譚健

摘 要：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大產(chǎn)生的危害很大，本文闡述了引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大的主要原因，并結(jié)合某船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大具體故障案例進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；轉(zhuǎn)速波動(dòng)；調(diào)速器；燃油系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The harm caused by the excessive fluctuation of diesel engine speed is very large. This paper expatiates on the main reasons that cause the diesel engine speed fluctuation too much， and analyzes the concrete failure of the diesel engine speed fluctuation.

Key words： diesel engine； speed fluctuation； governor； fuel system

1 前言

柴油機(jī)是燃燒柴油并將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。柴油機(jī)熱效率高，功率范圍廣，起動(dòng)迅速，使用壽命較長(zhǎng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在船舶應(yīng)用方面，船舶柴油機(jī)做為船舶主要的配套設(shè)備，對(duì)船舶工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。船舶柴油機(jī)主要做為推進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)和電站輔機(jī)，這兩個(gè)系統(tǒng)都是船舶系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。柴油機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到船舶的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此必須高度重視對(duì)柴油機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)、管理。

無(wú)論是柴油機(jī)運(yùn)行人員、調(diào)試維修技術(shù)人員、維護(hù)人員、管理人員均需要了解柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制系統(tǒng)的控制邏輯，這樣在柴油機(jī)發(fā)生故障時(shí)候能夠準(zhǔn)確分析原因并及時(shí)排除，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，避免事故的擴(kuò)大造成更大的損失?，F(xiàn)針對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)這一常見(jiàn)現(xiàn)象進(jìn)行具體分析。

2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的危害

在船舶上無(wú)論是作為動(dòng)力主機(jī)還是電站的輔機(jī)，柴油機(jī)都扮演著重要角色。船舶柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生各種各樣的故障，其中轉(zhuǎn)速波動(dòng)就是常見(jiàn)的故障之一。正常運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速在某一個(gè)轉(zhuǎn)速附近有微小的波動(dòng)，根據(jù)各柴油機(jī)廠家對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率的要求設(shè)定有差異，一般波動(dòng)率大概為±1%左右，這種微小的波動(dòng)是正常的。但是如果轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大，周期性忽高忽低，調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一值附近，甚至出現(xiàn)震蕩、發(fā)散現(xiàn)象，這會(huì)給柴油機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)非常不利的影響：

（1）導(dǎo)致柴油機(jī)組的振動(dòng)過(guò)大，破壞柴油機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及導(dǎo)致柴油機(jī)支持軸承和推力軸承磨損；

（2）轉(zhuǎn)速波動(dòng)大如發(fā)生在低速區(qū)間，很可能造成柴油機(jī)滅火停運(yùn)；如發(fā)生在高速區(qū)間，很可能造成柴油機(jī)超速飛車(chē)的嚴(yán)重事故；

（3）柴油機(jī)熱負(fù)荷不穩(wěn)定，熱負(fù)荷波動(dòng)影響螺旋槳?jiǎng)恿敵龌蛘唠娬镜碾娏ζ焚|(zhì)，威脅船舶航行安全；

（4）過(guò)大的沖擊熱負(fù)荷直接表現(xiàn)為柴油機(jī)排氣溫度忽高忽低，柴油機(jī)承受過(guò)大的熱應(yīng)力熱變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)氣缸拉缸，高溫受熱部件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形或者發(fā)生裂紋損壞，并大大縮短柴油機(jī)的使用壽命。

3 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因分析

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因很多，調(diào)速系統(tǒng)故障、燃油系統(tǒng)故障和柴油機(jī)本身故障是造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)的主要原因。

3.1 柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)故障

柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，調(diào)速系統(tǒng)的故障會(huì)直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的大幅波動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致柴油機(jī)熄火或者飛車(chē)超速等嚴(yán)重事故。

