|
随着电喷柴油机的引入，柴油机控制系统日趋复杂，智能化程度不断提高，设备复杂同时也伴随着故障率上升。船舶航行于海上，特别是目前受新型冠状病毒感染影响，各港口控制措施严格，船舶得到岸基维修难度加大，船舶柴油机一旦出现故障，船员无法及时处理造成停机，轻则延误船期造成经济损失，重则危害船上人员生命财产安全，因此研究如何利用有限信息对柴油机快速故障排查有很大意义。 1 ME-C型电喷柴油机HCU Events曲线介绍MAN B&W ME-C型柴油机开发了计算机控制监测诊断系统(Computer Controlled Surveillance-Engine Diagnostics System, CoCoS-EDS)及主操作面板(Main Operation Panel, MOP)内置电喷柴油机控制系统(Engine Control System) ME-ECS SW软件结合多功能控制器(Multi-Purpose Controller, MPC)内部监控功能对柴油机状态实时监测，当故障发生时及时通过发动机接口控制单元(Engine Interface Control Unit, EICU)发出报警，同时提示故障发生可能原因。在MOP B里还有一个很有力的辅助工具就是液压控制单元(Hydraulic Control Unit, HCU)事件记录，可以在MOP上面查看。使用HCU Events曲线判断故障需要对燃油喷射阀驱动(Fuel Injection Valve Actuation, FIVA)的控制信号、反馈信号，排气阀和燃油升压器的反馈信号有较深的理解，本文以如何使用该曲线图进行快速故障诊断作详细介绍。 1.1 HCU Events各曲线介绍在系统发生故障时，HCU Events对其前后5 s内各监控点的电流信号生成曲线图，轮机员可以通过此曲线图全面了解在此阶段时间内各主要部件的工作情况。正常状态曲线见图1。
图1 HCU Events正常状态曲线 如图1所示：FIVA主阀设定点电流曲线是FIVA主阀设定点电流曲线，以毫米为单位设定，其信号来源于气缸控制单元(Cylinder Control Unit, CCU);FIVA位置反馈电流曲线是FIVA位置反馈电流曲线，其主要用来判断FIVA具体动作情况，FIVA主阀设定电流曲线和FIVA位置反馈电流曲线在正常情况下应该是重合的，一般机械延迟导致给定曲线与反馈曲线之间存在细微的偏差是正常的，但是偏差大的时候，可能是由MPC板或者导阀故障引起的 1.2 FIVA阀设定值曲线分析1.2.1 喷油过程分析HCU Events工作曲线见图2。
图2 HCU Events工作曲线 1→2:CCU单元给FIVA导阀(下文类同)发指令，电流值介于8～12 mA之间，FIVA主阀有个很小的向下位移，少量液压油通过内部油道进入燃油升压器底部排除气体，为即将到来的喷油做准备，该段时间非常短。 2→3:导阀电流值大于12 mA,主阀继续向下位移，此时主阀流通面积迅速增大，燃油升压器柱塞受到液压油作用迅速上移到指定行程，该行程由导阀通电持续时长决定，为主喷阶段，从图上看出燃油升压器的反馈信号与主阀移动还是存在一定的位移差，主要由于建压过程有迟滞性。 3→4:导阀电流值小于8 mA,主阀上移到中间位置，关闭进燃油升压器驱动液压油，喷油结束，燃油升压器柱塞开始下行。 4→5:主阀保持在中位，燃油升压器柱塞在压差作用下继续下行，但喷油泄放口开启很小，此段也可以从燃油升压器柱塞位移曲线看出。 