某船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障的分析與研究

劉 珍，張瑋瑋

● （中船重工第704研究所，上海 200031）

某船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障的分析與研究

劉 珍，張瑋瑋

● （中船重工第704研究所，上海 200031）

文章根據(jù)船東提供的關(guān)于該船柴油機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁波動(dòng)的故障現(xiàn)象及隨機(jī)資料，對(duì)在分析產(chǎn)生故障的原因和采取的處理方案、達(dá)到排除故障的結(jié)果等方面進(jìn)行了論述。

柴油機(jī)；轉(zhuǎn)速波動(dòng)；處理方案

0 引言

在一百多年前，人類一直生活在沒有人造電磁輻射的自然環(huán)境中。那時(shí)，自然界產(chǎn)生的電磁輻射主要是太陽的光輻射、宇宙射線、地球磁場(chǎng)輻射和地球熱輻射等。隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，電氣和電子設(shè)備已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，而且還在積雪般迅速地?cái)U(kuò)大和發(fā)展。隨之電磁干擾現(xiàn)象也逐漸增大并日趨嚴(yán)重，它不僅在通信領(lǐng)域中對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生、傳播和接受造成了極大的影響，而且給人類社會(huì)的生產(chǎn)與生活帶來了不容忽視的危害。

本文將談?wù)勲姶鸥蓴_在船舶柴油機(jī)控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的危害。船舶柴油機(jī)控制系統(tǒng)受到電磁干擾時(shí)，可能出現(xiàn)失控、誤控或者誤動(dòng)作，使控制系統(tǒng)的可靠性和有效性降低，并危及安全。

1 控制模式

某型船采用雙機(jī)雙槳推進(jìn)裝置，其槳即是調(diào)距槳裝置，調(diào)距槳可以按照船舶航行的要求，在保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向不變的情況下，通過調(diào)節(jié)螺距角度，就可改變船舶的航向與航速，具有較高的可靠性和操作性，經(jīng)濟(jì)效益良好。該船控制模式有機(jī)旁操縱模式、備用控制模式、恒轉(zhuǎn)速模式以及機(jī)槳聯(lián)控模式，其控制原理[1]簡(jiǎn)圖如圖1所示，機(jī)槳聯(lián)控模式主要是通過操控手柄到不同的位置，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳螺距根據(jù)聯(lián)控曲線做相應(yīng)動(dòng)作。在日常使用過程中，都是通過操縱手柄采用聯(lián)控模式航行。其機(jī)槳聯(lián)控曲線初始設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 故障現(xiàn)象

2013年7月26日至30日，該船柴油機(jī)、調(diào)距槳出現(xiàn)以下故障：7月26日17:00時(shí)，該船出海返航過程中，從空車位置慢慢拉至高速過程中發(fā)現(xiàn)拉至進(jìn)四工況時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)不到車令表對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（1530rpm）。而只能到達(dá)1300rpm左右。整個(gè)過程中調(diào)距槳螺距按聯(lián)控曲線變化。此時(shí)轉(zhuǎn)至分控控制、恒轉(zhuǎn)速控制、備用控制等模式，現(xiàn)象均與上相同，轉(zhuǎn)至機(jī)旁操縱柴油機(jī)，柴油機(jī)操縱正常。

圖1 某船控制原理簡(jiǎn)圖

圖2 機(jī)槳聯(lián)控曲線初始設(shè)計(jì)圖

7月27日13:00時(shí)，該船在港外航行時(shí)，兩機(jī)均無故障，聯(lián)控操縱模式正常，轉(zhuǎn)速可以達(dá)至1800rpm（進(jìn)五工況）。13:20左右進(jìn)港時(shí)，手柄拉至空車時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩機(jī)轉(zhuǎn)速不能降至怠速（760rpm），最低只能降到960rpm。轉(zhuǎn)入機(jī)旁模式時(shí)，兩機(jī)轉(zhuǎn)速均回到怠速狀態(tài)。