柴油機(jī)的調(diào)速器分為電子調(diào)速器、液壓式調(diào)速器、機(jī)械式調(diào)速器。信號(hào)監(jiān)測(cè)及控制采用電氣方式的調(diào)速器稱(chēng)電子調(diào)速器，是一種具有良好發(fā)展前景的調(diào)速器，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為電磁式和液壓式，前者主要應(yīng)用于小功率柴油機(jī)上，后者主要應(yīng)用于大功率柴油機(jī)上；液壓調(diào)速器是利用液壓伺服器將飛重產(chǎn)生的離心力放大從而控制油門(mén)，實(shí)現(xiàn)氣缸噴油量的調(diào)節(jié)，也就是轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的調(diào)節(jié)，它廣泛應(yīng)用于船舶大功率柴油機(jī)上；機(jī)械式調(diào)速器是直接利用飛重產(chǎn)生的離心力去拉動(dòng)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，是一種直接作用式調(diào)速器，主要應(yīng)用在小功率柴油機(jī)上。

調(diào)速系統(tǒng)引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）工作液壓油臟污變質(zhì)是調(diào)速器最常見(jiàn)的故障，油質(zhì)的臟污會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器內(nèi)部液壓滑閥移動(dòng)遲緩甚至卡澀；

（2）轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)故障，例如電子調(diào)速器的轉(zhuǎn)速傳感器故障，液壓式調(diào)速器和機(jī)械調(diào)速器的轉(zhuǎn)速—飛重離心力系統(tǒng)故障；

（3）內(nèi)部液壓油存在空氣或者液壓油液位過(guò)低，也會(huì)造成調(diào)速器滑閥反應(yīng)的滯后性，調(diào)速器靈敏度的降低必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動(dòng)；

（4）電子調(diào)速器的給定指令不穩(wěn)定也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動(dòng)大，例如轉(zhuǎn)速控制信號(hào)受到外界電磁干擾時(shí)；

（5）轉(zhuǎn)速控制回路的控制邏輯設(shè)定不當(dāng)，例如死區(qū)和增益設(shè)置不當(dāng)造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)；

（6）和高壓油泵間的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（油門(mén)拉桿）卡澀、松脫等故障。

3.2 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障

柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，燃油系統(tǒng)故障也是引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的重要原因：

（1）系統(tǒng)存在空氣，會(huì)導(dǎo)致燃油壓力的波動(dòng)，破壞燃油供給的連續(xù)性，甚至造成斷油熄火；

（2）油質(zhì)差，存在水分和雜質(zhì)，影響燃油在燃燒器內(nèi)的霧化效果，造成燃燒的不穩(wěn)定也即熱負(fù)荷的不穩(wěn)定，而且雜質(zhì)的存在會(huì)對(duì)燃油系統(tǒng)管路和油泵造成腐蝕卡澀，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動(dòng)；

（3）油位過(guò)低會(huì)導(dǎo)致燃油泵流量不足發(fā)生汽蝕，使燃油壓力波動(dòng)和滲入空氣，這也會(huì)造成燃燒的不穩(wěn)定即熱負(fù)荷的不穩(wěn)定；

（4）油溫是影響燃油粘度的關(guān)鍵因素，適當(dāng)?shù)臏囟群驼扯扔欣谌加偷撵F化燃燒，過(guò)高或者過(guò)低的燃油溫度都會(huì)造成燃燒的提前和滯后，造成熱負(fù)荷的波動(dòng)；

（5）供給系統(tǒng)的輸送泵、噴射泵故障、濾網(wǎng)堵塞等等，同樣會(huì)破壞燃油供給的連續(xù)性和燃油的霧化效果造成燃燒不良轉(zhuǎn)速波動(dòng)；

（6）系統(tǒng)泄漏或者安全閥、溢流閥故障，導(dǎo)致供油壓力波動(dòng)。

3.3 其他原因

除了調(diào)速系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)外，引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大原因還有柴油機(jī)熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、增壓器和對(duì)中等：

（1）柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷的劇烈變化，超過(guò)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定能力。例如在惡劣海況風(fēng)浪大時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)螺旋槳吃水變化很大，調(diào)速系統(tǒng)為了將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值附近，會(huì)對(duì)柴油機(jī)供油量進(jìn)行頻繁大幅度的調(diào)整。

