某輪主機(jī)缸套異常磨損分析及應(yīng)對(duì)措施

ME-C主機(jī)是在MC主機(jī)基礎(chǔ)上升級(jí)改進(jìn)而來(lái)，引入了更多智能化控制系統(tǒng)，ME-C主機(jī)具有低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性、工作穩(wěn)定性與智能管理，得到廣泛應(yīng)用。ME-C機(jī)型排氣閥工作可靠、噪聲小，但排氣閥控制系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及空氣密封結(jié)構(gòu)發(fā)生故障概率較高。液壓控制系統(tǒng)故障會(huì)干擾信號(hào)傳輸，導(dǎo)致排氣閥行程出現(xiàn)故障；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與空氣密封結(jié)構(gòu)部件發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致排氣閥空氣彈簧室上方液壓活塞與空氣室內(nèi)壓力發(fā)生變化，引起排氣閥關(guān)閉行程延遲，甚至引起部件撞擊，影響船舶安全航行。周卓建[1]研究了MANB＆WME-C電噴主機(jī)，主操作面板（MainOperatingPanel,MOP）界面偶發(fā)性出現(xiàn)氣缸排氣閥關(guān)閉過(guò)慢報(bào)警，且警報(bào)很快自行恢復(fù)現(xiàn)象，結(jié)合故障分析提出排氣閥故障預(yù)防及工作曲線(xiàn)分析。竇天君[2]研究了主機(jī)型號(hào)WARTSILA6RTFLEX-48T-D的1100TEU集裝箱船，在新船試航過(guò)程中，主機(jī)車(chē)速由SLOW加速至FULL時(shí)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出氣缸關(guān)閉行程過(guò)長(zhǎng)報(bào)警并觸發(fā)主機(jī)降速故障現(xiàn)象，通過(guò)分析排氣閥的關(guān)閉邏輯與影響排氣閥動(dòng)作的機(jī)械原因，最終查明問(wèn)題原因。張玉龍[3]研究了MANB＆WME-C主機(jī)，主操作面板經(jīng)常出現(xiàn)某缸排氣閥關(guān)閉過(guò)慢或過(guò)快報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)排氣閥異常的敲擊聲響，分析排氣閥敲擊機(jī)理，提出故障解決措施。孫立云[4]研究了ME-C主機(jī)與MC主機(jī)的區(qū)別，分析了主機(jī)型號(hào)MANB＆W7S80ME-C8.2大型油船主機(jī)氣缸排氣閥行程短警報(bào)，主機(jī)自動(dòng)慢車(chē)現(xiàn)象；根據(jù)主操作面板故障診斷分析，找出導(dǎo)致排氣閥行程短的原因。（為了方便大家查閱以上資料，我們會(huì)在推送時(shí)間把部分PDF版本原文發(fā)到船機(jī)幫技術(shù)交流群里，請(qǐng)大家準(zhǔn)時(shí)接收！）本文針對(duì)主機(jī)型號(hào)為MANB&W6G50ME-C排氣閥關(guān)閉過(guò)慢報(bào)警故障現(xiàn)象，對(duì)排氣閥拆卸檢查，找出故障原因，對(duì)排氣閥部件進(jìn)行修理更換，解決排氣閥關(guān)閉行程過(guò)慢與敲擊故障；同時(shí)對(duì)排氣閥空氣密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，阻止燃?xì)馍细Z，減輕排氣閥閥桿腐蝕和磨損，實(shí)現(xiàn)排氣閥穩(wěn)定的工作。一、故障現(xiàn)象某船主機(jī)型號(hào)為MANB&W6G50ME-C，額定功率8000kW、額定轉(zhuǎn)速82.5r/min，某次航行過(guò)程中，該船No.1缸與No.3缸先后發(fā)生排氣閥關(guān)閉過(guò)慢報(bào)警故障。No.1缸排氣閥故障現(xiàn)象：No.1缸排氣閥關(guān)閉過(guò)慢報(bào)警，并伴有敲擊聲，主機(jī)控制空氣壓力降至0.6MPa，主機(jī)自動(dòng)減速，隨后將主機(jī)控制空氣壓力調(diào)高至0.7MPa時(shí)，報(bào)警消失；但是No.1缸排氣閥關(guān)閉行程還是比其他氣缸低，敲擊聲仍然存在。