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浅析主机排气阀故障引起 SLOW DOWN故障

2019-12-20 09:42:20 《航海》 2019年6期

摘  要:随着电子控制和监测技术的突飞猛进,为了满足日益严格的排放要求,提高燃油经济性、可靠性和操作的灵活性,电控共轨柴油机在新造船的装机比例越来越高。电子控制和监测系统具有高灵敏度、高精确性等优点,但对装机零部件的制造精度提出了较高要求。笔者通过一起电喷主机自动降速的实际案例,剖析故障发生的原因,为新机型的接收和使用提供思路。

关键词:主机排气阀;故障;补气单向阀;孔径

0 引 言

M.J轮是新投入运营的1 100 TEU集装箱船,主机型号WARTSILA 6RT FLEX-48T-D,M.C.R 8 730 [email protected] rpm,C.S.R 7 857 [email protected] rpm。主机FULL车速90 rpm,HALF车速75 rpm,SLOW车速50 rpm,DEAD SLOW车速40 rpm,临界转速59~71 rpm。

1 故障现象

在新船试航过程中,主机车速由SLOW加速至FULL时报警系统发出“#6 Exv.closdeadtime too long”报警并触发主机SLOW DOWN,当主机车速由FULL减速至SLOW时,依然会发出该报警并触发主机SLOW DOWN,主机定速航行期间没有此故障。

主机车速变化大多是发生在机动航行期间,频繁的SLOW DOWN对船舶的安全造成威胁,需尽快排除。由于处在新船保修期,服务工程师上船更换了VCU及排气阀驱动端后故障依然存在。制造商不能及时排除故障,只能靠自己摸索,在随后的运营中发现断电重启故障缸FCM-20模块的同时迅速加车,主机能越过临界转速后不再报警。

2 故障分析与排除

触发主机SLOW DOWNN的根本原因在于报警系统发出“#6 Exv.closdeadtime too long”报警,其含义为6#缸排气阀关闭停滞时间过长。关闭停滞时间(Close deadtime)的定义是指FCM-20模块发出排气阀关闭指令到排气阀关闭时间终止这一段延迟的时间,当某一缸的关闭停滞时间大于整机平均值的150%時,该缸关闭停滞时间过长报警。

故障发生时FLEX VIEW软件中截取排气阀DEAD TIME数据如图1所示,从数据中可以明显地看出4#、6#缸的排气阀关闭停滞时间(Close deadtime)明显高于其他缸。说明书解释引起该报警的可能原因有:VCU故障、排气阀机械故障、排气阀位置传感器故障。考虑到该轮是刚刚下水的新船,VCU在出厂时经过台架试验,短时间内出现故障的几率较低,所以首先从排查排气阀本身的故障方面入手,液压排气阀工作原理如图2所示。

排气阀的开启和关闭均为闭环控制,其控制中心为各缸的FCM-20模块,开启动力为100~200 bar的伺服油,关闭动力为空气弹簧。

排气阀的打开逻辑如下:(1)FCM-20模块根据曲轴位置传感器信号计算并发出排气阀开启信号;(2)共轨阀控制一路伺服油推动滑阀工作在上位,伺服油进入VCU液压活塞下部;(3)伺服油进入液压活塞下部推动活塞上行而压缩缸内液压油,驱动排气阀开启。

排气阀的关闭逻辑如下:(1)FCM-20模块根据曲轴位置传感器信号计算并发出排气阀关闭信号;(2)共轨阀伺服油泄放,滑阀在弹簧作用下工作在下位,VCU液压活塞下部液压油被泄放;(3)VCU液压活塞复位至底部,排气阀在空气弹簧的作用下关闭。

排气阀状态的反馈信号来自于安装在排气阀阀壳上的位置传感器(Poistion Sensor)。

影响排气阀动作的机械原因主要有以下几个方面:(1)排气阀阀杆与导套间的配合间隙及对中性;(2)空气弹簧活塞与缸体是否有黏滞;(3)排气阀上部驱动活塞是否卡滞。为了简单快速的排查故障原因,笔者采用将故障缸(6#)与正常缸(5#)排气阀总成对调的措施,以判断是否是排气阀本身机械故障引起的报警。6#与5#排气阀对换以后报警转移到5#缸,这说明引起排气阀关闭停滞时间过长的原因就是该排气阀本身的故障。

