船用柴油机预啮合式气起动马达起动系统的分析

柳一波

（烟台市石油机械有限公司，山东 烟台264001）

0 引言

船用柴油机预啮合式气起动马达起动系统（以下简称气起动系统），是通过电磁阀或气开关控制气马达预啮合进气管路的断或开，来控制气起动马达的起动，达到起动柴油机的目的。 船用柴油机主要以电磁阀控制为主，通过对气起动系统原理、组成、故障及维护的剖析，从原理和规范化操作的角度进行科普，有利于造船厂及广大用户能够正确理解、使用及维护气起动系统。

1 气起动系统原理及组成

1.1 气起动系统工作原理

以配套潍柴170 系列柴油机的TMY9QDBa气起动系统（见图1）为例说明。

图1 TMY9QDBa 叶片式气起动马达起动系统

柴油机起动时，按下控制开关，电磁阀3 接受电信号，压缩空气经继气器4、电磁阀3，进入预啮合进气管6（由B1 至B2），压缩气马达7 输出部分的复位弹簧，使输出齿轮沿轴向移动达到设计行程，与柴油机飞轮齿圈预啮合后，压缩空气经预啮合出气管5 进入继气器4(由C1 至C2)打开主气路，主气路的压缩空气经三联件进入气马达7 的动力腔内，在雾化后的压缩空气的作用下，气马达高速旋转输出扭矩，完成柴油机的起动；起动后（起动时间一般为2-4 秒）应立即松开控制开关，此时电磁阀处于常闭状态，预啮合进气管6 中的压缩空气经电磁阀R 口排出 （见图3），复位弹簧不再受高压气体压缩，气马达的输出齿轮在弹簧势能的作用下迅速回位，气起动马达输出齿轮脱离高速旋转的飞轮齿圈，完成一个起动循环。

1.2 气起动系统的主要组成

船用柴油机配套的气起动马达不同，其气起动系统也略有不同。本次重点介绍叶片式预啮合气马达气起动系统，如图1 所示，主要由压缩空气瓶、叶片式气起动马达、船用减压阀、油雾器、继气器、电磁阀、预啮合进气管、预啮合出气管以及管路附件组成（备注：涡轮式预啮合气马达起动系统，因气马达独特的动力设计，无需润滑，无需装配油雾器）。

1.3 气起动系统的主要组成元件介绍

1.3.1 预啮合式气起动马达特性简介

气起动马达将压缩空气的压力能转换成机械能，输出扭矩和转速以起动柴油机；气起动马达的合理配套，应依据柴油机的点火转速及其总的起动阻力矩[1]，结合气起动马达的性能曲线合理选型，气起动马达的输出扭矩应克服柴油机点火转速时对应的起动力矩，否则将无法起动柴油机。

预啮合式气起动马达的输出部分均设计有复位弹簧，在起动时该弹簧必须处于有效压缩状态，才能确保柴油机的顺利起动；经设计计算及试验验证， 复位弹簧所需气压的极限值一般在0.4-0.45 MPa,故确保复位弹簧的有效压缩，在空气流量供给充足的前提下其气压须大于等于0.45 MPa, 否则弹簧将出现轴向窜动并可能产生故障。

1.3.2 低压空气瓶

应依据气马达的耗气量，按CB/T 493《低压空气瓶》合理选配空气瓶，CCS 船检规定，空气瓶气压泵至规定的压力值时，气起动马达应满足连续6 次的起动要求，否则认定为不达标。

低压空气瓶的主要作用是储气，消除空气压缩机排出气体的脉动，保证管路中输出气体的连续性和压力的稳定性[2]，确保气马达起动时所需空气压力及空气流量；此外，可起到冷却压缩空气，分离压缩空气中水分的作用。

1.3.3 船用减压阀

船用减压阀结构主要有膜片式和活塞式两种，经多年的市场验证，活塞式结构相对耐久性更好些；膜片式结构的膜片质量直接影响减压阀的可靠性；活塞式结构常用型号为威海博冠生产的JYF1、JYF2 等。

1.3.3.1 船用减压阀的主要作用

船用减压阀主要作用是调节压力的大小，用户可按照减压阀上端大、小指示尖头进行正常的压力调整；船用减压阀配有安全阀，无特殊要求时，其开启压力设定在1.25±0.1 MPa，不得随意调整；当减压后的压力大于设定值时，安全阀自动打开泄气，起到保护作用；当调整至设定值以下时，安全阀将自行关闭；减压阀的另一侧需配装压力表，用于监测减压后的空气压力值；正常船用减压阀的压力出厂时均调整在0.85 MPa 左右， 用户可据柴油机的类型以及季节的变化，进行压力的调整。