把控制空氣壓力增加到0.75MPa時(shí)，No.1缸排氣閥關(guān)閉恢復(fù)正常，隨后把控制空氣壓力恢復(fù)到0.7MPa，但是仔細(xì)觀察可看到主機(jī)控制空氣壓力有波動(dòng)。根據(jù)輪機(jī)員反應(yīng)，No.1缸排氣閥行程長(zhǎng)期低于其他缸，正常航行時(shí)No.1缸排氣閥行程與其他氣缸一致，但是主機(jī)運(yùn)行30h后，No.1缸排氣閥行程就會(huì)降低，低于其他氣缸排氣閥行程。No.3缸排氣閥故障現(xiàn)象：No.3缸排氣閥關(guān)閉過(guò)慢報(bào)警，主機(jī)自動(dòng)減速，主機(jī)控制空氣壓力正常，輪機(jī)員下機(jī)艙自動(dòng)復(fù)位，主機(jī)恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速。檢查No.3缸排氣閥發(fā)現(xiàn)啟閉油管和燃油高壓油管均有正常脈動(dòng)，排溫正常，排氣閥升程和其他缸無(wú)明顯差異。20min后主機(jī)又發(fā)出同樣報(bào)警，主機(jī)減速，不到1min主機(jī)又自動(dòng)復(fù)位，并自動(dòng)加車(chē)至正常轉(zhuǎn)速。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察判斷，故障可能發(fā)生在No.3缸排氣閥探頭，于是停車(chē)更換探頭，啟動(dòng)主機(jī)后正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故障暫時(shí)消失。第2天，No.3缸排氣閥出現(xiàn)同樣報(bào)警，主機(jī)自動(dòng)減速，剛開(kāi)始幾次報(bào)警后很短時(shí)間主機(jī)自動(dòng)復(fù)位，主機(jī)恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速，后來(lái)報(bào)警就無(wú)法自動(dòng)復(fù)位。檢查MOP電腦，No.3缸每次報(bào)警時(shí)電流數(shù)值和排氣閥升程數(shù)值不一樣，初步判斷可能是控制系統(tǒng)或者排氣閥機(jī)械故障。二、排氣閥工作原理與結(jié)構(gòu)1、工作原理ME-C和MC實(shí)現(xiàn)主機(jī)排氣閥開(kāi)關(guān)原理相同，都是通過(guò)壓縮排氣閥液壓油缸里面液壓油頂開(kāi)排氣閥，通過(guò)空氣彈簧關(guān)閉排氣閥。二者區(qū)別在于ME-C機(jī)型取消了MC機(jī)型上的傳動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，采用0.2MPa～0.3MPa伺服液壓油經(jīng)過(guò)燃油噴射閥執(zhí)行器（FuelInjectionValveActuator,FIVA）后驅(qū)動(dòng)排氣閥活塞，排氣閥打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程由安裝在排氣閥油缸體上的位置傳感器監(jiān)測(cè)，并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)或者位移形式顯示。圖1ME-C排氣閥結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，ME-C機(jī)型主機(jī)排氣閥開(kāi)啟，F(xiàn)IVA閥芯上移，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供壓力油，驅(qū)動(dòng)2級(jí)活塞上行。1級(jí)活塞提供克服空氣彈簧室內(nèi)氣體壓力與空氣彈簧壓力的動(dòng)力，2級(jí)活塞提供排氣閥其余行程驅(qū)動(dòng)力。高壓油管內(nèi)的液壓油被壓縮后推動(dòng)液壓活塞，進(jìn)而推動(dòng)排氣閥桿下行，排氣閥打開(kāi)。排氣閥打開(kāi)過(guò)程中，自阻尼柱塞、中部阻尼活塞與空氣彈簧室內(nèi)空氣活塞都起到緩沖作用，防止排氣閥開(kāi)啟時(shí)沖擊力過(guò)大。