。轴承熔化的原因有很多，例如润滑剂分布不均，油膜损坏以及轴颈的表面光洁度不足。这种基本缺陷会导致轴和衬套之间直接接触，从而引起干摩擦，并且摩擦会产生热量，使合金熔化。

解决措施：如果轴承的损坏在可维修范围内，则有许多维修轴承的方法，可以避免浪费。常见的方法包括部分维修、焊接维修、重新填充轴承衬套和喷涂。如果轴承衬套的划痕、剥落、小面积脱壳和腐蚀较小，则可以进行局部维修和刮擦。增加日常维护工作可以减少轴承损坏。可以从以下几个方面采取预防措施：选择合适的润滑剂、确保润滑剂供应状况良好、加强机油滤清器的维护、加强导航行值班的管理，减少柴油机的频繁起停，并定期检查和调整轴承间距。

1.4 主机安全阀故障

当柴油发动机气缸中的压力超过安全阀的临界压力时，安全阀会跳动。通常，有三个主要原因。当柴油机的工作负荷超过额定负荷并且工作条件发生变化时，气缸爆炸压力急剧上升，安全阀跳动、安全阀的质量不合格、注射器的质量不合格[4]。

1.5 主机“拉缸”现象

当发生“汽缸拉动”现象时，主机的声音变钝并且产生“达达达达”的异常声音。“拉动气缸”的主要原因是活塞材料的热处理不佳，日常使用和维护不当。

处理方法：如果气缸套异常磨损且划伤严重，则说明气缸润滑油系统不干净，需要清洗。如果刮擦活塞裙部，则必须重新设计活塞的结构或适当地切割气缸部分或是更换合适的活塞。

2  柴油机机械故障诊断方法

2.1 热力参数分析法

热参数分析的方法主要是根据柴油机运行时的热参数来诊断柴油机的工作状态。该方法丰富的指示器图可以使工作人员更方便的计算显示的功率，以确保燃烧质量和气缸平衡。基于准确的数据，显示图对于监视运行期间的柴油发动机非常重要，并且经常用于对实际工作进行全面监视的过程中。而指示器图有直接录取与间接录取两种方法：直接录取方法主要是当曲转角发生变化时，直接通过指示器来录取气缸压力。而间接录取方法，是指通过在柴油机运行时通过测量不同的物理量的变化来录取气缸压力。实际上，间接方法在某种意义上更为适用，因为它不影响柴油机的运行过程。现在通常通过获取气缸盖螺栓应变以获得气缸气压来间接测量和记录功率图。换句话说，它通过汽缸盖振动信号来分析汽缸气压。这种方法的优点是可以更全面地了解柴油机的各种缺陷，但是缺点是上止点不很清楚，并且对压力传感器的安装和通道效应的要求也更高[5]。

2.2 振动分析法

振动方法主要是在船用柴油机运行时使用振动，并测试振动信号，分析和处理数据以及诊断内部零件的状况。振动方法具备可以在线诊断的优点。而在利用振动分析法进行诊断时，也会存在以下几点内容：第一，确定大量的宽频率激励力。第二，柴油发动机具有许多运动部件，并且在操作过程中难以接近机身。第三，因为柴油发动机的零件不同，所以每个零件都被激发。由于传输路径和表面振动的不同贡献，很难识别。第四，在运动部件受到不同程度的机械损坏的情况下，可以检测到激振力如何變化的表面振动信号。第五，相邻圆柱和该圆柱的运动部件之间相互干扰的差异。第六，测量点的判断和选择[6]。

2.3 瞬时转速法

由于可以通过柴油机曲轴的瞬时速度波动信号来表示柴油发动机的运行质量和运行状态，因此可以利用瞬时速度波动信号来获得驾驶状态和相关的故障信息。但是，该方法也有一些缺点。例如，可以判断由于瞬时速度波动而引起的气缸位置异常，但是无法确定原因。这是因为需要高精度的高频速度测量装置来捕获内部旋转角度的变化。

2.4 油液分析法

在机械故障的情况下，润滑剂中包含的铁元素可以确定金属零件的磨损，因此可以使用润滑剂的铁谱仪和频谱分析方法来监控柴油机的运行状况。每对柴油发动机在运行过程中都有不同程度的磨损，但是由于磨损形式不同，磨损颗粒也不同。这些颗粒存在于润滑剂中，并且金属可以通过铁光学和光谱法鉴定[7]。实际上，不可能依靠单独的铁谱和光谱学来实际检测柴油发动机，但是它们各有千秋。光谱可以准确地获得磨损成分的含量，但是形状不能被理解，而铁谱可以清楚地理解颗粒的形状。但是，无法判断有色金属及其分辨率不如光谱高。仅在同时使用铁磁和光谱学时才能实现常见的检测效果。当然，机油分析方法的使用也有一定的局限性，主要是因为不可能找到并准确地掌握有缺陷的气缸的位置，也无法进行监视，同时机油分析结果只能进行定性分析并且具有很高的随机性。上面提到的诊断柴油机机械故障的所有四种方法都有一定程度的缺陷，任何方法的实施都有局限性，否则可能只有一种方法，但这并不妨碍我们使用这些方法。执行机械诊断并处理故障。

上面提到的诊断柴油机机械故障的所有四种方法都有一定程度的缺陷，任何方法的实施都有局限性，否则可能只有一种方法，但这并不妨碍我们使用这些方法。执行机械诊断并处理故障。

3  结束语

综上所述，在对船舶进行维修时最为主要的便是柴油机故障检修，柴油机是否可以正常使用直接决定了船舶的使用安全。因此对于柴油机检修而言，有必要对其进行研究。基于此，本文在总结了我国船用柴油机中最为常见的几种故障，分析故障原因，并给出相应的处理方法，希望可以为我国的船用柴油机故障检修方面起到有利参考。

参考文献：

[1]张大勇，许振波.船舶柴油机主要机械故障诊断和解决方法探析[J].中国高新科技，2019（002）：39-41.

[2]文成知.船舶柴油机监测与故障诊断技术初探[J].农村科学实验，2018（010）：89-90.

[3]覃福良.船用柴油机故障诊断技术及维护案例解析[J].船舶物资与市场，2020（003）：87-88.

[4]王鑫，郭岩松.船舶柴油机机械故障诊断与处理分析[J].船舶物资与市场，2019.

[5]李昆.船用共轨柴油机排气阀常见故障探析[J].港口经济，2020（004）：66-67.

[6]曾富菁.船舶柴油机减排防污染的技术和经济分析[J].商品与质量，2018（033）：207，210.

[7]申如弦.船用气缸套磨损机理及提高其使用寿命方法[J].内燃机与配件，2018（003）：139-140.