艦船柴油機(jī)性能試驗(yàn)總體技術(shù)分析與探討

王利偉，崔志文，陳 博

應(yīng)用研究

艦船柴油機(jī)性能試驗(yàn)總體技術(shù)分析與探討

王利偉1，崔志文2，陳 博3

（1.91404部隊(duì)，河北秦皇島 066001；2. 92555部隊(duì)，上海 200439；3. 海軍駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913）

在分析國(guó)內(nèi)艦船柴油機(jī)性能試驗(yàn)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了艦船柴油機(jī)性能驗(yàn)證試驗(yàn)與性能鑒定試驗(yàn)的一體化策略；研究了重點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目總體技術(shù)層面的考核要素，以及試驗(yàn)準(zhǔn)備、安全管理和裝備保障要求、旨在為提升艦船柴油機(jī)整機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)芰μ峁﹨⒖肌?/p>

動(dòng)力裝置 艦船柴油機(jī) 性能試驗(yàn)

0 引言

目前絕大多數(shù)艦船采用柴油機(jī)，艦用柴油機(jī)是常規(guī)艦船動(dòng)力的主體，通常作為推進(jìn)主機(jī)或發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)裝備批量大，應(yīng)用范圍廣，經(jīng)濟(jì)性好，其技術(shù)性能直接影響艦船整體技術(shù)水平和使用性能。為提高試驗(yàn)效益，避免重復(fù)投入，合理區(qū)分工作界面，確保數(shù)據(jù)采集的一貫性和延續(xù)性，進(jìn)一步充分檢驗(yàn)驗(yàn)證其柴油機(jī)整機(jī)的性能，需在科研場(chǎng)地提前開展相關(guān)試驗(yàn)和測(cè)試評(píng)估，性能試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)照研制總要求的全部要求，考核各項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)度。

1 柴油機(jī)性能試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

我國(guó)艦船柴油機(jī)經(jīng)歷了“引進(jìn)研仿”到“自行研制”，再到“引進(jìn)國(guó)產(chǎn)化”的三種發(fā)展模式，截至目前形成了兩代艦船柴油機(jī)動(dòng)力。第一代艦用柴油機(jī)是上世紀(jì)五、六十年代研仿前蘇聯(lián)和六、七十年代國(guó)內(nèi)自行研制的艦用柴油機(jī)，這些動(dòng)力裝備的研制生產(chǎn)滿足了我海軍第一代艦船及其后續(xù)艦艇的建造需求；第二代艦用柴油機(jī)是指二十世紀(jì)七十年代末開始從德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家引進(jìn)生產(chǎn)許可證技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)的艦船柴油機(jī)，保障了近期艦船裝備的研制。

現(xiàn)役艦船柴油機(jī)均為引進(jìn)生產(chǎn)許可證技術(shù)，國(guó)外只提供了整機(jī)磨合試驗(yàn)規(guī)范，而我國(guó)在進(jìn)行引進(jìn)機(jī)消化吸收工作時(shí)，并沒有開展柴油機(jī)主要零部件平臺(tái)可靠性考核以及整機(jī)磨合試驗(yàn)、可靠性考核試驗(yàn)等規(guī)范的研究，因此到目前為止，我們都沒有相應(yīng)的試驗(yàn)考核規(guī)范[1]。動(dòng)力裝置國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ绞请S艦船平臺(tái)一起進(jìn)行試驗(yàn)；而在新模式下，動(dòng)力裝置試驗(yàn)早于系統(tǒng)的試驗(yàn)，在動(dòng)力裝置未裝艦前就開展性能試驗(yàn)。隨著柴油機(jī)國(guó)產(chǎn)化的研制，必須同步在此階段從試驗(yàn)角度考慮裝備的檢驗(yàn)與考核，切實(shí)起到把住關(guān)口的作用。

2 柴油機(jī)性能試驗(yàn)總體策略

柴油機(jī)性能試驗(yàn)階段的基本策略是，對(duì)照研制總要求的全部性能指標(biāo)，具體分析每個(gè)指標(biāo)的考核條件，盡可能模擬實(shí)船使用條件，主要采用試驗(yàn)考核方式，在科研試驗(yàn)場(chǎng)地或者第三方有資質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行考核[2]。對(duì)于性能驗(yàn)證試驗(yàn)中已經(jīng)充分驗(yàn)證的指標(biāo)，可視情采信性能驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需記錄柴油機(jī)各項(xiàng)性能驗(yàn)證試驗(yàn)的全過程功能性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由相關(guān)資質(zhì)單位認(rèn)定并通過檢驗(yàn)驗(yàn)收；部分不具備實(shí)際條件開展的性能試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)提供相應(yīng)的計(jì)算、仿真分析文件，組織專家評(píng)估合理性。部分試驗(yàn)本階段不具備完全考核的條件，僅進(jìn)行部分考核，其余部分進(jìn)行跨階段考核。具體試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示：

