【船机帮】浅谈船用主机的超负荷

船机故障心莫慌，遇事不决船机帮

导读

文章分析了船用主柴油机超负荷原因，并考察其在船上运行环境的特殊性和复杂性。 

其所承受负荷多变性和不可预测性工况是固定 (陆上)机组运行中根本不会出现的超负荷工况，而在船上却极易发生。

有一种异态、常态反转现象，且更多以一种隐性出现，具有不可预测的特点。

灾害性天气、恶劣海况、航道地貌是造成超负荷的主因。

一

柴油机超负荷的一般释义

固定柴油机组在运行中只要不超越当值机组的 “功率速度特性曲线” 限制和主要技术参数 (主要是各项温度参数；压力参数；转速参数)要求，都不会出现超负荷。

超过这些规定，机组被认定超负荷，这是固定 (陆上)机组的情况，但是，船用柴油机运行过程中超负荷认定就远不这么简单。 

这是因为船用柴油机受其推进特性所决定。

另外， 还受海况影响。 

船用柴油机在运行中受到来自外界自然的、非人为的环境干扰和制约。

这种态势，对固定机组是异态，在船用柴油机运行过程中则属于常态，从而导致产生各种不可预知的 (恶劣天气；复杂海况；水底障碍物等)超负荷工况出现。

这些外界因素导致的种种负荷的多变性通常处于“条例”或 “规程” 的管理之外，是一种随机性极强事件，存在极大的偶然性和不确定性。

这种超负荷我们姑且称为 “隐性超负荷”，以区别固定机组超负荷。

它是一种危害性更大、更危险的工况。

下面就船用柴油机经常遭遇的因外界因素引发的多种突发工况分析其成因、环境条件、危害及预防。

二

船用柴油主机运行环境的特殊性、复杂性与超负荷的关系

由于船用柴油机运行环境、空间、条件和固定机组 (陆上)差异巨大，它在运行过程中必然受到这些因素制约，机组负荷亦必然随其变化而变化。

以下重点列举几点略作阐述，以说明其对机组运行的影响程度。 

1.恶劣海况

它是指因暴风雨、雪、海啸、台风带等原因引发的海域灾害性水文、气象现象。

海况变化随时受空间、时间、气象、航线、地理地貌条件等因素而变化，情况极其复杂。

常言说：“海上无风三尺浪”，就是对海洋险恶气象的形象描述。

而波浪就是机组产生隐性超负荷主因之一。

图1 柴油主机工作点在各种航行条件下的变化

从图1可知，如柴油机以标定负荷速度特性，与具有推进特性曲线 I 的螺旋桨配合工作，工作点为a，此时柴油机发出标定功率Pe ，带动螺旋桨以标定转速转动。

如果船舶阻力增加，螺旋桨的推进特性曲线将会变陡，例如变为特性曲线Ⅱ，这样工作点从a点变为b点，此时，尽管柴油机的功率和转速均低于标定值，但已经在超扭矩范围工作，这对柴油机的工作是十分不利的。

反之，当船舶阻力减小时，螺旋桨的推进特性曲线将会变平坦，例如变为特性曲线Ⅲ，这样工作点从a点变为d点，此时，尽管柴油机未超扭矩工作，但柴油机的转速和功率均超过标定值ne和Pe ，柴油机也处于超负荷状态 ，这对柴油机的工作也是十分不利的。

而船舶航行阻力会受以下不可控因素的影响： 

暴风雨雪海况因素；海流流向因素；航道地 貌因素；船体水下部分污底因素；搁浅、触礁因素；螺旋桨钩挂异物；拖曳 (拖带 )增 量加、螺旋桨撞击漂浮物等。

而可控因素有：

航行中急转弯；启航；狭水道；系泊；加速 ；倒航；换向；装载等。

这些因素单独或综合作用都会造成机组实际推进曲线 (或转矩特性曲线)偏离原设计推进特性曲线 (或转矩 限制特性 曲线 )，实际推进向左边或右边的移动都会导致机组的功率、转矩或转速超负荷。

