论文部分内容阅读
摘 要：以某船离港时电控主机起动失败为例，介绍5RT-flex58T-D二冲程共轨柴油机起动过程，分析启动失败原因，为该型主机起动操纵系统的日常管理提供借鉴。
关键词：5RT-flex58T-D 二冲程共轨柴油机；电控主机；启动阀；FCM-20模块
0 前 言
船舶经常在各种复杂条件下航行，特别是进出狭水道、港口，靠离码头时的机动航行，要多次改变航速及航向，主机需要频繁地进行正倒车操作。为保证航行安全，船舶主机应当具有可靠、稳定的正倒车起动能力，轮机员必须充分掌握船舶主机的操纵性能。随着电控船舶主机的出现，船舶主机的操纵系统由气动操作向微机控制电气操作发展，操作系统越来越抽象化，对轮机员的理论水平提出更高要求。除此之外，各港口国政府严格和广泛地采取措施，对抵港船舶实施PSC检查，若发现船舶主机存在重大缺陷而不适航，将发出警告并要求限期解决或滞留船舶，船公司因此承担船期损失和高昂的修理费用，甚至还会被列入“黑名单”而导致名誉受损。因此，熟练掌握电控主机的起动、换向及操纵机构的性能并能及时排除故障，对轮机的安全管理是至关重要的。
1 问题描述
某船采用瓦锡兰5RT-flex58T-D二冲程共轨柴油机作为船舶主机，在某航次准备满载离港前，由驾驶台操纵主机进行起动试验，当操纵手柄处于正车位置时，主机无反应，曲轴转角指示在198°；当操纵位置转到集控室，再次进行正车操纵时，主机仍无反应，曲轴转角指示不变，而主机起动连锁各项处于正常工作位。随即进行倒车起动，主机仍然无转速，倒车起动失败。于是，引航员以船舶重要设备发生故障不适航为由，取消该船离泊计划。
2 RT-flex电控主机起动原理
瓦锡兰5RT-flex58T-D二冲程共轨柴油机，额定转速105rpm，额定功率109 00kW，正车发火顺序为1—4—3—2—5，发火间隔角72°CA。如图1所示，该型主机的起动控制系统主要由起动控制电磁阀1和2、主起动阀3、先导电磁阀4、气缸起动阀5和单缸控制模块FCM-20组成。当主机起动指令发出后，遥控系统通过总线给出一个起动信号，起动电磁阀1和2就分别从控制模块FCM-20#1和FCM-20#2得到电信号处于工作位，控制空气打开主起动阀3 。由主空气瓶过来的约3MPa左右的压缩空气进入起动空气总管等待，各缸的FCM-20会根据其曲柄所处位置和发火顺序，发出控制信号使先导电磁阀4依次得电处于工作位，打开气缸起动阀，压缩空气进入气缸，推动活塞使曲轴旋转。当曲轴转速达到发火转速时，燃油喷入气缸发火，同时先导电磁阀3、起动控制电磁阀1和2失电，气缸起动阀和主起动阀关闭，主机起动过程结束。
在起动过程中，压缩空气一般在曲柄位于上止点后5°CA进入气缸，当曲柄位于上止点后110°CA时，气缸起动阀关闭。各缸曲柄位置通过角度编码器计算得来，角度编码器自动计算1号缸的曲柄位置，然后通过发火顺序和发火间隔角得出其他各缸的曲柄位置，并通过总线送到各FCM-20模块，FCM-20模块根据各缸曲柄位置自动控制气缸起动阀的关闭和开启。
3 故障排除
3.1 原因分析
结合RT-flex共轨柴油机起动原理和问题描述可知，出现该种现象是因为处于发火位置的气缸起动阀没有打开，压缩空气不能进入气缸推动活塞下行，从而导致主机在起动过程中无转速。导致气缸起动阀打不开的主要原因是：
A. 控制系统故障，包括软件和硬件；
B. 执行阀件故障，包括气缸起动阀、主起动阀、各控制电磁阀。