圖1 艦用柴油機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)圖

3 試驗(yàn)總體技術(shù)研究

3.1 測(cè)試類試驗(yàn)分析

對(duì)照柴油機(jī)頂層設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)考核要求，開展典型環(huán)境下性能、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和邊界性能鑒定試驗(yàn)。典型環(huán)境下性能鑒定試驗(yàn)需開展的試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括性能試驗(yàn)和通用質(zhì)量特性試驗(yàn)等。充分摸清柴油機(jī)在復(fù)雜環(huán)境條件下的性能底數(shù)，構(gòu)建復(fù)雜自然環(huán)境、電磁環(huán)境、沖擊環(huán)境等復(fù)雜環(huán)境。圍繞艦船柴油機(jī)實(shí)際使用過程中關(guān)注的邊界性能以及出現(xiàn)的問題，設(shè)置性能邊界試驗(yàn)。

3.2 關(guān)于修正類試驗(yàn)技術(shù)研究

試驗(yàn)環(huán)境狀況不同于標(biāo)準(zhǔn)基本狀況或標(biāo)定功率下的環(huán)境狀況，若柴油機(jī)試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境狀況與標(biāo)定環(huán)境條件不符時(shí)，須對(duì)柴油機(jī)功率、燃油消耗率、滑油消耗率等進(jìn)行修正。

1）柴油機(jī)燃油消耗率測(cè)定試驗(yàn)：根據(jù)CB/T 4147-2011《船用柴油機(jī)燃油消耗率測(cè)定方法》，對(duì)燃油消耗率進(jìn)行修正計(jì)算。

2）排氣煙度測(cè)定試驗(yàn)：當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境條件不滿足標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境時(shí)，按GB/T21404-2008《內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的確定和測(cè)量方法一般要求》進(jìn)行修正。

3）推進(jìn)特性試驗(yàn)：當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)氣溫度與功率標(biāo)定環(huán)境條件規(guī)定不一致時(shí)，按照環(huán)境進(jìn)氣溫度功率修正曲線進(jìn)行修正。

4）負(fù)荷特性試驗(yàn)：當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境條件與功率標(biāo)定環(huán)境條件規(guī)定不一致時(shí)，按照環(huán)境進(jìn)氣溫度功率修正曲線進(jìn)行修正。

3.3 計(jì)算評(píng)估類試驗(yàn)技術(shù)研究

柴油機(jī)搖擺、傾斜、環(huán)境溫度、進(jìn)氣溫度、海水溫度、相對(duì)濕度、安裝傾斜角等環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)，以及備件滿足率、備件利用率等保障性指標(biāo)，在性能試驗(yàn)階段內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)可能不具備充分考核條件，需要結(jié)合部分內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)開展仿真計(jì)算評(píng)估，因此，需要開展柴油機(jī)環(huán)境適應(yīng)性、保障性等指標(biāo)的仿真計(jì)算和評(píng)估技術(shù)研究。

3.4 第三方計(jì)算驗(yàn)證

對(duì)在實(shí)裝上無法驗(yàn)證（如總體性能）或尚未完全解決（如軸瓦和活塞環(huán)）的關(guān)鍵技術(shù)及零部件，在試驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，引入第三方計(jì)算進(jìn)行校核（如下表2）。

表2 第三方計(jì)算清單

3.5 定性指標(biāo)要求研究

柴油機(jī)定性要求主要對(duì)其設(shè)計(jì)、工藝、軟件及其他方面提出非量化要求，如采用可靠性和技術(shù)成熟度、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)、關(guān)重件設(shè)計(jì)驗(yàn)證、軟件可靠性設(shè)計(jì)、維修空間設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)、維修可達(dá)性設(shè)計(jì)、維修安全分析設(shè)計(jì)、安裝互換和功能互換、柴油機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)、重要信號(hào)的冗余設(shè)計(jì)、傳感器選型、安全性防護(hù)、管路防火設(shè)計(jì)、零部件材料選型等。如圖2所示。

圖2 定性指標(biāo)要求分析圖

4 試驗(yàn)全流程分析控制

4.1 試驗(yàn)前的分析控制

4.1.1前期資料消化吸收

試驗(yàn)前需向承試單位提供以下五方面的資料，分別為研制立項(xiàng)批復(fù)、試驗(yàn)總案、技術(shù)要求等項(xiàng)目總體文件；樣機(jī)性能試驗(yàn)大綱、樣機(jī)試驗(yàn)報(bào)告、階段評(píng)估、轉(zhuǎn)階段研制工作總結(jié)等性能驗(yàn)證文件；裝機(jī)方案及裝機(jī)件明細(xì)表、裝配檢驗(yàn)記錄、裝機(jī)傳感器計(jì)量和檢驗(yàn)證明、試驗(yàn)臺(tái)位和儀器儀表清單及檢定證書等質(zhì)量證明文件；柴油機(jī)總圖、使用說明書、維修手冊(cè)、圖冊(cè)等技術(shù)文件；對(duì)試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則、試驗(yàn)操作規(guī)程、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)管理要求、試驗(yàn)系統(tǒng)保障方案等性能鑒定文件。

