“MSCBelem”轮副机超速故障分析与处理

    申石磊

    摘 要：本文从DAIHATSU 6DK-20型船舶发电柴油机飞车故障案例出发，对柴油机调速工作原理和燃油系统各部件组成、结构和工作原理，燃烧室的结构对燃烧的影响等方面进行分析，总结了柴油发电机超速的原因，提出故障处理以及平时应做的预防措施。

    关键词：：超速故障 船舶调速器 喷油装置 燃烧室

    现代船舶用发电柴油机，大都是中速四冲程柴油机，作为船舶发电机的原动机，要求能在外界负荷变化时保持恒定转速，以保证发电机的电压与频率恒定。但发电柴油机本身没有调速能力，所以必须设调速器，通过调速器来调整喷油泵的供油量，使柴油机的有效功率随外界负荷的变化而变化，以保证柴油机始终能以额定转速稳定运转。

    发电柴油机超速故障现象

    “MSC Belem”轮柴油发电机为四冲程中速柴油机，其型号为DAIHATSU 6DK-20，使用的是PGA液压调速器，且燃烧室为预燃室式。正常工作时，柴油机声音平稳无杂音，转速维持在720 r/min，各缸的排温也都维持在320℃左右（350KW负荷时）。事故发生在当班轮机员停掉GS泵后，发现电网频率升高，立即去机旁检查，柴油机有点抖动，透平发出沉重轰鸣声，各缸排温持续升高，当班轮机员立即启动备用发电机合闸并网供电，此时，3号发电机转速继续升高，超速警报触发，但是柴油机仍然没有停车，轮机员现场发现油门杆卡死，停油气缸也不能将油门杆推至零位，此时当班轮机员果断将该柴油机进油阀关闭，实现停油停车的目的。超速保护本应在柴油机转速达到115-120%额定转速时，柴油机油门杆拉至零位，自动停车，同时超速保护警报触发。

    引起超速相关装置的结构及工作原理

    1、调速器

    1.1调速器的结构特点

    船舶调速器分为机械调速器和液压调速器。对于机械式调速器，它主要由飞重、滑动套筒及调速弹簧组成，通过飞重转动形成的离心力与弹簧的作用力相互作用，达到相对平衡，从而调节喷油量。而机械式调速器不能保持柴油机调速前后的转速不变，负荷改变时柴油机不能恢复到原来的转速。产生这种转速差的根本原因是因为感应元件与油量调节机构之间采用的是刚性连接。所以机械式调速器只适用于中小功率的柴油机，具有灵敏度和精度差，结构简单，维修方便的特点。现代的船舶发电柴油机大都是大功率柴油机，所以机械式调速器不能够满足现代船舶航行要求，这里就需要液压调速器来帮忙。该轮发电柴油机功率大，调速器拉动油量调节机构所需力矩较大，故增加了一个放大伺服机构在感应机构和油量调节机构之间，使调速器灵敏度和工作能力大大提高。且本轮发电机采用一种双反馈、气动速度设定的全制式液压调速器，所以这里主要分析的是液压调速器，其结构如下图所示。

    1.2 调速器的工作原理

    如上图所示，PGA液压调速器基本由三大部分组成，每个部分都有不同的作用。当柴油机负荷减小时，转速升高，飞重离心力大于调速弹簧的弹力，则飞重向外收拢，滑阀柱塞8向上运动，此时压力油进入阻尼活塞12右侧并推动它向左移动，并将左侧的油压入伺服油缸17内动力活塞的上部，随着油压的升高，推动动力活塞向下移动，此时柴油机供油量减少，转速下降。这时阻尼活塞12左右两侧的油压同时作用在位于滑阀上部的补偿环带7的两侧，且作用在上侧的油压大于下侧油压，产生向下的推力（称为补偿力），使滑阀8下移而超前复位，即由补偿力产生的负反馈作用。所以柴油机减速过程中，由油压差所产生的补偿力将由阻尼活塞的缓慢右移而通过补偿针阀进行调节，使油压差逐渐减小。一般情况下调节补偿针阀的开度大小，使补偿力增加的速度与飞重离心力的降低速率相同，这样便可以保持滑阀在中央位置不动，从而使得当转速恢复至原设定转速稳定运转时，补偿力消失，飞重恢复至垂直位置，滑阀与阻尼活塞均恢复到原中央位置，而动力活塞稳定在新的位置上。这样便保证了柴油机负荷减少时，供油量降低的情况下稳定在额定转速。负荷增加则与上述过程相反。