由于控制系统相对复杂且其稳定性相对较高，因此在故障排查过程中应从相对简单的执行阀件开始。在排查故障的过程中，当给出正车指令时，主起动阀动作处于打开状态，说明起动电磁阀1、2和主起动阀正常，接下来需要检查处于发火位置的气缸起动阀和控制电磁阀。
3.2 故障气缸的确定
根据控制显示屏上的曲轴位置，可以快速确定处于发火角度的气缸，具体过程如下：在瓦锡兰RT-flex共轨柴油机中，曲柄位置是利用角度编码器进行测量的，当测得某缸的曲柄位置时，利用发火顺序和发火间隔角即可得到其他各缸的曲柄位置。5RT-flex58T-D电控主机的正车发火顺序是1—4—3—2—5，倒车发火顺序为1—5—2—3—4，发火间隔角为72°CA，如图2所示。
角度编码器测量的是NO.1缸的曲柄位置，在起动过程中，各缸的气缸起动阀在该缸活塞位于上止点后5°CA打开，压缩空气开始进入气缸，上止点后110°CA气缸起动阀关闭，因此可以得出NO.1缸活塞在上止点后5°CA～110°CA为该缸气缸起动阀的持续开启角度。同理可以得出其他各缸的气缸起动阀开闭时刻，如表1所示。表1中，为便于分析，倒车时的曲轴角度仍按正车进行计算，从而保证曲轴所处位置不变。
根据问题描述，当正车时，控制屏上显示的曲轴角度为198°CA，从表1可知，NO.3缸处于气缸起动阀开启位置；当进行倒车时，NO.2和NO.5缸处于气缸起动阀开启位置，其中NO.2缸处于主要作用位置。由此初步判断是NO.2和NO.3气缸的起动阀或先导电磁阀出故障。当分别给出正车和倒车命令时，发现NO.3和NO.2气缸的先导电磁阀4均有动作；当命令结束时，电磁阀4有气体泄放的声音，从而初步判断是NO.3和NO.2气缸的起动阀出现问题。根据表1，利用盘车机将曲轴位置分别盘车到5°CA、77°CA、293°CA，正车起动主机，主机有转速，因此确定是NO.3和NO.2气缸的起动阀故障导致该问题的发生。
3.3 问题解决
故障确定后，由于时间紧迫，船员将备品库中的两个备用气缸起动阀装机，同时将NO.3和NO.2缸的起动先导电磁阀换新，将曲轴位置盘车到198°CA，进行正倒车起动，发现主机仍无转速，而倒车起动正常。由于换装的气缸起动阀是使用过的旧备件，而非新备件，无法确定安装在NO.3缸的备用气缸起动阀是否正常，将NO.1和NO.3缸的气缸起动阀对换，试车发现，曲轴位置在198°CA可以正车起动，根据表1，盘车至30°CA时，正车无转速，确定备用气缸起动阀存在问题，对原NO.3缸气缸启动阀进行拆检装复，主机试车成功，故障排除。事后，对备用气缸起动阀拆检发现，该阀在装复时，阀芯活塞环安装错误，使该阀阀芯卡死在关闭位置。
4 总 结
此次主机起动失败主要是由气缸起动阀故障引起的，而造成气缸起动阀故障的主要原因是起动空气中带有大量的碳渣、水等杂质，使气缸起动阀卡死在关闭位置。从此次主機故障处理中可以发现，由于备用气缸起动阀存在问题，延误了故障排除时间，长达 3个多小时。为保证主机起动性能良好和船舶航行安全，在日常管理中应做到以下几点：
（1）加强主空压机的运行检查和保养，做好主空气瓶和起动空气管系的残水泄放工作，保持主起动空气干燥、清洁。
（2）定期对气缸起动阀和先导电磁阀进行维护，保证其性能处于良好状态。
（3）在开航前进行主机测试，或对主机起动系统拆检保养后，应根据表1所示，将主机盘车至各个特定角度，对主机进行冲车或正倒车试验，以分别测试主机各个缸的气缸启动阀和先导电磁阀的性能状况，避免发生因某单缸起动阀或先导电磁阀故障，导致主机在某个曲柄角度出现起动故障。
（4）加强对重要备件的维护，保证其能在应急情况下正常使用，从而提高船舶运行的安全性。
