船用柴油機(jī)故障診斷技術(shù)研究

中國人民武裝警察部隊(duì)海警學(xué)院 浙江寧波 315801

1 船用柴油機(jī)概述

船用柴油機(jī)是船舶的心臟,是保證船舶正常航行的動(dòng)力源。船用柴油機(jī)由配氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)速換向裝置和操縱系統(tǒng)等組成,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件種類繁多,裝配關(guān)系具有一定的邏輯性,性能好壞直接影響船舶航行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。特別是從事遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)拇?由于工作條件特殊,海上航行時(shí)間較長,一旦船用柴油機(jī)發(fā)生故障,不能及時(shí)進(jìn)行處理,就有可能引發(fā)航行事故,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致船舶喪失航行能力,威脅到全船人員的安全。

2 故障原因

船用柴油機(jī)在使用過程中會(huì)發(fā)生各種故障,引發(fā)故障的原因多種多樣。對故障原因進(jìn)行分類,大致可以分為三類。

2.1 材料結(jié)構(gòu)

船用柴油機(jī)在研發(fā)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷,零部件選材不合理,在長時(shí)間的工作運(yùn)轉(zhuǎn)中,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)位,零部件材料磨損嚴(yán)重,造成故障。例如,活塞對工作條件要求嚴(yán)格,如果活塞裙沒有制造為橢圓形或銷座附件表面沒有剜去部分金屬,那么燃燒室內(nèi)銷座孔周圍金屬將受熱膨脹,在側(cè)推力和燃?xì)鈮毫Φ墓餐饔孟?活塞裙部容易發(fā)生變形,導(dǎo)致活塞與氣缸套強(qiáng)烈摩擦,嚴(yán)重時(shí)會(huì)卡死在氣缸套中。

2.2 裝配工藝

船用柴油機(jī)在裝配時(shí),各零部件的安裝間隙必須在要求范圍內(nèi),并盡量減小誤差。例如,某國產(chǎn)V型6缸柴油機(jī)的進(jìn)氣閥間隙為0.3 mm,排氣閥間隙為0.5 mm,在調(diào)整氣閥間隙時(shí),如果氣閥間隙過大,那么在柴油機(jī)運(yùn)行過程中不僅影響燃燒效果,降低柴油機(jī)效率,而且會(huì)使柴油機(jī)燃燒環(huán)境惡化,甚至出現(xiàn)停機(jī)等故障。

2.3 維護(hù)管理

預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)是提高船用柴油機(jī)工作性能、延長使用壽命和降低運(yùn)營成本的關(guān)鍵,無論進(jìn)行何種維護(hù),都要按照一定的操作流程,有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行拆檢和安裝,并合理地使用工具,保持零部件表面清潔。例如,在清洗通氣管內(nèi)的濾芯時(shí),正確的操作流程是先將機(jī)體門蓋板加油管中的油芯取出,放在柴油或汽油中清洗吹凈,浸上機(jī)油后再安裝。如果工作人員不熟悉保養(yǎng)和檢修流程,或者違反保養(yǎng)規(guī)程,將油芯放在日用淡水中清洗,或最后沒有浸機(jī)油,都會(huì)影響船用柴油機(jī)的工作可靠性,最終導(dǎo)致船用柴油機(jī)損壞。

3 傳統(tǒng)故障診斷方法

船用柴油機(jī)發(fā)生故障前,通常會(huì)有一些預(yù)兆和異常表現(xiàn)。因此,針對船用柴油機(jī)各種壓力、溫度超過或低于正常值,船用柴油機(jī)冒黑煙,軸系出現(xiàn)異常振動(dòng),曲軸箱、燃燒室發(fā)出尖銳聲響等情況,如果不及時(shí)查明原因,并在第一時(shí)間排除,那么可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重事故。

3.1 觀察法

觀察船用柴油機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)在工作過程中呈現(xiàn)的各種現(xiàn)象,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參數(shù)表判斷柴油機(jī)是否發(fā)生故障,故障發(fā)生的原因和部位,及時(shí)排除,保證船用柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),不影響船舶的航行安全。例如,在船用柴油機(jī)起動(dòng)前及運(yùn)行過程中,按時(shí)觀察設(shè)備是否出現(xiàn)漏油、漏水現(xiàn)象,燃油、潤滑油和冷卻水的液位是否在規(guī)定范圍內(nèi),柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行壓力和燃燒室溫度是否出現(xiàn)大范圍波動(dòng)或驟降驟增現(xiàn)象。如果船用柴油機(jī)冒白煙,說明有大量水分混入排煙系統(tǒng)中,可能是燃燒室密封不嚴(yán),氣缸漏水導(dǎo)致。如果船用柴油機(jī)冒藍(lán)煙,那么可能是油環(huán)磨損失效,氣環(huán)加劇泵油,導(dǎo)致潤滑油進(jìn)入氣缸。