这种工况在恶劣天气海况中航行会反复交替出现。

当船舶处于波峰时，螺旋桨暴露于水面，产生零负荷空转，机组转速骤增，主机超速 (飞车)。

船舶处于波谷时，船体浸水体积骤增，摩擦阻力突然加大，主机曲轴 (含轴系)超负荷 ，螺旋桨推力和转矩同时增加。

这种恶劣海况引发船体的纵向和横向摇摆都会产生以上两种超负荷 (实际伴随超热负荷)。

而这两种超负荷对船用柴油机来说是最危险的。

其他各种因素也以类似危害对机组产生作用，只不过严重程度不同而已。 

2.船舶搁浅或坐触礁

船舶众多海损事故中，搁浅或坐礁 (含触礁 ) 都是严重海损事故。

在这种事故发生时，船的进程在瞬时从正常进程突然下降到零进程或接近零进程，但主机还继续以原工况带动螺旋桨工作。

从“螺旋桨作用特性曲线”得知，这时螺旋桨的推力和转矩将从最小值升至最大值。

螺旋桨工作原理告诉我们：“当进程逐渐加大时，螺旋桨推力不断减少，当进程增至某一数值时 (一般稍大于H值)，螺旋桨推力为零。通常称为零推力。”

相反，当进程从最大值变为零时，螺旋桨攻角达最大值，这时螺旋桨、轴系、机组都会因螺旋桨发出超过设计推进功率和转矩而造成轴系、曲轴、连杆等的严重超负荷。

船舶发生以上事故后为了自救脱险，往往也以这种在船舶零进程工况下大负荷倒航，人为造成机组超负荷。 

3.螺旋桨或艉轴缠绕异物

出现这种故障时，螺旋桨负荷突增，主机排烟冒黑，转速下降，长时间会导致冷却水、润滑油温度升高，燃烧恶化，轴系和曲轴超负荷。 

4.拖曳

这种超负荷工况大多发生于拖网渔船。

主要原因是网具进入大宗鱼群或网具钩挂异物 (沉船碎片、小礁石等)，会使原设定工况改变，进程减少，螺旋桨攻角改变导致推力和转矩增大。这种情况会引发长时间超负荷工作。 

5.螺旋桨撞击漂浮物

在发生这种情况时，螺旋桨叶会发生变形，螺旋桨推进特性变坏，尤其是螺距变大，动平衡失衡，振动加大，使各种轴承负荷大增而受损。 

6.船体污底摩擦阻力增大

船舶随营运时间的推移，船体外表海洋生物 (藻类、贝类等)附着增多，锈蚀加重。

船体摩擦阻力逐日增大，据相关资料称船体摩擦力以每年2％的速度增加，这必然增加机组额外负荷，“螺旋桨推进特性曲线”随之左移，机组转速下降。

这时若保持原来设定转速不变，机组实则处于超功率运转。

这种情况易造成错觉导致机组长时间超功率运转，危害很大。

7.船舶转弯 

众所周知，每艘船都有自己特有的回转半径。 

这个特性的存在，对单机装置的船影响不大，但对双机或多机的船来说其影响不可小视。

船越大、越长，回转半径越大 (一般为船长的3倍左右)，回转时间越长，对机组的影响越明显。

由于内外机组在船回转时所处半径不同，其所经历的距离、航迹不同，回转圈内侧和外侧机组螺旋桨所经历进程不一样，相应的其内外机组负荷 (转速 )也不一样。

这从机组的排烟变化即可直观地识别出来。

这时若不事先对机组进行负荷 (转速)调整 ，内侧机组就会进入严重的超负荷状态。

8.狭水道 (浅水 )航行

对于船舶从海洋进入河流 (或运河)，或从深水区域进入浅水区域，都会发生所谓的“船吸” (岸吸或底吸)现象，这种现象的最直接后果是航行阻力的增加，航速下降。

若盲目地保持航速不变，则机组会处于超功率负荷状态下运行。

三

超负荷危害及预防

超负荷是在机组运行中发生的，原因只能从运行中查找、分析。

但综观其原因不外乎主观因素和外界客观因素。

外界不利因素作用可以通过主观行为动作来化解，应特别强调加深对客观世界认识，如每次航线的预案制订，气象预报分析，对机组技术状态好坏的了解、应对措施等，采取相应运行技巧以应对客观运行条件。 