5→6:导阀电流值小于8 mA,主阀继续上移一小段，喷油泄放孔全部打开，主阀喷油流通面积迅速增大，柱塞回到最低位置，同时排气阀泄放口关闭，为排气阀开启做准备。 1.2.2 排气阀开启过程分析6→7:导阀电磁阀电流值介于8～12 mA,主阀保持不动，准备开启排气阀。 7→8:导阀电磁阀电流值小于8 mA,主阀上移到最大位置，此阶段为排气阀开启阶段。 8→9:主阀继续保持在此位置，排气阀快速打开。 9→10:导阀电流值大于12 mA,主阀下移一小段，继续保持排气阀开启，此段是为了防止排气阀开启过大，减小开阀冲击力。 10→11:主阀保持在此位置，排气阀持续保持开启。 11→12:导阀接受CCU指令，导阀电流大于12 mA,主阀下移一小段，排气阀开始关闭。 12→13:主阀不动，排气阀继续关闭，排气阀泄放口只打开很小，此阶段为了减少排气阀落座冲击。 13→14:导阀电流值大于12 mA,主阀继续向下移动到中位偏上一点，排气阀泄放口打开，喷油泄放口开启一小部分，进入喷油准备阶段。 至此，一个工作循环结束。在对HCU Events曲线详细了解后，当电喷柴油机发生故障后，我们可以第一时间查看故障发生前后5 s内HCU主要部件工作趋势图，与正常曲线比较，以便快速锁定故障。为了柴油机工作安全，电喷柴油机当排气阀或者FIVA阀故障后一般该缸会自动切断供油，燃油升压器和排气阀工作曲线将会变化，在应用中需要加以区分。 2 故障案例2.1 案例1某船主机型号MAN B&W 12K98ME-7,某日航行途中主机EICU单元发出“Fuel Plunger Not Returned-CCU6”燃油柱塞未回位警报，后发展为主机No.6缸燃油升压器柱塞行程太大报警，且该缸不发火。
图3 HCU Events燃油升压器故障曲线 一般，燃油升压器柱塞行程大和回程变慢可能有以下几个原因。 1) FIVA导阀和主阀阀芯卡阻动作迟缓，导致燃油升压器开度过大和回程过慢，此原因FIVA位置反馈电流应该有异常，会和FIVA设定点曲线分离。 2) MPC板指令异常或者和FIVA之间信号传递存在异常，此现象FIVA反馈信号曲线、FIVA控制阀曲线应该也存在异常。 3) 燃油升压器本体故障，如：吸油阀卡在关闭位置、燃油升压器位置传感器零位漂移、伞形罩(防油罩)于柱塞连接处松动，上部柱塞由于燃油颗粒磨粒磨损导致动作存在阻力，下部液压活塞异常磨损或者燃油泄漏导致活塞运动周围积碳运动卡阻等。 故障发生后船端按常规方法排查故障，首先封缸更换FIVA导阀，换好复位后故障未消除，排除导阀原因，然后更换燃油升压器的位置传感器，故障没有消除，最后决定更换FIVA阀，故障依然未消除。根据以上分析的几个原因，决定更换该缸MPC板，MPC板换好重启后，还是依然会出现以上报警。排除以上几个原因后，故障基本锁定在燃油升压器本体上，首先更换吸油阀，确定是否由于吸油阀卡住所致，更换后依然在报警，决定维持目前局面到港后更换燃油升压器本体，船舶抵港后更换燃油升压器后试车航行报警未出现，故障排除。 事后针对当时船端提供的HCU Events曲线可以发现，故障发生后No.6缸燃油升压器柱塞电流值明显偏大，正常数值在5 000～10 000左右而图中显示数值已经大于10 000,而且曲线下降明显变缓、斜率变大，可以推断燃油升压器回程存在阻力。经过船方处理，最后确认是燃油升压器液压柱塞套筒上部2道密封令老化失效，燃油漏入，引起积碳液压柱塞卡阻进而拉毛。液压柱塞落座迟缓，单循环供油量无法满足，CCU单元会发指令增大喷油量进而引起柱塞升程变大，出现报警。若是当时船上能重视该曲线的应用，应该在故障排查上更快一些。 