此外，还应加强对轮机管理人员的专业技能培训，通过设置一些故障情景的方式，训练和提高轮机管理人员故障诊断和应急处置的能力。
关键词：5RT-flex58T-D 二冲程共轨柴油机；电控主机；启动阀；FCM-20模块
0 前 言
船舶经常在各种复杂条件下航行，特别是进出狭水道、港口，靠离码头时的机动航行，要多次改变航速及航向，主机需要频繁地进行正倒车操作。为保证航行安全，船舶主机应当具有可靠、稳定的正倒车起动能力，轮机员必须充分掌握船舶主机的操纵性能。随着电控船舶主机的出现，船舶主机的操纵系统由气动操作向微机控制电气操作发展，操作系统越来越抽象化，对轮机员的理论水平提出更高要求。除此之外，各港口国政府严格和广泛地采取措施，对抵港船舶实施PSC检查，若发现船舶主机存在重大缺陷而不适航，将发出警告并要求限期解决或滞留船舶，船公司因此承担船期损失和高昂的修理费用，甚至还会被列入“黑名单”而导致名誉受损。因此，熟练掌握电控主机的起动、换向及操纵机构的性能并能及时排除故障，对轮机的安全管理是至关重要的。
1 问题描述
某船采用瓦锡兰5RT-flex58T-D二冲程共轨柴油机作为船舶主机，在某航次准备满载离港前，由驾驶台操纵主机进行起动试验，当操纵手柄处于正车位置时，主机无反应，曲轴转角指示在198°；当操纵位置转到集控室，再次进行正车操纵时，主机仍无反应，曲轴转角指示不变，而主机起动连锁各项处于正常工作位。随即进行倒车起动，主机仍然无转速，倒车起动失败。于是，引航员以船舶重要设备发生故障不适航为由，取消该船离泊计划。
2 RT-flex电控主机起动原理
瓦锡兰5RT-flex58T-D二冲程共轨柴油机，额定转速105rpm，额定功率109 00kW，正车发火顺序为1—4—3—2—5，发火间隔角72°CA。如图1所示，该型主机的起动控制系统主要由起动控制电磁阀1和2、主起动阀3、先导电磁阀4、气缸起动阀5和单缸控制模块FCM-20组成。当主机起动指令发出后，遥控系统通过总线给出一个起动信号，起动电磁阀1和2就分别从控制模块FCM-20#1和FCM-20#2得到电信号处于工作位，控制空气打开主起动阀3 。由主空气瓶过来的约3MPa左右的压缩空气进入起动空气总管等待，各缸的FCM-20会根据其曲柄所处位置和发火顺序，发出控制信号使先导电磁阀4依次得电处于工作位，打开气缸起动阀，压缩空气进入气缸，推动活塞使曲轴旋转。当曲轴转速达到发火转速时，燃油喷入气缸发火，同时先导电磁阀3、起动控制电磁阀1和2失电，气缸起动阀和主起动阀关闭，主机起动过程结束。
在起动过程中，压缩空气一般在曲柄位于上止点后5°CA进入气缸，当曲柄位于上止点后110°CA时，气缸起动阀关闭。各缸曲柄位置通过角度编码器计算得来，角度编码器自动计算1号缸的曲柄位置，然后通过发火顺序和发火间隔角得出其他各缸的曲柄位置，并通过总线送到各FCM-20模块，FCM-20模块根据各缸曲柄位置自动控制气缸起动阀的关闭和开启。
3 故障排除
3.1 原因分析
结合RT-flex共轨柴油机起动原理和问题描述可知，出现该种现象是因为处于发火位置的气缸起动阀没有打开，压缩空气不能进入气缸推动活塞下行，从而导致主机在起动过程中无转速。导致气缸起动阀打不开的主要原因是：
A. 控制系统故障，包括软件和硬件；
B. 执行阀件故障，包括气缸起动阀、主起动阀、各控制电磁阀。
由于控制系统相对复杂且其稳定性相对较高，因此在故障排查过程中应从相对简单的执行阀件开始。在排查故障的过程中，当给出正车指令时，主起动阀动作处于打开状态，说明起动电磁阀1、2和主起动阀正常，接下来需要检查处于发火位置的气缸起动阀和控制电磁阀。