    2、喷油设备

    2.1 喷油泵

    结构特点。喷油泵是喷射系统中核心组成部件之一。主要产生高压燃油供喷油器雾化喷进燃烧室，还能控制供油量和喷油定时。喷油泵分两种结构：单体泵和合成泵，主要由一个柱塞和套筒构成，本身不带凸轮轴，有的甚至不带滚轮传动部件，由于这种单体泵便于布置在靠近汽缸盖的部位，使高压油管大大缩短，目前应用在缸径为200mm以上的大功率中、低速柴油机上，见图2。一般小功率柴油发电机都是用合成泵，为回油孔调节式合成泵，在同一泵体内安装与柴油机汽缸数相同的柱塞套筒偶见，每缸一组喷油元件，由泵体内凸轮轴上的对应该缸的凸轮驱动。

    工作原理。柱塞与套筒是一对精密偶件。柱塞在套筒内由凸轮顶动上下往复运动。当柱塞由凸轮顶动上行，在柱塞上部端面刚好关闭回油孔时，泵腔内燃油开始受压，是为几何供油始点。柱塞继续上行，当柱塞斜槽打开回油孔时，柱塞上方的高压燃油经直槽和环形槽与回油孔相通而流回进油空间，是为几何供油终点。从供油始点到供油终点柱塞上行的距离为有效行程，该行程的大小代表供油量多少；当调速器输出的油量调节信号经油门杆拉动齿圈和柱塞转动时，柱塞上的螺旋槽与套筒油孔之间的相对位置变化，从而改变柱塞有效行程，该缸喷油量减少，发电机发出功率减低；喷油定时的调整通过改变套筒和柱塞间相对位置而改变供油始点的方法实现。本轮事故即为发电机负荷降低时，第1、5两缸油齿、柱塞和套筒卡在较大供油量位置，发电机转速不断增大导致超速。

    易发生的故障。首先是柱塞与套筒偶件。柱塞在套筒中高速往复运动，仅通过微量的燃油漏泄润滑其配合表面，在几百Bar的高压燃油下还需保持良好的密封。柱塞偶件在如此恶劣的工作环境中易受到燃油的腐蚀和杂质的擦伤，故柱塞偶件采用高硬度、耐磨、耐腐蚀的材料经精密加工而成。

    2.2喷油器

    喷油器的结构和工作原理：喷油器分为开式喷油器和闭式喷油器，开式喷油器的主要特点是喷油器喷油管内腔始终与燃烧室相通。由于它没有关闭喷孔的针阀，所以结构简单，但容易产生滴油，无明显的压力界限，故供油开始时，在压力不足的情况下有可能漏油，在断油时由于油管和燃料的膨胀也可能产生滴油，所以现在的船用发电柴油机大部分用的是闭式喷油器。该轮发电机用的是闭式喷油器，喷孔数目6个，根据说明书每1500工作时间需解体、清洁后检查，视情况更换磨损超限部件。

    喷油器中的主要部件是针阀偶件，由针阀和阀体组成。针阀由弹簧力将其预紧在阀座上，当喷油器针阀下端锥面上的油压超过弹簧预紧力时，针阀上移启阀，将高压燃油从喷孔中喷入燃烧室，此为启阀压力。当作用在喷油器针阀承压锥面上的油压低于弹簧预紧力时，针阀关闭。

    易发生的故障。主要是针阀和阀体精密偶件。燃烧室的高温及针阀落座的撞击对其材质要求很高。针阀在针阀体中良好的密封同时，允许有微量的漏油来进行润滑。所以针阀偶件一般都采用耐磨性好、韧性好、疲劳强度好且有足够硬度的材料。应当注意的是针阀和针阀座密封锥面上的密封环带（通常我们叫阀线）连续不间断、宽度0.3～0.5mm最佳。

    2.3 燃烧室

    燃烧室部件是柴油机中重要的组成部分，它主要由活塞组件、气缸盖组件和气缸套组成。当活塞运动到上止点时，气缸盖底面、气缸套内表面及活塞顶共同组成一个燃料与空气混合的空间，这就是燃烧室。

    燃烧室主要可分为直接喷射式和分开式燃烧室，直喷式燃烧室根据燃油喷入方式和燃烧室形状分为统一式、半分开式、球形油膜式和复合式燃烧室，船用大功率柴油机一般采用直喷式燃烧室；而分开式燃烧室被明显隔成两部分，一部分由活塞顶面及气缸盖底面（跟直喷式一样）组成；另一部分在气缸盖或气缸体中，两者以一条或数条通道相联接，所以分开式燃烧室分为涡流室式和预燃室式，见图3。