现场拆检该故障排气阀,阀杆与导套配合间隙测量、对中度检查,空气弹簧活塞与缸体的活络性能检查,驱动活塞活络性检查后发现所有的运动部件活络无卡滞,配合面无异常磨损现象,对中度良好,从外观上看起来无故障特征。为了保险起见,笔者更换了空气弹簧活塞密封令并手动检查确认正常后装复,装机前整个排气阀进行模拟开关试验正常后装机试车,故障依旧,至此故障的排查遇到了瓶颈,说明书所列的可能原因已经一一排查却未排除故障。

在排除了因排气阀空气缸漏气引起的clos deadtime过长后,故障的最大可能性就是空气弹簧气压不足。从排气阀空气弹簧结构图中可以看出(见图4),在空气弹簧气缸下部还有一个带中心节流孔的补气单向阀(见图5),拆下所有缸的补气单向阀,仔细检查后发现该阀的中心节流孔孔径似乎存在轻微差异,由于孔径较小船上无适配的内径测量工具,只能使用不同尺寸的通针进行比对测量,经过比发现3#、5#孔径约0.6 mm左右,4#、6#孔径约1.0 mm左右,1#、2#孔径约0.8 mm左右。

至此,故障原因查明:系空气弹簧补气单向阀中心节流孔孔径不同导致各缸排气阀CLOSE DEADTIME不一致所致。从图4中可以看出,整个排气阀空气弹簧气缸可以近似看作一个密闭空间,其上部充满液压油,下部充满控制空气,中间活塞分隔液压油和控制空气。当排气阀开启时,气缸上部充满100 bar左右的液压动力油作用于活塞上,从而推动排气阀阀杆下行打开排气阀,同时活塞压缩下部气缸内的控制空气,当上部液压油压力泄放以后,活塞在压缩空气的作用下引起阀杆上行关闭排气阀。

由于驱动排气阀的动力是100 bar左右的系统滑油,不可避免地会有部分滑油泄漏到气缸下部,若不能及时泄放这部分滑油,随着时间的延长滑油集聚在气缸下部,在排气阀开启时会造成气缸的液击现象,同时由于气缸下部空气被压缩,压力较高,在实际使用中也会有部分泄漏,需要及时补充。为此,在气缸下部设计了一个带节流孔的补气单向阀,其节流孔的作用有二:(1)泄放掉气缸下部的滑油;(2)对下部空气缸有一个蓄压恒压的作用。

从拆检后的实际测量可见3#、5#缸节流孔最小,其对空气弹簧的蓄压能力最强,所以其排气阀关闭停滞时间最短;4#、6#缸节流孔最大,其对空气弹簧蓄压能力最差,所以其排气阀停滞时间最长,当单缸停滞时间大于整机平均值的150%时单缸报警并触发SLOW DOWN。那为何在主机高速运转过程中未触发报警呢?笔者考虑是因为排气阀高速开启关闭过程中,空气弹簧活塞运动频率很高,节流孔对空气弹簧气缸中空气压力的影响较小,相反在主机低速运行中,排气阀的开启关闭频率较低,节流孔对空气弹簧气缸中空气压力的影响较大,从而触发报警。该单向节流阀不是易损耗备件,船上未存备件,为了确保船舶进出港等机动航行过程中的航行安全,笔者采用将孔径较小的两组全部扩大到最大一组(1.0 mm)的标准,全部扩孔后装机试车,故障排除,各缸排气阀关闭停滞时间相近,主机加减速恢复正常。

3 经验总结

故障排除后经过公司与造机厂沟通后得知,该台主机排气阀单向节流阀为不同供应商提供的3个不同批次的产品。因不同批次产品尺寸精度存在一定的差异,这种情况在日常轮机管理中并不罕见,但在该实例中同一台主机装配不同厂家的3个批次的单向阀却极少遇见,固有的思维定式影响了笔者的判断,使得故障的排除过程中走了较多弯路。通过本次故障排除,笔者认为在轮机管理过程中,尤其是面对新技术新设备,一定要先吃透各个子系统的原理及结构,只有把原理和结构都了解清楚了,才能在故障排除过程中驾轻就熟,少走弯路。

作者简介:

窦天君,轮机长,(E-mail)[email protected]