3.2 聽診法

船用柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的聲響具有一定的規(guī)律性,通常為均勻、有節(jié)奏的排氣聲和輕微的噪聲。當(dāng)船用柴油機(jī)零部件磨損嚴(yán)重,配合間隙超過安全范圍或相關(guān)零部件出現(xiàn)錯(cuò)位時(shí),機(jī)器設(shè)備就會(huì)發(fā)出異響。通過船用柴油機(jī)發(fā)出的異響聲可以判斷發(fā)生故障的原因和位置。也可以應(yīng)用金屬棒在船用柴油機(jī)外殼部位進(jìn)行敲擊,判斷氣缸內(nèi)的燃燒狀況和設(shè)備的運(yùn)行特征,及時(shí)采取有效措施。如果聽到氣缸外壁嚴(yán)重的撞擊聲,那么可能是活塞和氣缸套的配合間隙過大。如果排氣閥出現(xiàn)異常聲響,那么表明排氣閥和活塞發(fā)生了碰撞,氣閥無法正常關(guān)閉,應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行維修檢查。

3.3 嗅聞及觸摸法

機(jī)器漏油或設(shè)備部件燒焦都會(huì)發(fā)出刺鼻的味道,因此可以利用嗅聞法判斷船用柴油機(jī)是否存在故障。例如,絕緣材料受熱燃燒后會(huì)散發(fā)焦臭味,潤滑油嚴(yán)重老化后會(huì)散發(fā)酸性刺激氣味。

船用柴油機(jī)各部位的溫度直接反映工作狀態(tài),可以通過觸摸管道和氣缸外壁判斷設(shè)備的運(yùn)行溫度是否超標(biāo)。例如,在起動(dòng)空氣管、曲拐箱導(dǎo)門蓋等位置,均可以使用觸摸法,加強(qiáng)對船用柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的檢查,以保障船用柴油機(jī)高效運(yùn)行。

3.4 熱力分析法

通過對氣缸壓力示功圖、進(jìn)出水口溫度、潤滑油溫度、排氣溫度等熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究分析,判斷柴油機(jī)的工作狀態(tài)是否正常、穩(wěn)定。在熱力分析法中,壓力示功圖是首選參數(shù),反映了氣缸內(nèi)氣體壓力隨時(shí)間的變化情況[1],可以通過直接測錄法或間接測錄法獲得。通過對示功圖進(jìn)行計(jì)算分析,得到壓力升高率、指示功、壓縮壓力等,以此判斷各缸的燃燒質(zhì)量和工作狀況,實(shí)現(xiàn)對船用柴油機(jī)的有效監(jiān)測。

3.5 振動(dòng)分析法

通過測量船用柴油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號,判斷船用柴油機(jī)氣缸、活塞、主軸承及氣閥等各零部件的狀態(tài),完成對船用柴油機(jī)的故障檢測和排查[2]。首先選擇高靈敏度傳感器和二次放大儀表完成對船用柴油機(jī)信息的全面準(zhǔn)確采集,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信號分析,獲取直接、敏感的特征參數(shù),最后結(jié)合柴油機(jī)制造、維修經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等對特征參數(shù)進(jìn)行分析,以此診斷船用柴油機(jī)的性能,解決船用柴油機(jī)存在的故障,并預(yù)測船用柴油機(jī)的工作狀態(tài)。

3.6 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法

觀察瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號,依據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),快速獲取船用柴油機(jī)的故障信息。這一方法的不足之處是雖然可以準(zhǔn)確無誤地判斷出船用柴油機(jī)的狀態(tài),查找出故障,但是無法準(zhǔn)確判斷故障原因。

