艦用巡航柴油機(jī)超期運(yùn)行狀態(tài)分析與應(yīng)用

張文波,劉亦敏(.南海艦隊裝備部，廣東 湛江 54005;.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

艦用巡航柴油機(jī)超期運(yùn)行狀態(tài)分析與應(yīng)用

張文波1,劉亦敏2
(1.南海艦隊裝備部，廣東 湛江 524005;2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

文章介紹了艦用巡航柴油機(jī)超期運(yùn)行時其技術(shù)狀態(tài)的評估方法。通過研究其維修需求，分析柴油機(jī)運(yùn)行特點，研究現(xiàn)有的柴油機(jī)狀態(tài)評估方法，并應(yīng)用于分析某船巡航柴油機(jī)的運(yùn)行熱力參數(shù)及油液數(shù)據(jù)，得出柴油機(jī)現(xiàn)有狀態(tài)并提出了對現(xiàn)役巡航柴油機(jī)超期使用的建議。對該型艦船動力系統(tǒng)的使用、柴油機(jī)狀態(tài)在線評估的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

艦船；巡航柴油機(jī)；維修；技術(shù)狀態(tài)；評估

巡航柴油機(jī)是船舶動力系統(tǒng)的主要裝備，一旦柴油機(jī)發(fā)生故障，將可能導(dǎo)致艦船無法正常運(yùn)行甚至癱瘓。柴油機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，由于其包含的系統(tǒng)部件眾多，產(chǎn)生故障的原因錯綜復(fù)雜，因此開展柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估意義重大，也是國內(nèi)外研究的重要課題之一[1-2]，尤其是開展超期運(yùn)行的柴油機(jī)狀態(tài)評估。

MTU公司研發(fā)設(shè)計的高速巡航柴油機(jī)是某型艦船動力系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，該柴油機(jī)具有體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，使用廣泛。依據(jù)該型柴油機(jī)的維修計劃，在使用接近或達(dá)到大修期限后，應(yīng)及時安排柴油機(jī)進(jìn)行大修，但由于目前艦船使用強(qiáng)度、任務(wù)安排、修理周期等原因，存在巡航柴油機(jī)到達(dá)大修期限后，無法及時安排出艙修理，需繼續(xù)運(yùn)行的現(xiàn)象。

本文在充分分析該型柴油機(jī)的運(yùn)行特點、維修說明的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有柴油機(jī)的評估方法，并將歷史維修數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)行熱力參數(shù)的分析、油液信息的分析應(yīng)用于某艦巡航柴油機(jī)的超期狀態(tài)評估上，得出評估結(jié)論并提出了對現(xiàn)役巡航柴油機(jī)超期使用的建議。

1 柴油機(jī)維修說明

1.1維修計劃

MTU柴油機(jī)的維修計劃是預(yù)防性的，MTU公司針對其生產(chǎn)的柴油機(jī)，根據(jù)運(yùn)行時間規(guī)定了其對應(yīng)的維修級別和維修范圍，其維修級別包括W1～W6(大修)級維修，執(zhí)行維修計劃是保證設(shè)備運(yùn)行可靠以及維持較低運(yùn)行和維修費(fèi)用的重要手段。

在MTU柴油機(jī)的維修計劃中，W1～W4為艦員級維修，屬于日常監(jiān)控或周期性的維護(hù)，不需對柴油機(jī)解體。但W5～W6為基地級維修，需將柴油機(jī)部分或全部解體。

其中，W5級與W6級維修的本質(zhì)區(qū)別是：W5級維修汽缸套和活塞連桿組僅作抽查，曲軸和機(jī)體無檢測項目。W6級維修要求柴油機(jī)整體全部拆解，每個部套件均按MTU規(guī)定做細(xì)致檢修，且更換所有的軸承和橡膠密封件，需出艙開展。

1.2確定大修期的主要因素

柴油機(jī)大修是對其完全分解并全面開展檢修的一種維護(hù)及修理。大修期是指兩次大修之間的運(yùn)行間隔時間。MTU公司生產(chǎn)的柴油機(jī)采用強(qiáng)制的預(yù)防性大修方式，根據(jù)可靠性試驗等既定原則規(guī)定發(fā)動機(jī)使用的時限，到了時限即安排大修。

大修期不僅取決于設(shè)計制造水平和材質(zhì)，還取決于使用狀況，同時存在許多不可控因素。在柴油機(jī)領(lǐng)域，對如何確定大修期目前還沒有統(tǒng)一的原則，通常考慮的因素如下：柴油機(jī)故障率曲線、應(yīng)用場合、載荷系數(shù)、曲軸的壽命、發(fā)動機(jī)的最大持續(xù)功率[3-4]。