（2）柴油機(jī)各缸發(fā)火不均，甚至有的缸不發(fā)火，發(fā)火不均導(dǎo)致各缸熱負(fù)荷不均也就造成了轉(zhuǎn)速的忽高忽低。

（3）柴油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)故障，例如廢氣渦輪或者壓氣機(jī)的葉輪臟污損壞等。在燃油供給量不改變的情況下，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)故障會(huì)使供給燃燒室的空氣量不足，造成油多氣少的缺氧燃燒，燃燒的惡化導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動(dòng)大。

（4）柴油機(jī)與所帶的負(fù)荷對(duì)中不良、軸承磨損、氣缸拉缸、基座螺栓松動(dòng)等，造成振動(dòng)、動(dòng)力傳輸?shù)膿p耗過(guò)大。

4 某船動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大實(shí)例分析

4.1 實(shí)船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況

某船動(dòng)力系統(tǒng)為雙軸雙槳推進(jìn)，動(dòng)力原動(dòng)機(jī)為兩臺(tái)柴油機(jī)。柴油機(jī)為雙列16缸V型廢氣渦輪增壓柴油機(jī)。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

正常運(yùn)行情況下，柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)率不超過(guò)±1%。按照柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制程序邏輯，進(jìn)四工況柴油機(jī)對(duì)應(yīng)的指令設(shè)定轉(zhuǎn)速為880 r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速在871～889 r/min就是正常的。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速在一分鐘內(nèi)發(fā)生了多次波動(dòng)，波動(dòng)最高達(dá)897 r/min，最低達(dá)861 r/min，波動(dòng)率高達(dá)2.1 %。這種頻繁的大幅度的波動(dòng)嚴(yán)重威脅柴油機(jī)的安全運(yùn)行。

4.2 實(shí)船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障分析

現(xiàn)從輪機(jī)和電氣兩方面對(duì)該船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大故障進(jìn)行分析。

通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面對(duì)燃油系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析?？刂葡到y(tǒng)模擬量和現(xiàn)場(chǎng)壓力表均顯示燃油進(jìn)機(jī)壓力0.30-0.38 MPa左右波動(dòng)，那么燃油壓力的波動(dòng)可能是造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)的原因。引起燃油壓力波動(dòng)的因素有多種，例如燃油系統(tǒng)存在空氣，燃油機(jī)帶泵故障、傳感器故障、壓力表故障等等。傳感器測(cè)量的壓力和現(xiàn)場(chǎng)壓力表顯示基本一致說(shuō)明壓力測(cè)量正常，燃油壓力確實(shí)存在波動(dòng)；停運(yùn)柴油機(jī)后對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行放氣，也未發(fā)現(xiàn)燃油系統(tǒng)進(jìn)空氣；對(duì)機(jī)帶泵進(jìn)行拆檢，未發(fā)現(xiàn)機(jī)帶泵葉輪和軸承存在故障，經(jīng)更換新的機(jī)帶泵后轉(zhuǎn)速和燃油壓力波動(dòng)故障依舊，排除機(jī)帶泵故障。通過(guò)觀察燃油壓力和轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)燃油壓力的變化總是跟隨并滯后于轉(zhuǎn)速的變化，這說(shuō)明是轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起了燃油壓力的波動(dòng)，而不是燃油壓力引起了轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。通過(guò)排查，燃油系統(tǒng)濾網(wǎng)、油位、油溫等均正常，另外回油閥、溢流閥、安全閥等均未發(fā)現(xiàn)異常。因此，燃油系統(tǒng)不是引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的原因。

該船海上航行時(shí)水文氣象良好，無(wú)大風(fēng)浪導(dǎo)致吃水的頻繁變化，螺旋槳的螺距也基本穩(wěn)定在92.1%附近，這和進(jìn)四車(chē)令相符，動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械功率是基本不變的；通過(guò)對(duì)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查，壓氣機(jī)和渦輪工作正常，未發(fā)現(xiàn)葉輪臟污損壞等現(xiàn)象，所以廢氣渦輪增壓系統(tǒng)也不是引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)的原因；柴油機(jī)各缸排氣溫度隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)，但是各缸溫度變化是同步的，不存在偏差大情況。