3.7 油液分析法

船用柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,各個(gè)運(yùn)動(dòng)副不可避免地會(huì)發(fā)生磨損,個(gè)別零部件在長期運(yùn)行中,產(chǎn)生的鐵屑和微粒還會(huì)落入潤滑油中。利用鐵譜和光譜分析法對潤滑油中的金屬含量進(jìn)行測定,判斷船用柴油機(jī)零部件的磨損程度,以免影響船舶的正常航行[3]。光譜法的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確測量出潤滑油中的金屬含量,但對磨損的形狀和類型則難以判定。鐵譜法的優(yōu)點(diǎn)是能夠了解金屬微粒的成分、大小和磨損類型,缺點(diǎn)是缺乏對有色金屬的分辨能力。可見,為更加準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷,可以綜合應(yīng)用光譜法和鐵譜法對船用柴油機(jī)進(jìn)行檢測。

4 故障處理

4.1 排煙氣溫過高

如果船用柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)排煙氣溫過高的情況,那么需要判斷是單個(gè)氣缸排煙氣溫過高還是所有氣缸均出現(xiàn)這種現(xiàn)象。如果全部氣缸都存在排煙氣溫過高的情況,那么大概率是透平前格柵和透平葉輪臟污,導(dǎo)致無法正常進(jìn)氣,或者鍋爐結(jié)垢嚴(yán)重,發(fā)生堵塞,排氣受阻。如果是單個(gè)氣缸出現(xiàn)排煙氣溫過高,那么可能是氣缸排氣裝置出現(xiàn)破損,活塞密封失效,或氣口堵塞等[4]?？梢酝ㄟ^拆檢清潔零部件,或定期對鍋爐進(jìn)行除垢,及時(shí)更換氣封等零部件,保證設(shè)備正常運(yùn)行。

4.2 柴油機(jī)拉缸

船用柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)振動(dòng)突然加劇,出現(xiàn)“噠噠”的異常聲響,轉(zhuǎn)速下降,功率減小,冷卻水溫度及潤滑油溫度顯著升高,曲軸箱通氣口等處開始冒煙,并產(chǎn)生油焦味等,基本可以判斷船用柴油機(jī)出現(xiàn)了拉缸故障[5]。拉缸的本質(zhì)是氣缸表面黏著磨料或活塞、活塞環(huán)、氣缸壁之間沒有形成潤滑油膜,在工作表面上產(chǎn)生平行于氣缸軸線的拉痕和黏著磨損。造成拉缸的原因十分復(fù)雜,可以通過以下方法予以解決:① 補(bǔ)充高質(zhì)量的氣缸潤滑油;② 對潤滑油系統(tǒng)進(jìn)行清理,減少雜質(zhì);③ 增大冷卻水泵排出壓力,清除冷卻水腔內(nèi)的銹蝕或臟污;④ 更換活塞和氣缸套后,在加大負(fù)荷運(yùn)行前要保證充分磨合;⑤ 按時(shí)清除活塞環(huán)積碳,及時(shí)更換活塞環(huán)。

4.3 冷卻系統(tǒng)故障

冷卻水溫度是影響船用柴油機(jī)工作的重要熱工參數(shù),冷卻系統(tǒng)能夠控制冷卻水溫度在合理的范圍內(nèi),以免影響柴油機(jī)正常工作。水溫過低,會(huì)使柴油機(jī)過多散發(fā)熱量,導(dǎo)致空氣和燃油的混合效果不佳,燃燒質(zhì)量不高,降低熱效率。水溫過高,會(huì)導(dǎo)致燃燒室溫度升高,活塞環(huán)過度膨脹,加劇與缸套之間的磨損,還會(huì)加快潤滑油的老化。因此,當(dāng)冷卻系統(tǒng)水量不足時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充,并加強(qiáng)對水泵和散熱器等關(guān)鍵設(shè)備的檢修。另一方面,定期安排工作人員對冷卻系統(tǒng)管道進(jìn)行除垢,以免發(fā)生堵塞,影響冷卻系統(tǒng)的正常循環(huán)。

4.4 氣缸套穴蝕

船舶正常航行時(shí),活塞在氣缸內(nèi)做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng),不可避免地會(huì)對氣缸施加側(cè)推力,致使氣缸套產(chǎn)生振動(dòng),與氣缸套直接接觸的冷卻水在氣缸套的帶動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生大量氣泡或空泡[6]。當(dāng)這些氣泡或空泡炸裂時(shí),會(huì)對氣缸套產(chǎn)生沖擊,導(dǎo)致氣缸套表面剝落,形成蜂窩狀小孔。穴蝕是濕式氣缸套常見的一種失效形式,也是船用柴油機(jī)使用過程中存在的較為普遍和突出的問題,嚴(yán)重影響柴油機(jī)的性能和使用壽命。針對氣缸套穴蝕問題,可以通過四種方法進(jìn)行解決:① 加注冷卻水時(shí),盡量選用干凈、無污染的水源;② 采用閉式冷卻方法,保持冷卻水溫度恒定;③ 在冷卻水流入冷卻腔之前,對冷卻水進(jìn)行軟化,或在缸體外層通過鍍鉻、滲透等方法做好防護(hù);④ 按時(shí)對燃燒室的積炭進(jìn)行清理,防止柴油機(jī)工況惡化,避免氣缸套振動(dòng)加劇。