自阻尼柱塞內(nèi)部設(shè)有阻尼彈簧，對(duì)柱塞下行起緩沖作用；中部阻尼油缸內(nèi)部充滿(mǎn)滑油，阻尼活塞下行過(guò)程中，對(duì)阻尼活塞起緩沖作用；空氣活塞下行時(shí)，空氣彈簧室內(nèi)壓縮空氣對(duì)活塞起緩沖作用[5]。排氣閥關(guān)閉，F(xiàn)IVA閥芯下行，2級(jí)活塞下行，高壓油管內(nèi)液壓油泄放，排氣閥克服高壓油管內(nèi)油液壓力與閥桿重力，在空氣彈簧作用下上移，排氣閥關(guān)閉。兩級(jí)活塞在油液推動(dòng)作用下回到原始位置，高壓油管內(nèi)部泄放掉的油液通過(guò)單向閥補(bǔ)給，使其內(nèi)部始終充滿(mǎn)油液。排氣閥關(guān)閉時(shí)，空氣彈簧室內(nèi)需要有一定壓力空氣，推動(dòng)活塞上行，所以空氣彈簧室組件至關(guān)重要，包括空氣彈簧活塞、空氣單向閥、安全閥及密封環(huán)等。空氣彈簧室空氣單向閥損壞、密封環(huán)磨損及安全閥設(shè)置壓力過(guò)低都會(huì)引起空氣彈簧室空氣壓力過(guò)低，影響排氣閥關(guān)閉行程。2、部件結(jié)構(gòu)（1）FIVA閥和蓄壓器FIVA閥4由氣缸控制單元控制，并根據(jù)預(yù)設(shè)定時(shí)通電（曲柄轉(zhuǎn)角約為140°）或斷電（曲柄轉(zhuǎn)角約250°），閥芯上下移動(dòng)，接通或切斷壓力油。蓄壓器1作用是防止液壓系統(tǒng)油液壓力波動(dòng)，保持液壓油壓力穩(wěn)定。主機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，蓄壓器膜片可能破損，引起液壓油壓力波動(dòng)，所以需要定期檢查蓄壓器膜片壓力值。不同溫度下蓄壓器膜片對(duì)應(yīng)的壓力值見(jiàn)表1[6]。（2）排氣閥驅(qū)動(dòng)裝置排氣閥驅(qū)動(dòng)裝置由液壓油進(jìn)油單向閥5、節(jié)流塞7和兩級(jí)活塞6組成。單向閥5主要是將液壓油由低壓端導(dǎo)入高壓端，并保持高壓端一直處于高壓狀態(tài)，同時(shí)避免低壓端和高壓端相互擾動(dòng)。節(jié)流塞7的主要作用是確保執(zhí)行器壓力變化穩(wěn)定，同時(shí)將執(zhí)行器上端油液少量置換，執(zhí)行器上端油液壓力升高，油液溫度上升，過(guò)大溫升損壞部件，置換部分上端低溫油液，避免油液持續(xù)溫度升高。2級(jí)活塞6是指排氣閥執(zhí)行器升壓過(guò)程分為2個(gè)階段，在第1階段，活塞A和活塞B在高壓液壓油驅(qū)動(dòng)下同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，直至活塞B抵達(dá)行程終點(diǎn)，高壓油管內(nèi)的油液克服氣缸壓力和空氣彈簧壓力提供打開(kāi)排氣閥初始動(dòng)力；第2階段，活塞A繼續(xù)上行，提供動(dòng)力給高壓油管內(nèi)油液，完成排氣閥開(kāi)閥過(guò)程主要行程[7]。（3）空氣彈簧室空氣彈簧室主要由單向閥17、空氣彈簧活塞14、安全閥15及密封環(huán)組成。單向閥17將控制空氣持續(xù)導(dǎo)入到空氣彈簧室內(nèi)，使空氣彈簧活塞在關(guān)閥過(guò)程中克服排氣閥閥桿重力及高壓油管內(nèi)液壓力上行，關(guān)閉排氣閥。單向閥17也可防止空氣彈簧活塞下行時(shí)，空氣彈簧室空氣壓力過(guò)大，反向流入補(bǔ)氣管路；同時(shí)空氣彈簧活塞下行時(shí)，氣缸內(nèi)壓力增大，可以縮短排氣閥關(guān)閉時(shí)間[7]。安全閥15起保護(hù)作用，防止空氣彈簧室空氣壓力過(guò)大。圖2空氣彈簧室結(jié)構(gòu)圖空氣彈簧室密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其密封效果對(duì)排氣閥行程影響很大。密封效果主要由密封環(huán)1、密封環(huán)2及密封環(huán)3完成。密封環(huán)1和密封環(huán)2對(duì)空氣彈簧活塞的上下運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用；密封環(huán)3密封排氣閥閥桿和導(dǎo)套表面，與排氣閥桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有較大磨損。