MTU公司制定柴油機(jī)的大修期主要考慮了以下幾個因素。

1)故障率曲線。在故障率的浴盆曲線中，曲線3個階段的劃分是確定大修期考慮的主要因素。一般而言，將大修期取在穩(wěn)定故障區(qū)和過度磨損區(qū)的轉(zhuǎn)折點，即避免了過度維修，又保證了在大修期內(nèi)的低故障率。

MTU柴油機(jī)即將故障率曲線上的轉(zhuǎn)折點作為時間長度的依據(jù)，保證了在柴油機(jī)的正常運(yùn)行過程中僅有相當(dāng)于故障率曲線中平臺高度的故障率。

2)載荷時間分布。將柴油機(jī)按不同用途分組，每組都有明確的載荷-時間分配模式，然后針對該分配模式制定出不同的大修期，保證了在評定柴油機(jī)的大修期時有相近的載荷標(biāo)準(zhǔn)，制定的大修期值更有指導(dǎo)價值。

3)預(yù)防性維修保養(yǎng)。規(guī)范、嚴(yán)格的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)制度是柴油機(jī)達(dá)到既定大修期的重要保障。MTU公司在規(guī)定柴油機(jī)大修期的同時，還規(guī)定了在各個使用時間段應(yīng)開展的維護(hù)保養(yǎng)項目。

從以上分析可以看出，主柴油機(jī)大修期的確定與故障率曲線、載荷時間分布的選定及前期的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)情況有關(guān)。

2 柴油機(jī)狀態(tài)評估方法

目前國內(nèi)外用于開展船用柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)診斷的主要方法有：無損檢查法、鐵譜分析法、振動聲學(xué)法、參數(shù)法、排氣成分診斷法、感官鑒別法等。

針對柴油機(jī)超期使用的情況，適合于開展?fàn)顟B(tài)評估的方法有以下幾種。

2.1性能參數(shù)監(jiān)控方法

柴油機(jī)性能的變化通常是逐漸積累的過程，必將引起某些性能參數(shù)的變化。因此對柴油機(jī)各有關(guān)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)或間斷性測量、記錄和分析處理，可以分析判斷某些故障發(fā)生的原因，同時對柴油機(jī)進(jìn)行故障趨勢的預(yù)報。

與曲軸軸承組件性能相關(guān)的參數(shù)有滑油壓力、滑油溫度和滑油品質(zhì)等。與缸套活塞組件性能相關(guān)的參數(shù)有汽缸冷卻水壓力及進(jìn)出口溫度、排氣溫度等。此外，柴油機(jī)功率、燃油消耗率等則與主機(jī)整體運(yùn)轉(zhuǎn)性能相關(guān)[5]。

2.2振動信號分析法

柴油機(jī)在工作時不可避免將產(chǎn)生振動，內(nèi)部零部件的性能、狀態(tài)信息會通過特定的傳遞路徑反映到表面的振動信號中。柴油機(jī)依據(jù)振動信號中包含的振源信息及系統(tǒng)狀態(tài)等提取狀態(tài)信息。故在不解體情況下，利用振動信號對柴油機(jī)進(jìn)行診斷是行之有效的方法。

2.3瞬時轉(zhuǎn)速分析法

柴油機(jī)曲軸的瞬時轉(zhuǎn)速波動信號反映了柴油機(jī)各缸的工作狀態(tài)及均勻性。正常工況下，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，各缸的動力性能基本一致，各缸的瞬時轉(zhuǎn)速雖略有差異，但其波動總在一個較小的范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)出某種規(guī)律性；但當(dāng)某個汽缸工作出現(xiàn)異常時，其動力一致性被破壞，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性變差，轉(zhuǎn)速波動信號會發(fā)生嚴(yán)重變形，據(jù)此可以判斷缸內(nèi)工作的狀態(tài)[5]。

2.4油液分析診斷法

用油液監(jiān)測技術(shù)定期或連續(xù)監(jiān)測循環(huán)流動的滑油狀況，可獲取摩擦磨損運(yùn)動副的狀態(tài)信息，根據(jù)磨損規(guī)律及耗損期，可判斷機(jī)械故障，預(yù)測部件的剩余壽命。

常用的油液監(jiān)測方法有2類：一類是光譜和鐵譜監(jiān)測技術(shù)，主要是監(jiān)測油液中不溶性固體顆粒的含量、成分、元素、顆粒形態(tài)和尺寸分布，據(jù)此判斷設(shè)備磨損部位及嚴(yán)重程度；另一類是理化性能分析，通過監(jiān)測油液物理、化學(xué)特性及污染程度的變化，分析柴油機(jī)的故障趨勢[6]。