1.3.3.2 船用减压阀压力的具体调整方法：

通气前将调整手轮按逆时针方向旋转（向箭头“小”的一端（见图2）旋转），直至工作弹簧处于正常压缩状态为止，此时压力表的指针指示值为0； 通气后调整手轮按顺时针方向旋转 （向“大”的一端旋转），一直旋转至压力表上的读数达到所需的调整压力为止。

图2 船用减压阀示意图

如需降低输出压力， 可关闭减压阀的进气口，在减压后气马达一端向大气放气、至压力表为零时重新按上述步骤调整输出压力。

1.3.3.3 船用减压阀具有过滤功能

船用减压阀（见图2）内腔装有铜烧结过滤滤芯，过滤精度在40-70 μm，能过滤掉管路中较大的颗粒物，对继气器、电磁阀及气马达起到一定的保护作用；故应靠近气马达安装，不得安装在低压空气瓶附近。

1.3.4 油雾器

油雾器主要作用是使润滑油雾化，以每分钟10-15 滴为宜， 油雾随压缩空气进入气马达，确保非金属叶片在作功时得到有效润滑。其常用型号为威海博冠生产的QIU-25、QIU-50 等；

另外油雾器油杯、 视油窗等材质为聚碳酸酯，禁止接触有机溶剂：如油漆、汽油、四氯化碳等！否则油雾器油杯容易在压力的作用下产生龟裂纹，严重的会爆杯。 油雾器的许用最高压力为1 MPa,故一定按图1 安装在减压阀之后。

1.3.5 继气器和电磁阀

继气器和电磁阀（常闭型）的主要作用是控制气路的“通”和“关”；二者配套使用，电磁阀主要控制预啮合进气管路的开和关，间接控制继气器主气路的开和关，保障气动马达正常的起动或停止；图3 中，电磁阀经双丝接头与继气器连接，起动时压缩空气经电磁阀P 口至A 口进入预啮合进气管（图1 序号6），经预啮合出气管（图1序号5）与继气器连接将主气路打开，压缩空气进入气马达，起动柴油机。

继气器和电磁阀内部均有阀芯，若管路不洁净将直接导致阀芯卡滞，最终导致气马达不能正常工作；电磁阀配置有手动按钮（见图3），柴油机运转时不得随意触碰；当电源无电时，可作为应急起动用。

图3 继气器和电磁阀示意图

2 气起动系统常见故障及问题分析

2.1 气起动系统管路公称通径（管路内孔）不匹配，导致故障

2.1.1 低压气瓶出气孔处管路不匹配，造成气马达起动无力

低压空气瓶出气口处管路太细并过长，造成局部截流，导致气马达起动无力。

事例1：2019年11月某主机厂反馈我公司配套SC38W 柴油机的叶片式预啮合气马达起动无力，无法正常起动柴油机，至现场发现空气瓶出口处的管路严重不匹配，配套管径太细，造成局部缩径过大，瞬间空气流量供给不足，导致气马达起动无力； 管路按要求匹配后故障排除，马达起动有力。

事例2：某造船厂设计的空气瓶出气孔的管子采用4 分管串联， 理论要求为1 寸镀锌管，反馈气马达起动无力：起动过程中因缩径而气流量供应不足，且压降过大，无法起动柴油机；另外该设计不足之处为减压阀安装在气瓶附近，无法实现减压阀的过滤作用，对管系部件起不到有效的保护作用。

2.1.2 因管路不匹配，压降过大，造成气马达输出齿轮打齿现象

管路管径不匹配直接影响气起动马达起动时瞬间空气流量的变化， 无法连续有效供给，导致压降过大， 一般正常压降范围为0.05-0.15 MPa，压降后起动气压低于复位弹簧所需的极限值0.45 MPa 时，将导致打齿故障。 当压降过大时应查明原因并排除。

事例：2020年2月俄罗斯客户配套的WP4发电机组出现打齿现象，减压阀设定起动压力为0.9 MPa （针对高速机该起动压力过高， 正常为0.6-0.8 MPa）, 起动过程中压降很大。 经沟通排查，其配套管路公称通径为DN20，管系不匹配，造成缩径，影响空气流量的连续供给，造成打齿故障，管路整改后故障排除。