3.2 故障气缸的确定
根据控制显示屏上的曲轴位置，可以快速确定处于发火角度的气缸，具体过程如下：在瓦锡兰RT-flex共轨柴油机中，曲柄位置是利用角度编码器进行测量的，当测得某缸的曲柄位置时，利用发火顺序和发火间隔角即可得到其他各缸的曲柄位置。5RT-flex58T-D电控主机的正车发火顺序是1—4—3—2—5，倒车发火顺序为1—5—2—3—4，发火间隔角为72°CA，如图2所示。
角度编码器测量的是NO.1缸的曲柄位置，在起动过程中，各缸的气缸起动阀在该缸活塞位于上止点后5°CA打开，压缩空气开始进入气缸，上止点后110°CA气缸起动阀关闭，因此可以得出NO.1缸活塞在上止点后5°CA～110°CA为该缸气缸起动阀的持续开启角度。同理可以得出其他各缸的气缸起动阀开闭时刻，如表1所示。表1中，为便于分析，倒车时的曲轴角度仍按正车进行计算，从而保证曲轴所处位置不变。
根据问题描述，当正车时，控制屏上显示的曲轴角度为198°CA，从表1可知，NO.3缸处于气缸起动阀开启位置；当进行倒车时，NO.2和NO.5缸处于气缸起动阀开启位置，其中NO.2缸处于主要作用位置。由此初步判断是NO.2和NO.3气缸的起动阀或先导电磁阀出故障。当分别给出正车和倒车命令时，发现NO.3和NO.2气缸的先导电磁阀4均有动作；当命令结束时，电磁阀4有气体泄放的声音，从而初步判断是NO.3和NO.2气缸的起动阀出现问题。根据表1，利用盘车机将曲轴位置分别盘车到5°CA、77°CA、293°CA，正车起动主机，主机有转速，因此确定是NO.3和NO.2气缸的起动阀故障导致该问题的发生。
3.3 问题解决
故障确定后，由于时间紧迫，船员将备品库中的两个备用气缸起动阀装机，同时将NO.3和NO.2缸的起动先导电磁阀换新，将曲轴位置盘车到198°CA，进行正倒车起动，发现主机仍无转速，而倒车起动正常。由于换装的气缸起动阀是使用过的旧备件，而非新备件，无法确定安装在NO.3缸的备用气缸起动阀是否正常，将NO.1和NO.3缸的气缸起动阀对换，试车发现，曲轴位置在198°CA可以正车起动，根据表1，盘车至30°CA时，正车无转速，确定备用气缸起动阀存在问题，对原NO.3缸气缸启动阀进行拆检装复，主机试车成功，故障排除。事后，对备用气缸起动阀拆检发现，该阀在装复时，阀芯活塞环安装错误，使该阀阀芯卡死在关闭位置。
4 总 结
此次主机起动失败主要是由气缸起动阀故障引起的，而造成气缸起动阀故障的主要原因是起动空气中带有大量的碳渣、水等杂质，使气缸起动阀卡死在关闭位置。从此次主機故障处理中可以发现，由于备用气缸起动阀存在问题，延误了故障排除时间，长达 3个多小时。为保证主机起动性能良好和船舶航行安全，在日常管理中应做到以下几点：
（1）加强主空压机的运行检查和保养，做好主空气瓶和起动空气管系的残水泄放工作，保持主起动空气干燥、清洁。
（2）定期对气缸起动阀和先导电磁阀进行维护，保证其性能处于良好状态。
（3）在开航前进行主机测试，或对主机起动系统拆检保养后，应根据表1所示，将主机盘车至各个特定角度，对主机进行冲车或正倒车试验，以分别测试主机各个缸的气缸启动阀和先导电磁阀的性能状况，避免发生因某单缸起动阀或先导电磁阀故障，导致主机在某个曲柄角度出现起动故障。
（4）加强对重要备件的维护，保证其能在应急情况下正常使用，从而提高船舶运行的安全性。
此外，还应加强对轮机管理人员的专业技能培训，通过设置一些故障情景的方式，训练和提高轮机管理人员故障诊断和应急处置的能力。