排氣閥中部阻尼油缸上的節(jié)流閥回流的油液會(huì)通過(guò)密封環(huán)1和密封環(huán)2進(jìn)入空氣彈簧室，油液不可壓縮，累積一定量油液被空氣彈簧活塞下行壓縮后，通過(guò)安全閥釋放，經(jīng)泄油口回流到曲軸箱[8]。（4）排氣閥位置傳感器ME-C機(jī)型排氣閥油缸下部增加了一個(gè)檢測(cè)排氣閥位置傳感器，排氣閥開(kāi)啟定時(shí)由安裝在主機(jī)自由端角度編碼器控制。每缸有1個(gè)獨(dú)立控制單元（CylinderControlUnit,CCU），主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，CCU通過(guò)端口1向FIVA閥發(fā)送控制信號(hào)指令，該指令通過(guò)FIVA閥執(zhí)行器轉(zhuǎn)換成對(duì)燃油升壓器柱塞位移和排氣閥啟閉開(kāi)關(guān)量控制。FIVA閥位置傳感器2、排氣閥位置傳感器4和柱塞位置傳感器3負(fù)責(zé)監(jiān)控該指令的有效運(yùn)行。圖3為各缸控制信號(hào)與反饋信號(hào)關(guān)系圖。圖3各缸控制信號(hào)與反饋信號(hào)關(guān)系圖主機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)FIVA閥位置傳感器、排氣閥位置傳感器和柱塞位置傳感器回路上電流在一個(gè)最大值與最小值之間跳動(dòng)。如果排氣閥或者排氣閥位置傳感器故障，控制單元CCU就會(huì)認(rèn)為是排氣閥沒(méi)有打開(kāi)或者打開(kāi)不足，控制單元CCU自動(dòng)對(duì)該缸發(fā)出停油指令，并發(fā)出報(bào)警；同時(shí)FIVA閥位置傳感器、排氣閥位置傳感器和柱塞位置傳感器回路上電流顯示固定值[9]。三、故障原因分析1、密封環(huán)安裝時(shí)異物卡阻、質(zhì)量不好空氣彈簧室密封環(huán)1和密封環(huán)2安裝時(shí)有異物卡阻或密封環(huán)質(zhì)量不好，工作過(guò)程中密封環(huán)異常磨損，導(dǎo)致空氣彈簧室內(nèi)空氣泄漏，造成關(guān)閥行程控制空氣壓力不足以快速關(guān)閉排氣閥，而漏氣又引起控制空氣壓力波動(dòng)。2、燃?xì)馍细Z，導(dǎo)致彈簧墊片未正常落座空氣彈簧室密封環(huán)3磨損后，氣缸內(nèi)的燃?xì)馍细Z，導(dǎo)致阻尼活塞油缸彈簧墊片不能正常落座，并受空氣彈簧下端的撞擊而破碎，以致空氣彈簧室內(nèi)壓力不足，排氣閥關(guān)閉耗時(shí)更長(zhǎng)，超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間而引發(fā)報(bào)警。3、氣缸內(nèi)無(wú)潤(rùn)滑油在安裝空氣彈簧室之前要對(duì)氣缸下部油腔注入干凈潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑密封環(huán)和排氣閥桿，同時(shí)對(duì)潤(rùn)滑密封環(huán)和排氣閥桿的接觸面進(jìn)行油封，否則密封環(huán)3磨損，空氣彈簧室空氣壓力不足，關(guān)閥行程過(guò)慢[8]。4、空氣單向閥及安全閥故障彈簧空氣室空氣單向閥不能止回，引起空氣室壓力不足；彈簧空氣室自身設(shè)定壓力過(guò)低，引起空氣室壓力不足，一般設(shè)置0.7MPa左右；或者彈簧空氣室安全閥泄漏，引起空氣室壓力不足，以上幾點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致排氣閥關(guān)閉過(guò)慢[10]。5、控制系統(tǒng)及傳感器故障獨(dú)立控制單元CCU、FIVA閥位置傳感器、排氣閥位置傳感器以及排氣閥位置傳感器接線(xiàn)盒到CCU線(xiàn)路發(fā)生故障，就會(huì)干擾信號(hào)傳輸，導(dǎo)致排氣閥行程出現(xiàn)故障，并出現(xiàn)報(bào)警。四、故障解決及結(jié)構(gòu)改進(jìn)1、故障解決No.1缸排氣閥故障解決：No.1缸排氣閥發(fā)生報(bào)警后，輪機(jī)員把No.1缸排氣閥空氣壓力調(diào)高至0.7MPa時(shí)，No.1缸排氣閥依舊關(guān)閉過(guò)慢，同時(shí)伴有敲擊聲。隨后拆卸No.1缸排氣閥，發(fā)現(xiàn)排氣閥空氣彈簧室密封環(huán)1有2道刮痕，密封環(huán)2嚴(yán)重磨損，破壞空氣彈簧室密封性能，空氣彈簧室內(nèi)空氣泄漏，關(guān)閥行程控制空氣壓力不足，導(dǎo)致排氣閥關(guān)閉過(guò)慢。