2.2 起动压力设定不合理，造成打齿现象

（1）起动压力过低时，因起动时存在压降，起动气压低于复位弹簧所需的极限值时，产生打齿现象。

（2）起动压力过高时，因起动瞬间起动扭矩及冲击力过大，导致齿轮断齿或气马达内部零部件损坏。

2.3 误操作造成打齿现象

第一次起动柴油机时未成功，柴油机未停稳紧接着进行二次起动， 造成气马达输出齿轮打齿。 有经验的操作者一般不会发生这种低级错误。

2.4 气马达输出齿轮正常啮合，但马达不起动或起动无力

（1）配套的继气器失灵，其内部阀芯卡滞，主气路不能正常开启，造成气马达不起动；或阀芯不能完全开启， 造成瞬间压缩空气供给不足，使气马达起动无力。

（2） 气马达输出部分的密封腔存在漏气现象，预啮合回路气压不足，继气器无法正常开启。

（3）主气路正常开启，气马达排气孔有压缩空气排出，但气马达不工作，可能气马达动力部分或减速齿轮组件卡滞，也有可能是输出部分的离合装置失效。

2.5 气马达起动后输出齿轮不回位，无法脱离柴油机飞轮

（1）电磁阀内部阀芯卡滞或电磁阀排气孔堵塞，预啮合进气管内的气体无法及时外排，复位弹簧一直处于压缩状态，导致输出齿轮无法正常退回。

（2）电磁阀故障，处于常通状态，预啮合进气管一直有压缩空气进入，导致无法回位。

（3） 气马达输出端的输出轴锈蚀或变形弯曲，导致无法回位。

2.6 减压阀配置的安全阀失效

当起动压力超出设定值时，压力调整至正常范围，安全阀仍无法正常关闭，或安全阀在正常压力范围开启的，均系其内部密封片密封失效导致，应更换安全阀。

2.7 油雾器故障分析

（1） 因减压阀失效或油杯接触有机溶剂，导致油雾器油杯产生龟裂纹，严重的甚至爆裂。

（2）油雾器漏气：未按规范从注油孔加油，直接拆下油杯注油，二次装配不到位；或因密封圈失效。

2.8 继气器和电磁阀的常见故障为内部阀芯卡滞引起的失效

（1）继气器阀芯卡滞，会造成主气路打不开，或者不能完全打开，或者无法关闭；将导致气马达无法起动，或者起动无力，或者气马达起动完成后动力部分仍然空转。

（2）电磁阀阀芯卡滞，导致气马达不工作；或气马达起动后不能正常断气， 导致气马达输出齿轮不回位。

3 正确操作与维护

结合多年的实际应用以及用户的使用反馈，现将正确的操作与维护汇总如下。

3.1 低压气瓶至气马达管路安装正确, 保证管路的匹配

首先应确保管路内径与气马达进气孔内径相匹配；再按图1 顺序将部件按尖头指向进行安装， 特别强调船用减压阀不得远离气马达安装；管路焊接布置好后，焊接处应采用敲击，清除焊接处的内腔异物，用高压风将管路中的异物吹净后再与气马达进气孔对接，以确保管路中的异物不进入气马达中。

3.2 气起动马达起动前的检查

（1）新造船只在柴油机起动前，进行气马达预啮合的检查：将图1 序号5 回路断开，操作电磁阀手动按钮，观察预啮合插齿是否顺畅，一般试验5-10 次。

（2）常规船只起动前，配置叶片式气起动马达时，应检查油雾器内是否有足够的润滑油。 润滑油型号：环境温度高于-10℃时，选用10 号机械油；低于-10℃时选用8 号喷气机润滑油；当船上无对应牌号的润滑油时，可据不同季节加不粘稠的润滑油，确保能达到雾化状态。 但应按图4从注油孔用油壶按最高和最低油位标记注油，不得拆下油杯注油，否则安装不到位时，造成漏气。

图4 油雾器正确注油示意图

3.3 柴油机气马达起动时的正确操作

（1）首先将空气瓶的总阀门完全打开，避免节流，保证气马达瞬间起动时的空气流量；并观察压力表气压的压降是否在正常范围，否则应排查管路管径是否存在过细情况。

（2） 气起动马达起动时间一般为3~5 秒；当按下按钮，柴油机达到点火转速时，应迅速松开，避免长时间起动造成气马达故障。

（3）避免连续二次起动：第一次起动未成功时，必须等柴油机飞轮停稳后，再进行第二次起动。

3.4 气起动系统的正确维护

（1） 继气器在气起动系统中起到关键性作用，因卡滞会造成气马达不同故障，故要求继气器使用3~6 个月后需进行维护保养： 拆检阀芯，清洗，检查密封圈外观是否有拉伤、磨损等。

（2）船用低压气瓶应定期放水，避免气瓶有效容积不足，造成气马达起动无力。

4 结语

气起动系统因预啮合式气起动马达独特的设计，不同于电马达起动，气起动马达在起动瞬间需压缩复位弹簧至设计行程，影响其瞬间起动的主要因素为气压和空气流量，当气压或空气流量产生波动时将导致复位弹簧的轴向窜动，同时也影响到气起动马达的起动能力。无论是气起动系统中管路的不匹配还是继气器阀芯的卡滞，都会影响压缩空气的连续性及稳定性。气起动马达的输出转速与输出扭矩也跟空气流量直接相关，而空气流量又和空气压力有关。任何影响空气压力和空气流量的变化，将直接影响到气起动马达的起动，更加突显了气起动系统管路匹配的重要性。