一例船舶主机启动故障分析处置

曹新玉+江峰+宋强

摘 要：大型船舶主机启动控制系统原理复杂，主机启动牵扯的因素多，对故障快速排查定位难，能否有效地解决故障对船舶机动至关重要。该文针对某轮发生的一例主机启动故障，对故障原因进行了深入分析，对排查方法措施进行了介绍，剖析了故障机理，查找了故障产生的根源，尤其对高压油泵结构原理、弹簧卡滞的机理进行了深入分析，该文对类似故障处置有一定借鉴意义。

关键词：柴油机 启动故障 高压油泵 弹簧断裂

中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（c）-0063-03

柴油机作为船舶主机的一种常见机型，柴油机不能正常启动是一个综合性的易发故障，掌握柴油机无法启动的原因与解决措施，对于轮机管理人员来讲十分必要。在寻找原因与解决办法时，既要从柴油机供油系统、进气系统、操纵机构、操作与环境、启动控制系统等多方面因素进行考虑，同时还要具体问题具体分析，根据具体故障现象，查找故障根源，采取有效措施排除故障，同时应加强主机预防性维修工作，减少柴油机不能启动故障概率，提高船舶主机可靠性。

1 故障现象

某轮共2台主机，型号为瓦锡兰8L46C柴油机，四冲程中冷增压，额定转速500 rpm，主机启动转速超过120 rpm发火。2015年12月14日，备航在对右主机启动时，连续启动多次，主机均未能正常启动。具体现象为：主机启动后，在启动空气的作用下转速达到120 rpm，但主机不发火，启动失败。

2 故障初步分析

主机曲轴旋转，但不发火的原因主要有以下3个方面：一是主机启动空气系统故障；二是燃油供油系统故障；三是进气系统故障。具体常见原因如下。

（1）启动空气故障，导致发动机转速过低。启动空气压力过低，系统未正常接通，阀件未开到位，空气滤芯脏堵，主起动阀、慢转阀、起动电磁阀故障等。

（2）停车装置未复位。主机淡水温度高、曲轴箱油雾浓度高、滑油低压等安保停车未复位，超速保护装置故障等。

（3）控制系统设置不正确。供油控制轴或调速器的负荷限制设定过低，起动燃油限位装置设定点不正确。

（4）燃油系统故障，柴油机供油不足。燃油压力不足，燃油泄漏，燃油滤器堵塞，燃油泵故障，燃油中含有水分杂质等。

（5）气缸压缩压力过低，进气阀或排气阀在开启位置卡住，处于“负气阀间隙”。进气系统不畅堵塞。

（6）调速器故障。调速器助力油缸不动作，调速器滑油污染，内部机构损坏。

（7）供油控制操纵机构故障。操纵机构不灵活，主机高压油泵卡滞，高压油管泄漏量大，喷油器雾化效果差。

3 故障排查与解决

多次启动主机无法发火，岗位人员迅速对故障展开排查。

（1）启动空气系统正常，启动压力在正常范围，检查测试电磁阀正常。

（2）主机安保停车各环节要素正常，未出现报警故障。

（3）控制系统设置均为出厂设置，未进行过修改，设定值复查正确。

（4）燃油系统全面检查，系统供油正常。

（5）通过盘车、冲车，气缸活塞压缩正常。

（6）调速器检查，未发现明显问题。

（7）供油机构外观检查正常。图1为供油机构示意图，拆除调速器弹簧连接杆（16）与供油机构连接螺钉（20），手动活络供油机构，发现供油操纵机构卡滞，需要用很大力气才能使机构运动。比对总杆供油量刻线与各高压油泵齿条刻线，发现右主机3#、4#、6#、7#缸供油量明显偏小，几乎接近于零。拆除3#、4#、6#、7#高压油泵齿条与总杆供油机构连接件（2），手动拉动齿条（1）不动作。关闭高压油泵停车活塞缸气路，齿条仍然卡滞不动。初步判断为高压油泵齿条机构卡滞故障。

为进一步确定故障部位，岗位人员按照工艺要求，依次对4台故障高压油泵拆检、解体检查，发现6号、7号缸高压油泵柱塞底部内弹簧以及3号、4号高压油泵内外弹簧均断裂，7号缸高压油泵上弹簧盘和齿圈损坏。对其余部件清洗检查，未见异常。由于船上无弹簧备件，更换了4台备用高压油泵，并对操纵机构轴承点加注润滑脂，灵活性检查正常，总杆供油齿条刻线与各缸高压油泵齿条刻线一致。装复完成后，启动主机发火正常。后停靠江阴母港联系设备厂家，按照预防性维修理念，对2台主机其余高压油泵解体检查，发现右主机5号、8号高压油泵柱塞底部内外弹簧也均已断裂，左主机弹簧与右机类似，存在不同程度磨损。对弹簧予以全部更换，至此故障隐患得以解决。