確認(rèn)敲擊聲是No.1缸排氣閥本體發(fā)出，拆卸No.1缸液壓油缸，發(fā)現(xiàn)排氣閥閥桿和空氣彈簧活塞位于油缸底部，空氣彈簧室空氣泄漏嚴(yán)重，通過(guò)單向閥補(bǔ)入空氣，停止供入后，排氣閥閥桿和空氣彈簧又回到底部，由此判斷密封環(huán)3漏氣。拆除空氣彈簧活塞，發(fā)現(xiàn)液壓油缸底部彈簧墊圈斷裂，密封環(huán)3嚴(yán)重磨損。密封環(huán)3磨損后，氣缸內(nèi)的燃?xì)馍细Z，彈簧墊片不能正常落座，引起空氣彈簧活塞下部發(fā)生撞擊破損，引起敲擊聲，同時(shí)空氣彈簧室內(nèi)空氣壓力不足，排氣閥關(guān)閉行程過(guò)慢。檢查發(fā)現(xiàn)：彈簧空氣室下部油腔滑油不足，導(dǎo)致密封環(huán)3嚴(yán)重磨損。彈簧空氣室下部油腔滑油主要作用是潤(rùn)滑密封環(huán)3和排氣閥閥桿，同時(shí)對(duì)密封環(huán)3和排氣閥閥桿接觸部位形成油封。通過(guò)更換No.1缸排氣閥空氣彈簧室全部密封環(huán)，液壓油缸彈簧墊圈，彈簧空氣室下部油腔充注干凈足量的滑油，主機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，No.1缸排氣閥行程恢復(fù)正常。No.3缸排氣閥故障解決：No.3缸排氣閥發(fā)生報(bào)警后，檢查No.3缸蓄壓器壓力、排氣閥空氣彈簧室空氣壓力及空氣單向閥、排氣閥執(zhí)行器進(jìn)油單向閥均正常，初步判定為控制系統(tǒng)故障；隨后檢查主機(jī)操作界面（MarineOperatePosition,MOP）電腦上No.3缸絕緣，電噪聲為11dB（介于其他缸中間水平），把No.3缸與No.2缸排氣閥（工作正常）位置探頭互換，檢查從No.3缸排氣閥位置探頭到CCU的線(xiàn)路，重新?lián)懿甯鱾€(gè)端子并上緊螺絲，重新啟動(dòng)主機(jī)，No.3缸排氣閥正常工作，但10h后No.3缸排氣閥關(guān)閉過(guò)慢報(bào)警再次出現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排查，最后確定故障可能發(fā)生在排氣閥位置傳感器接線(xiàn)盒到CCU的線(xiàn)路[4]。該船排氣閥位置傳感器接線(xiàn)盒到CCU線(xiàn)路長(zhǎng)9m，大部分電纜完好地固定在線(xiàn)路支架上，但是中間有0.5m懸空。這一小段懸空電纜隨主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而輕微抖動(dòng)，電纜與鐵軋帶之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)主機(jī)，用手搖動(dòng)懸空處電纜，主機(jī)立刻發(fā)出No.3缸排氣閥行程短報(bào)警。排氣閥位置傳感器接線(xiàn)盒到CCU的線(xiàn)路出場(chǎng)時(shí)布線(xiàn)不合理，導(dǎo)致懸空線(xiàn)路隨主機(jī)工作振動(dòng)而抖動(dòng)，電纜與鐵軋帶長(zhǎng)期處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電纜磨損，電纜屏蔽線(xiàn)一旦破損，就會(huì)干擾信號(hào)傳輸，導(dǎo)致No.3缸排氣閥行程短報(bào)警。剪開(kāi)鐵軋帶，發(fā)現(xiàn)電纜外皮有輕微破損，停下主機(jī)，更換線(xiàn)路，檢查固定懸空線(xiàn)路，隨后啟動(dòng)主機(jī)，No.3缸排氣閥工作正常。2、密封空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)空氣彈簧室的密封對(duì)排氣閥關(guān)閉行程影響很大，為了提高密封空氣壓力，防止燃?xì)馍细Z，減輕排氣閥閥桿腐蝕和磨損，減小對(duì)排氣閥行程的影響，對(duì)密封空氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，見(jiàn)圖4。圖4空氣彈簧室密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造圖在空氣彈簧室A下部增設(shè)密封空氣室B，空氣彈