4.5 滑動(dòng)軸承故障

滑動(dòng)軸承承擔(dān)較大的力,船舶在機(jī)動(dòng)航行過程中,柴油機(jī)需要頻繁加減速,導(dǎo)致無法建立均勻的潤滑油膜,使滑動(dòng)軸承產(chǎn)生磨損、膠合、腐蝕、裂紋、疲勞剝落及軸瓦燒熔等故障[7]。在裝配滑動(dòng)軸承時(shí),必須按照正確的操作流程進(jìn)行,并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。需要選用質(zhì)量好、規(guī)格高的潤滑油,并定期進(jìn)行檢查和更換,防止?jié)櫥屠匣?確保軸承表面形成良好的潤滑。另外,盡量降低柴油機(jī)頻繁起運(yùn)率,避免超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),并不定時(shí)對滑動(dòng)軸承間隙進(jìn)行檢查,及時(shí)調(diào)整至要求范圍內(nèi)[9]。

5 故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢

目前,船用柴油機(jī)故障診斷技術(shù)正處于高速發(fā)展期,隨著自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)在柴油機(jī)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用,船用柴油機(jī)故障診斷技術(shù)呈現(xiàn)出三大發(fā)展趨勢。

5.1 專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合

專家系統(tǒng)是一種智能化數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)[10],在長期大量船用柴油機(jī)故障診斷經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,模擬專家思維對船用柴油機(jī)進(jìn)行故障診斷分析。專家系統(tǒng)雖然具有較高的診斷效率和診斷水平,但是也存在一些弊端,如很難對非線性問題和多要素故障做出有效判斷[11]。因此,專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合成為了船用柴油機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具備的非線性映射能力可以很好地應(yīng)對船用柴油機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng),彌補(bǔ)專家系統(tǒng)的缺陷,實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)[12]。

5.2 一體化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展與日漸完善,船用柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)與航運(yùn)公司辦公系統(tǒng)相連,航運(yùn)公司相關(guān)負(fù)責(zé)人可以隨時(shí)查看船用柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),將暫時(shí)無法解決的故障直接傳輸至船用柴油機(jī)故障診斷專家,得到解決方案后,再反饋至在正在海上航行的工作人員。也可以通過視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo),及時(shí)清除故障,解決問題[13]。另外,通過研發(fā)專用程序,將故障診斷系統(tǒng)裝入輪機(jī)人員的移動(dòng)電話中,突破場所和距離的限制,使輪機(jī)人員可以隨時(shí)隨地了解船用柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性,接收到船用柴油機(jī)故障預(yù)警時(shí),可以在第一時(shí)間進(jìn)行處理。

5.3 智能化

專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊診斷等故障診斷技術(shù)雖然可以很好地完成對船用柴油機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,但是與智能化還有一定的距離,還達(dá)不到智能化診斷的要求[14]。隨著船舶工業(yè)的迅速發(fā)展,船用柴油機(jī)智能化故障診斷必然會(huì)成為新的發(fā)展方向,不僅可以應(yīng)對船用柴油機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境和各種惡劣海況,而且可以預(yù)測故障隱患,及早發(fā)現(xiàn)故障,從根源上杜絕故障的發(fā)生[15]。同時(shí),對于已經(jīng)發(fā)生的故障,可以提供智能化維修方案,縮短維修時(shí)間,提高維修質(zhì)量,有力保障船舶安全與高效營運(yùn)。

6 結(jié)束語

船舶是海上運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ?在世界貿(mào)易往來中發(fā)揮著不可替代的作用。船用柴油機(jī)作為船舶的動(dòng)力來源,一旦發(fā)生故障,將嚴(yán)重影響船舶的正常航行。因此,必須不斷加大創(chuàng)新研發(fā)力度,積極探索和發(fā)展船用柴油機(jī)故障診斷技術(shù),做好船用柴油機(jī)的故障診斷工作,為發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)。