調(diào)速系統(tǒng)是引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的重要因素，該船動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使用的是電-液調(diào)速系統(tǒng)，它是電子調(diào)速器的一種，其系統(tǒng)原理如圖2所示。

該調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)監(jiān)測(cè)和控制指令均采用電氣方式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液壓執(zhí)行器。該調(diào)速系統(tǒng)主要是由轉(zhuǎn)速控制單元、電-液調(diào)速器、轉(zhuǎn)速傳感器等組成。電-液調(diào)速器的基本工作原理是：柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速指令由車(chē)鐘上的轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器給定，實(shí)際轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速傳感器反饋，該轉(zhuǎn)速傳感器為磁電式安裝于測(cè)速飛輪附近。實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)特定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)N2后與車(chē)鐘來(lái)的設(shè)定值N1進(jìn)行比較后得到轉(zhuǎn)速偏差Ne；該偏差經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算放大、負(fù)荷限制后輸出油門(mén)指令P1再與油門(mén)反饋P2比較得到油門(mén)給定值電流Pe，此油門(mén)給定值電流進(jìn)入調(diào)速器線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電磁力，促使滑閥移動(dòng)改變液壓油流向帶動(dòng)動(dòng)力活塞移動(dòng)，直至電磁力和彈簧力平衡；動(dòng)力活塞聯(lián)動(dòng)油門(mén)拉桿控制柴油機(jī)高壓噴油泵齒條向減小轉(zhuǎn)速偏差的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于某一定值。

對(duì)柴油機(jī)油門(mén)拉桿、高壓油泵齒條和節(jié)氣門(mén)進(jìn)行仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)其動(dòng)作靈活到位無(wú)卡澀現(xiàn)象，調(diào)速器液壓油位正常，取油化驗(yàn)油質(zhì)正常；如果調(diào)速器進(jìn)空氣會(huì)使調(diào)速器液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)的滯后，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，但調(diào)速器使用新油緩慢注油排除空氣后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大故障還是沒(méi)有解決；測(cè)量電-液調(diào)速線圈電阻、絕緣正常。

轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要，傳感器接線松脫、線圈短路或斷路、傳感器探頭到飛輪齒頂?shù)木嚯x不當(dāng)?shù)染鶗?huì)造成反饋轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，造成與車(chē)種指令轉(zhuǎn)速偏差大，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)仔細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速傳感器的線圈絕緣較低，絕緣低會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速反饋的不穩(wěn)定。經(jīng)更換同型號(hào)的轉(zhuǎn)速傳感器后柴油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，波動(dòng)率在1%合理范圍內(nèi)，從根本上消除了轉(zhuǎn)速波動(dòng)的現(xiàn)象。

因此，經(jīng)過(guò)從機(jī)電多方面的分析排查，最終確定了調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器故障導(dǎo)致了本案例中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。

4.3 實(shí)船轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障消除后檢測(cè)

實(shí)船轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障消除后轉(zhuǎn)速曲線圖如圖3所示。從圖中可以看到，柴油機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)在正常范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于機(jī)電一體的控制系統(tǒng)，我們必須同時(shí)掌握電氣、自動(dòng)化和機(jī)械方面相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)械方面的原因引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)幾率很大。因此我們可以先從燃油系統(tǒng)、燃燒熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷等方面分析。如果機(jī)械方面無(wú)法查找原因再?gòu)恼{(diào)速控制系統(tǒng)方面分析，轉(zhuǎn)速傳感器、調(diào)速器、執(zhí)行器、控制器等都是重點(diǎn)檢查的部位。 這是一個(gè)基本的原則，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以靈活掌握。只有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，在處理柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大故障時(shí)我們才會(huì)做到高效準(zhǔn)確。

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