8月1日，通過排查，最后查出故障現(xiàn)象根源：當(dāng)船內(nèi)部電話有人撥電話而對(duì)方未接時(shí)，出現(xiàn)上述故障。對(duì)方電話有人接聽或者己方掛斷后，柴油機(jī)、調(diào)距槳系統(tǒng)均恢復(fù)正常。我們將故障復(fù)現(xiàn)，柴油機(jī)遙控時(shí)空車轉(zhuǎn)速為760rpm，當(dāng)撥打電話時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速升至 960rpm，然后慢慢推手柄至進(jìn)四，轉(zhuǎn)速?gòu)?60rpm慢慢升至1300rpm。當(dāng)有人已接聽時(shí)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)至車令表上對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（1530rpm）。

該船于2006年交付船東，使用七年來未出現(xiàn)調(diào)距槳、柴油機(jī)控制與調(diào)節(jié)異常的情況。根據(jù)故障現(xiàn)象與排查原因，初步分析轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象是由電話線路對(duì)轉(zhuǎn)速造成電磁干擾引起。查詢?cè)摯碾S機(jī)資料知，該船的電話參數(shù)：待機(jī)48V/10mA，摘機(jī)6V/1.25mA。當(dāng)有電話呼入時(shí)，電話線電壓上升至48V，話機(jī)即響鈴。當(dāng)對(duì)方接聽?wèi)?yīng)答后，電話線電流將至6V。

3 故障分析

3.1 電磁干擾

電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生的。電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

3.2 故障原因分析

根據(jù)電磁干擾的危害我們知道當(dāng)信號(hào)線受到電磁干擾時(shí)，干擾會(huì)引起信號(hào)工作異常、甚至導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，引起公地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯混亂，誤動(dòng)作等故障。目標(biāo)信號(hào)在電路中的傳輸總是以雙線方式傳輸，習(xí)慣上稱為信號(hào)回路。但就干擾信號(hào)來說，它進(jìn)入電子設(shè)備傳輸就有可能出現(xiàn)兩種傳輸情況：一種情況是與目標(biāo)信號(hào)一起沿正常回路串入工作單元，形成差模干擾；另一種情況是以傳輸目標(biāo)信號(hào)的雙線作為一線，又以地為另一線索構(gòu)成的傳輸回路，讓干擾信號(hào)進(jìn)入工作單元的工作模式形成共模干擾[2]。此船是由電話線路對(duì)柴油機(jī)給定信號(hào)產(chǎn)生干擾，由于在集控室內(nèi)的電話線路與柴油機(jī)信號(hào)線排布距離較近，撥電話時(shí)對(duì)柴油機(jī)信號(hào)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。任何通過導(dǎo)線傳導(dǎo)的干擾都可以分為兩種方式：差模（differential mode）方式和共模（common mode）方式，根據(jù)差模與共模干擾原理知道如圖3所示的電流關(guān)系[3]:

圖3 電流關(guān)系圖

式中，I實(shí)機(jī)為受干擾后的實(shí)際柴油機(jī)電流；I實(shí)通為受干擾后的實(shí)際通信電流；I機(jī)為理論柴油機(jī)電流；I通為理論通信電流；IDM=(I通-I機(jī))/2為差模電流。

空車時(shí)，柴油機(jī)為怠速 760rpm，對(duì)應(yīng)的電流是 I機(jī)=5.6mA，當(dāng)有電話呼入時(shí)，電話線電壓上升至48V電流為I通=10mA，根據(jù)上面公式得到干擾后的電流為I實(shí)機(jī)=I機(jī)+IDM,=7.8mA，7.8mA對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)速為960rpm。

進(jìn)四工況：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm。對(duì)應(yīng)的電流是I機(jī)=15.54mA，電話進(jìn)來后產(chǎn)生干擾，干擾后的電流為I實(shí)機(jī)=I機(jī)+IDM=12.77mA。對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速是1310rpm。

從空車?yán)吝M(jìn)四過程中，主機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?760rpm升至1500rpm。當(dāng)有電話呼入產(chǎn)生電磁干擾時(shí)，根據(jù)以上公式得到干擾后的電流為I實(shí)機(jī)=I機(jī)+IDM，I實(shí)機(jī)從7.8mA 慢慢升至12.77Ma,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速?gòu)?60rpm升至1310rpm。正好與故障現(xiàn)象相吻合，這樣就找到了問題的根源。