4 故障机理分析

主机高压油泵是主机喷射系统的核心部件，其主要作用定时定量控制产生高压燃油进入喷油器喷射。高压油泵的主要零件是由柱塞和套筒所构成的偶件。柱塞上设有直槽、斜槽和环槽，套筒上开有2个圆孔。柱塞中部与调节齿圈用键连接，齿圈与齿条啮合，拉动齿条可转动柱塞以调整柴油机的循环供油量。柱塞下端接上下弹簧盘及柱塞弹簧。高压油泵供油通过凸轮顶头顶动柱塞上行完成，而柱塞的吸油动作则靠弹簧使柱塞下行来完成。调节齿条上有刻线，指示高压油泵供油量。各缸高压油泵齿条通过连接螺钉与油门操纵机构总杆相连，通过调速器拉动操纵总杆实现供油量的总调。各缸高压油泵调节齿条对面装有停车活塞缸，当电控超速保护系统给出指令，或自动停车系统动作时，30 bar的控制空气作用在停车活塞缸上，将高压油泵的油门齿条推向零供油位置。

對拆下来的弹簧检查，发现弹簧上下三圈平面磨损严重，断裂处也多发生在此位置（如图2、3所示）。同时发现高压油泵内部件浮锈油泥较多，内外弹簧表面镀层均有不同程度的剥落斑点，弹簧韧劲有所下降。高压油泵柱塞底部弹簧主要起到缓冲恢复柱塞行程的作用，弹簧在工作中不仅受压应力、拉应力及冲击应力，还承受扭转应力，在弹簧的内表面，剪切应力值最大，其应力集中的敏感性十分重要，一旦材料表面有微小的缺陷或裂纹存在，应力马上会集中在缺陷的周围，导致材料的晶格产生扭曲破坏，随着应力的不断循环，缺陷形成疲劳核心，并不断扩展，与此同时，集中的应力也逐渐增大。一旦集中的应力大于材料的极限应力，就会造成弹簧早期的疲劳断裂。

弹簧断裂后，由于弹簧上下部没有足够的径向约束体，断裂的两段弹簧在承受压缩时会发生歪斜，不再与柱塞中心线保持一致，同时弹簧的弹力也会下降很多（如图4所示）。当柱塞受凸轮顶杆的推挤向上运动时，柱塞通过下部弹簧座同时挤压弹簧，两截弹簧受力都不是上下垂直方向，将对柱塞、齿圈产生横向推力。当柱塞受到横向推力并试图在套筒中往复运动或转动时，会与套筒产生较大的附加侧向摩擦推力。当齿条试图拉动齿圈，并带动柱塞转动时，由于柱塞、齿圈同时受阻，造成操纵机构卡滞供油不畅。断裂弹簧在凸轮顶杆的来回推挤向，当弹簧卡滞在齿圈下端时，将会造成齿条固定在一个位置无法转动，该文有主机4个缸齿圈均卡滞在零位，造成主机供油操纵机构卡滞，在启动空气作用下主机曲轴转动，但未供油，主机无法发火启动失败。

某轮2台主机运行均已接近20 000 h，弹簧上下三圈平面磨损严重，部分镀层脱落受到腐蚀破坏，成为应力集中区，所以，此次故障定位为高压油泵柱塞弹簧磨损韧性下降疲劳损坏。

5 结语

通过此次故障排查分析，给岗位人员积累了宝贵经验，为避免类似故障发生，今后在对主机管理中，应对高压油泵予以更加关注，做好以下几点。

（1）密切关注主机排温、高压油泵供油情况，定期对主机齿条操纵机构灵活性检查，比对供油总杆刻线与各缸高压油泵齿条刻线是否一致。

（2）开启燃油分油机净化主机燃油，加强主机燃油日用柜放残，防止水分杂质进入高压油泵。

（3）大修时，对高压油泵弹簧磨损及韧性进行检查，视情更换。

参考文献

[1] 李树梅，阎平.螺旋弹簧断裂分析及预防措施[J].金属热处理，2012（11）：130-132.

[2] 王雪峰，王玲.回油孔式高压油泵柱塞弹簧断裂对柴油机运行工况的影响[J].船海工程，2011（2）：91-93.

[3] 孙培廷.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2002：57-62.