    故障原因及排除方法

    1、故障原因

    通过对引起超速相关装置的结构及工作原理的分析，对于发电柴油机超速故障，可总结为两方面原因：

    原因一、燃油供应过量引起柴油机超速飞车：① 油门齿杆从调速杆叉槽内滑出，或装配高压油泵时时没有将油量调节臂装入槽内，导致油泵油门齿条处于最大供油位置，柴油发电机一启动就会发生超速保护停车故障。 ②油门杆卡死或柱塞齿圈转动不灵。油门杆、齿圈卡死造成超速的现象比较常见，这次“MSC Belem”轮就是此类故障，此时柱塞齿圈卡死，油门杆拉不动，供油量偏大，导致转速升高，调速功能丧失。而引起柱塞转动不灵的原因有：装配时柱塞被碰伤；油泵内有脏物，使杂质进入柱塞套筒间隙中；出油阀座拧紧时力矩太大，致使套筒变形（这种情况一般在小型柴油机上易出现）；套筒定位螺钉太长或弯曲，装配时顶死套筒。 ③齿杆齿圈无记号或没对上、柱塞装错，造成供给燃油过量。④拉杆与调速器活动部位卡滞。 ⑤调速器调试不当。可能的原因有：柴油机调速弹簧的预紧力过大；调速器内润滑油多或粘度大；调速器的作用点过高，致使停油转速高或不能停油。

    原因二、机油引起柴油机超速的原因（通常这种情况在中速船用发电柴油机上发生的可能性较小）：①第四道刮油环装反或活塞上的回油孔堵塞，使机油窜入燃烧室。 ②活塞环严重磨损，缸套间隙过大，或活塞环开口对齐时，大量机油窜入燃烧室。③曲轴箱通气孔堵塞，气压增高，使机油被压入燃烧室。④油底壳机油过多，工作时窜入气缸。⑤机油温度高，粘度太低，也容易窜入燃烧室。而引起机油粘度下降的原因有：机油温度过高；轻柴油漏进油底壳；少量水进入油底壳；机油质量不符合要求。

    2、船舶发电柴油机飞车故障时，超速保护停车不灵时应采取的紧急措施

    当船舶柴油发电机出现飞车时，如果超速保护装置没有触发停车或者停车保护触发但未停止供油，轮机员应沉着冷静，果断地采取有效措施使柴油机停止。若柴油机在运行中，千万不要降低负荷，以防止转速继续升高。①切断进气。迅速用衣服或机舱废旧破布、塑料等紧紧包住透平压缩端空气滤网，使新鲜空气不能进入燃烧室而使柴油机熄火。②停油。迅速停止供油泵，或关闭燃油进机阀，或迅速拧松高压油管接头螺母，以切断柴油供应，使柴油机熄火。③ 如果是因为燃油供油量过多，也可采取增加柴油机负荷而使发动机转速降低，然后再想办法停车后调查原因。

    在飞车故障原因未找到、并未排除之前，严禁再次起动柴油机；故障排除后，还应检查柴油机各运动件有无因飞车而损坏，检查主轴瓦、连杆大瓦等滑动部件是否过度磨损导致间隙变大，以免再次起动柴油机而扩大损失。

    3、船舶柴油机飞车的预防措施

    为防止船舶发电柴油机发生飞车事故，应做好如下几方面工作：①不要随意调整和拆卸调速器，如需调整，应在严格按说明书的要求进行；②定期更换调速器的机油，保持油质清洁和油位适中；③定期检查油量调节机构，确保联接无松动、动作灵活；④定期检修柴油机高压油泵，清洁高压油泵的油门杆、柱塞齿套、柱塞套筒等机件，保证油门杆和齿套活动灵活不卡阻； 定期检修高压油泵，更换老化、破损的O型密封圈，防止燃油漏泄停机后冷却凝结，而造成运动机件卡阻；⑤对长期停放的柴油机，在起动柴油机前，手动检查调速器、油量调节机构和各缸高压油泵的齿条确保动作灵活，以防柴油机一起动就飞车；⑥加强燃油净化、过滤以确保燃油质量，并适当加热保持最佳燃油喷射粘度。

    总结

    经过以上分析，我们得出结论：引起柴油发动机超速的根本原因是柴油机不能随负荷变化及时调整供油量、保持稳定转速，从而丧失了调速特性。喷油泵和调速器的相关部件卡滞或松脱、设定不当，会使其供油量不能及时调整而丧失正常的调速特性。

    本轮柴油发电机超速故障，从后来的事故调查，发现是柱塞转动不灵，柱塞处于最大供油位置，调速器拉不动油泵油门齿条，导致船舶电网负荷降低时转速持续升高，调速器就失去了控制油量的作用。出现这种情况，主要是由于船舶长期使用低质燃油，喷油泵缺乏定期保养、油门杆卡死、柱塞不能转动引起。所以出现柴油机超速这类突发事件时，一方面考验轮机员的应急处理能力，另一方面反映二管轮平时对发电机高压油泵缺乏保养。发电机高压油泵应依据说明书和实际运行情况，每隔几千工作小时，检修高压油泵，检查精密偶件的磨损情况，换新所有的O-RING等易损元件，保持发电柴油机良好的运行工况，以避免类似发电柴油机超速事故出现。

    作为一名合格的轮机员，平时应定期检查船上各种机器设备的运行状态和工作性能，从细微处发现问题，不能忽视一个小小的参数异常，避免人为保养工作不到位引起机器设备损坏和这类突发事故在船发生。

    （作者单位：华洋海事中心）