4 故障解決

根據(jù)故障分析我們知道，故障是由電話通信線路對(duì)柴油機(jī)信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾，我們檢查電話線路與柴油機(jī)線路后發(fā)現(xiàn)在集控室兩者的線緊靠一起，而且兩者觸碰部位有輕微磨損。那么我們根據(jù)電磁干擾抑制方法做了如下步驟解決故障[4、5]：

1）將柴油機(jī)與電話信號(hào)的傳輸線改成雙屏蔽的雙絞線；兩者獨(dú)立走線，使用各自的屏蔽層。

2）利用接地技術(shù)消除電磁干擾，將柴油機(jī)各控制箱、接線盒及相關(guān)線路良好接地；電話接線箱及傳輸線路良好接地。連接到柴油機(jī)的任何電子控制設(shè)備都要與其共地，共地時(shí)使用短和粗的導(dǎo)線。

3）利用布線技術(shù)改善電磁干擾，柴油機(jī)信號(hào)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，同時(shí)應(yīng)避免柴油機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)距離平行走線，以減少外部線路輸出電壓快速變化而對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生電磁干擾。

通過以上幾個(gè)步驟的完成，我們不斷打電話試驗(yàn)，連續(xù)試驗(yàn)4小時(shí),，不再出現(xiàn)上述故障。船維修后繼續(xù)使用，到目前為止一直未再出現(xiàn)此類故障。此柴油機(jī)波動(dòng)故障得到解決。

5 結(jié)束語

通過上述分析與采取解決故障的措施，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)故障得到有效的解決。但是電磁干擾問題會(huì)隨著空氣濕度、周邊環(huán)境的變化而出現(xiàn)。因此，我們?cè)谏a(chǎn)電氣、電子設(shè)備時(shí)，一定要采取好防干擾措施。

[1]楊曉丹.調(diào)距槳的一種機(jī)槳聯(lián)合優(yōu)化控制方法[J].船舶工程, 2003(1): 33-36.

[2]趙金奎.共模干擾與差模干擾及其抑制技術(shù)[J].電子質(zhì)量, 2006(5): 72-76.

[3]聞?dòng)臣t,周克生,等.電磁場(chǎng)與電磁兼容[M].北京:科學(xué)出版社, 2010.

[4]李銳海.電子設(shè)備的防雷及防電磁干擾[J].云南電力技術(shù), 1998(2): 10-13.

[5]陳濤,候振義.開關(guān)電源的干擾及抑制[J].電源技術(shù)應(yīng)用, 2005(11): 55-58.

CCS與挪威GEXCON公司簽署技術(shù)合作框架協(xié)議

近日，中國(guó)船級(jí)社與挪威GEXCON公司在北京CCS總部簽署了技術(shù)合作框架協(xié)議。雙方由此拉開了在LNG定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估業(yè)務(wù)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、共同發(fā)展的序幕。

CCS副總裁孫峰和挪威GEXCON公司總裁Sturle Harald Pedersen分別代表雙方在協(xié)議書上簽字。

挪威GEXCON公司是一家全球知名的氣體、粉塵和火災(zāi)爆炸安全咨詢機(jī)構(gòu)，在安全和風(fēng)險(xiǎn)管理方面提供全方位的技術(shù)咨詢服務(wù)。該公司開發(fā)的三維CFD軟件FLACS，代表著國(guó)際爆炸模擬仿真領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在全球油氣行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中得到廣泛應(yīng)用，也是目前唯一在美國(guó)獲得聯(lián)邦法規(guī)批準(zhǔn)的用于陸上LNG工廠設(shè)施選址過程中所要求的全部LNG蒸汽擴(kuò)散場(chǎng)景模擬的CFD軟件。通過和GEXCON的合作，CCS將提升在油氣領(lǐng)域的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估服務(wù)能力。

GEXCON大中國(guó)區(qū)副總裁謝鑌和CCS有關(guān)人士等人參加了簽字儀式。

（中國(guó)船級(jí)社）

Analysis and Research of Engine Speed Fluctuation on One Ship

LIU Zhen, ZHANG Wei-wei
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Based on the symptom and random data provided by the ship-owner about frequent engine speed fluctuations, the causes of faults, the treatment options and the expecting results etc.are discussed.

diesel engine, fluctuation of speed, treatment options

U664

A

劉珍（1985-），男，碩士，助理工程師。研究方向：船舶特種推進(jìn)、控制理論。