3 狀態(tài)分析方法應(yīng)用

本章節(jié)以某型艦船為例，詳細(xì)敘述在不解體巡航柴油機(jī)的前提下，如何分析柴油機(jī)超期運(yùn)行后的狀態(tài)。

3.1熱力參數(shù)分析

表1為該船主柴油機(jī)在超過大修時限后運(yùn)行時的熱力參數(shù)，并以此為例對該柴油機(jī)在超期運(yùn)行后的狀態(tài)進(jìn)行分析。

表1 某主柴油機(jī)在某轉(zhuǎn)速下的熱力參數(shù)

經(jīng)分析表1，可以看出以下2點。

1)2臺巡航柴油機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常波動。從不同轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)來看，暫時未出現(xiàn)性能明顯下降。

2)左機(jī)熱負(fù)荷較大，且左機(jī)的機(jī)械螺距可能略大于右機(jī)。從最后一組運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，左機(jī)活塞冷卻油壓力明顯偏低，離觸發(fā)監(jiān)控報警余量已不多。故障可能由以下原因引起：①較長時間未清洗活塞冷卻油濾器，滑油流阻變大造成油壓較低；②機(jī)內(nèi)已有異常磨損，滑油存在污染，導(dǎo)致濾器快速污堵引起活塞冷卻油壓力下降。

3.2油液診斷分析

該船巡航柴油機(jī)半年內(nèi)4次油液化驗、光譜分析的結(jié)果，如表2所示。

表2 某巡航柴油機(jī)油液數(shù)據(jù)

從主柴油機(jī)及液力偶合器油液光譜數(shù)據(jù)可以看出，主機(jī)油液光譜分析中銅元素含量超標(biāo)，可能由以下原因?qū)е拢孩龠B桿小端襯套存在磨損征兆；②進(jìn)排氣搖臂軸承襯套存在磨損征兆；③機(jī)帶滑油泵軸承襯套存在磨損征兆。

硅元素含量超標(biāo)，可能是因為液力偶合器中有砂子，建議清洗液力偶合器網(wǎng)片式濾器。

4 結(jié)束語

經(jīng)過以上對修理數(shù)據(jù)、運(yùn)行情況及監(jiān)測信息的分析，可看出該船巡航柴油機(jī)性能參數(shù)無明顯下降，在后續(xù)的使用中，建議注意以下事項。

1)減少啟動次數(shù)，降低負(fù)載。

2)避免急加速。進(jìn)車時應(yīng)逐級進(jìn)車，盡量避免高速時打滿舵。

3)柴油機(jī)啟動后應(yīng)充分暖機(jī)。待油溫、水溫度升至60 ℃，再加載加速。

4)建議檢查該船左主機(jī)活塞冷卻油濾器并進(jìn)行清洗，并檢查滑油控制閥。同時，建議清洗主機(jī)液力偶合器網(wǎng)片式濾器。

超維護(hù)保養(yǎng)期限運(yùn)行柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)，涉及艦船航行安全，成為使用方關(guān)心的主要問題。柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評估還有很多方法，如振動分析、曲軸瞬時轉(zhuǎn)速監(jiān)測等，但該船主機(jī)為高速機(jī)，很多方法目前尚未應(yīng)用于工程實際中。故本文研究了主柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估的方法，針對已有數(shù)據(jù)，對目前柴油機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行了分析，并為后續(xù)柴油機(jī)的超期運(yùn)行提出了可操作的建議。

[1] 丁建軍. 艦船柴油機(jī)綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)的實現(xiàn)[D]. 南京：江蘇科技大學(xué),2007.

[2] 梁前超. 艦船柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評定綜述[J].中國修船,2008,21(4):20-23.

[3] 陸威崙. 現(xiàn)代船用柴油機(jī)特性曲線的研討[J]. 柴油機(jī),2005,27(4):15-20.

[4] 陸威崙. 關(guān)于柴油機(jī)大修期確定的探討[J].柴油機(jī),2012,34(1):37-41.

[5] 余永華. 船舶柴油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速和熱力參數(shù)監(jiān)測診斷技術(shù)研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué), 2007.

[6] 劉東風(fēng),孫怡. 艦用主柴油機(jī)機(jī)油監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用[J].柴油機(jī),2003(3):17-20.

In this paper,the methods of technical state evaluation are presented for cruised diesel engine operating over repair period.After researching the maintenance demand and analyzing its operating features,methods of state evaluation are proposed,which are used to analyze the thermal parameters and oil data of the diesel engine.Through analysis,the conclusion and suggestions are provided for the cruise diesel engine operating over repair period.These researches provide the foundation for the operation of dynamics system and the online evaluation of diesel engine.

ship;cruise diesel engine;maintenance;technical state;evaluation

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.009

張文波(1981-)，男，湖北仙桃人，工程師，博士，主要從事船舶維修保障工作。

2015-08-19