超负荷是在船一机一桨三者失衡状态下出现的。

三者的相对均衡则是确保超负荷不出现的保证。

而三者均衡的建立又是随机的 (特别是与海况)相关的，互为依存为前提的。

预防机组超负荷的发生，人员的综合知识的具备就显得很重要。 

特别是机一驾合一模式化的现代船舶中，不论是轮管学科或驾驶专业都应具备相关交叉的基本知识，任何单科知识在今天都是不够的。 

在现代船舶运行中，不谙 “推进特性曲线” 的驾驶人员如何科学操纵船舶运行是不可想象的。

而不知船舶性能的轮管人员如何调整机组以适应不同航行条件亦是不可能的。

故如何提高船员素质应是预防工作的前提 ，各种条例、规程、制度是第二位的。

没有高素质人才，再好的东西亦执行不好。 

对于船用柴油机超负荷的预防，很多时候很难做到。

1)因为海况变化在微观范畴是不可预测的，最乐观也只是对其宏观变化作出预测，对现场技术操作意义不大。

因此，对机组的超负荷变化也就不可预测。预测不能先行，预防就谈不上了。 

2)机 (轮机)驾 (驾驶)两个部门的协调与合作。

在实际运行中因为各自对同样一件事物考量各有所重，驾驶部门考量的是全船的安全，机务部门考量的是机器的安全，但在危急海况中可能引发各种超负荷情况下，机务部门服从驾驶部门是必要的，不可推辞。

故超负荷在所难免，机务部门只能要求尽量减少受伤害程度。

此时，过分强调 “条例”或 “规程”是不恰当的。 

3)在特殊危险船况时，如坐礁、搁浅，为了保证船舶、人员、货物安全，牺牲一些主机的安全也是必然的，这也是一种预防。 

4)突发事故时，如雾中航行、狭水道航行、复杂航道航行等可能发生的碰撞的全功率倒航或急转弯、避险等都必须超负荷运转。 

5)在万不得已时，驾驶部门应考虑抛“海锚”来保护主机，但这时应慎重衡量船舶的可操控性，无动力船舶处境是相当困难的。 

6)船用主柴油机在以下几种航行状态下不应作过度预防：

①航行途中遭遇不可规避的恶劣海况 (暴风雨雪天气、海啸等) 时；

②在繁忙航道中天气突变时；

③在顺风、顺水又流速大的狭窄水道航行时；

④存在碰撞危险需采取紧急避碰措施时。

在这若干种情况下，虽然主机有超负荷危险，但为了全船安全也在所不惜了。

其最低限度允许工况是必须保持船舶航行有足够操舵效能 (俗称舵力)。

一旦由于主机推进功能导致丧失必要的操舵效能，船舶就有倾覆的危险。

尤其在灾害性海况时或碰撞危险时会造成比主机超负荷更加严重的后果，甚至船毁人亡。

这是作为轮管部门不能不事先做的预案。 

船用柴油机超负荷的危害是不言而喻的。

轻者加快机件磨损 (特别是运动副)，缩短机器使用寿命，造成经济效益下降，船舶运行效率受损。

重者则可能造成机毁人亡的惨剧，船舶失控，严重威胁营运安全。

故预防超负荷的运行应作为事故预防重点来抓。

特别是对操作失效而造成超负荷更是应警 钟长鸣，加以杜绝。

本文原创作者系：

湛江海洋大学   李  湛   梁榕辉  

湛江造船厂     王希龙

END

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