2.2 案例2某船主机型号MAN B&W 8L90ME-C10.2,某日航行途中主机突发“Exhaust Valve Closing Too Slow CCU8-03023315”报警，随即主机自动减速，查看相关报警记录及MOP B内部故障发生时HCU Events曲线(见图4)。 判断故障应该是出现在排气阀系统相关部件，分析可能有如下几个原因： 1) 排气阀传感器故障，如传感器探头脏污、接线松脱、与传感器连接的电缆短路等。 2) 排气阀驱动器故障，如内部柱塞磨损卡阻、驱动器上部低压滑油进口单向阀故障。
图4 HCU Events排气阀故障曲线 3) FIVA阀及导阀故障、MPC板故障、排气阀驱动器液压油泄放慢，导致排气阀关闭阻力大，蓄压器膜片损坏、压力不足，此故障FIVA反馈曲线也会异常。 4) 排气阀液压油管故障，如油管接触面漏油、油管弯头处裂纹漏油等。 5) 排气阀本体故障，如排气阀本体节流塞堵塞、安全阀弹簧断裂密封令失效漏油、排气阀空气止回阀损坏、排气阀气腔内部密封令磨损导致空气压力无法满足关阀需求等。 根据HCU Events曲线分析该排气阀开启行程电流值比正常值偏大很多，说明排气阀开启时空气弹簧的阻尼作用大大削弱，但排气阀迅速开启可排除驱动器油管等液压腔室部件损坏，且排气阀关闭慢报警，所以基本可以断定排气阀关阀的动力不足，空气弹簧压力低或者空气腔室存在泄漏。 排查最终结果发现排气阀阀杆处密封胶木令(备件号343A-21)磨损，关闭排气阀的空气压力无法维持，导致排气阀关闭慢报警。此胶木令质量要求比较高，若是发现损坏，航行中停车后可以采取现场解体方式更换。 目前电喷柴油机排气阀故障率非常高，在平时保养中，需及时按保养周期对排气阀进行检修，一般在28 000～32 000 h, 1～2个月对排气阀做1次气密性试验。液压油和系统滑油没有分开的系统排气阀的节流塞，比较容易堵塞，平时需经常打开检查清通。遇到排气阀故障报警时，首先区分是开启还是关闭，开启和关闭都有相应的行程高和行程低两种状态报警，对于关闭问题主要排查空气侧，对于开启问题主要排查动力滑油侧，遵循先易后难原则。 3 结束语柴油机故障诊断过程有很大的不确定性和随机性，需要船舶一线人员有丰富的处理故障知识储备，平时一线人员在工作中借助可能的状态参数和故障报警信息等对故障机理、故障现象、故障原因进行分析总结，积累经验。本文介绍的HCU Events曲线图，是一种在故障发生后的排查方法，HCU Events不仅可以在MOP上面查看，也可以保存为“.dat”格式文件，使用小程序软件打开后可以分析判断TACHO、FIVA阀、燃油升压器、排气阀系统的工作情况，此格式文件存量小，也可以发送管理公司由技术主管等查看分析。在设备正常运转的情况下，在MOP B中建议对各缸控制阀手动标绘一个趋势曲线，日后可以使用该曲线判断相关故障。当发生故障时柴油机会及时通过EICU单元发出报警，故障发生后MOP会提示相应的故障发生可能的原因，一线人员还可以通过主操作面板维护保养功能测试，基本都能找到问题发生的原因并自行解决。在故障排查中若是对该曲线了解较多，有利于及时找出HCU中存在故障的部件，可以避免盲目排查。 平时可以借助MAN B&W 提供的CoCoS-EDS和PMI在线性能监测软件，结合主机运转参数及各种传感器信息来监视、诊断、预测和管理柴油机状态，准确评估柴油机的健康状况，通过故障预测和健康管理减少故障发生的概率，提高系统稳定性和可靠性，降低维修成本，这也是当前需要重点关注和研究的课题。 |
|
|