4.1.2建立試驗(yàn)備件清單

結(jié)合前期摸底試驗(yàn)及驗(yàn)證試驗(yàn)情況，對(duì)整機(jī)易損易耗件、影響整機(jī)運(yùn)行的主要零部件庫(kù)存保有量提出需求，為保障試驗(yàn)順利開展，建立備品備件清單。

4.1.3測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)

為保證試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效，提出規(guī)范測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)需求，對(duì)校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器、校準(zhǔn)方法等內(nèi)容進(jìn)行查驗(yàn)，并針對(duì)校準(zhǔn)證書和校準(zhǔn)原始記錄兩部分進(jìn)行核對(duì)。

4.1.4承試單位的培訓(xùn)

了解整機(jī)對(duì)外接口關(guān)系，熟悉輔助系統(tǒng)基本操作、開機(jī)流程、操機(jī)人員試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作、操機(jī)及試驗(yàn)后的操作步驟，保障任務(wù)安全有序進(jìn)行。

4.2 試驗(yàn)中分析控制

為了避免重復(fù)試驗(yàn)，采取試驗(yàn)相互結(jié)合的開展方式，例如安全性溫度測(cè)量、振動(dòng)、噪聲結(jié)合功率標(biāo)定試驗(yàn)開展。

船舶推進(jìn)特性試驗(yàn)和負(fù)荷特性試驗(yàn)開展在不同占比的持續(xù)功率的工況點(diǎn)下測(cè)定各項(xiàng)主要性能參數(shù)值，燃油消耗率測(cè)定、各缸工作均勻性、排氣煙度測(cè)定、NOx排放測(cè)量等試驗(yàn)時(shí)，各工況點(diǎn)試驗(yàn)可結(jié)合推進(jìn)用柴油機(jī)推進(jìn)特性試驗(yàn)或發(fā)電用柴油機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)一并進(jìn)行；標(biāo)定功率穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)柴油機(jī)在額定工況下連續(xù)運(yùn)行4 h，110%工況下連續(xù)運(yùn)行1 h，安全性測(cè)試可結(jié)合此試驗(yàn)進(jìn)行；滑油消耗率測(cè)定試驗(yàn)中柴油機(jī)起動(dòng)后，盡快開至規(guī)定的額定工況，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間4 h以上，整機(jī)振動(dòng)和噪聲測(cè)量試驗(yàn)結(jié)合滑油消耗率測(cè)定試驗(yàn)進(jìn)行。

4.3 試驗(yàn)后分析控制

4.3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

依據(jù)相關(guān)國(guó)軍標(biāo)、海軍標(biāo)中規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)各試驗(yàn)項(xiàng)目中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.3.2故障梳理與分析

對(duì)前期發(fā)生故障進(jìn)行全面梳理，尤其是關(guān)重件故障的原因分析定位、機(jī)理描述、故障復(fù)現(xiàn)、試驗(yàn)補(bǔ)充驗(yàn)證等進(jìn)行深入分析，避免此類故障重復(fù)出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

艦船動(dòng)力裝置比艦船動(dòng)力系統(tǒng)的試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)在于，大部分試驗(yàn)可以在性能階段在陸上開展與策劃，可以提前策劃性能或者效能方面的考核。目前國(guó)內(nèi)研制的動(dòng)力裝置新型號(hào)，性能提高的基礎(chǔ)上，實(shí)際就是機(jī)體本身承受的壓力、溫度、振動(dòng)的幅度與頻次等都在相應(yīng)提高，為了提高動(dòng)力裝置的可靠性，對(duì)設(shè)備配套廠在新材料和加工工藝上提出更高的要求。根據(jù)提升的指標(biāo)要求，需要前期總體策劃和方案設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)考慮各種影響因素，制訂合理的實(shí)施方案，把住試驗(yàn)的關(guān)口對(duì)裝備好用頂用顯得尤為重要。

[1] 敖晨陽, 徐飛, 霍柏奇. 國(guó)外艦船柴油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2013, 35（12）: 1-5.

[2] 曾凡明, 吳家明, 龐之洋.艦船動(dòng)力裝置原理[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009.

The General Technical Analysis and Discussion on Performance Test of Marine Diesel Engine

Wang Liwei1, Cui Zhiwen2, Chen Bo3

(1. No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China; 2. No.92555 Unit of PLA, Shanghai 200441, Shanghai, China; 3. The First Military Representative Office of the Navy in Shanghai, Shanghai 201913, China)

U674

A

1003-4862（2021）09-0041-03

2020-12-28

王利偉（1981-）高級(jí)工程師。研究方向：艦船機(jī)電系統(tǒng)。E-mail: 17504562@qq.com