1500t海警船主機接排失敗的原因分析及解決方法

王小莉　周靖淞

摘 要：本文介紹了廣州中船黃埔造船有限公司建造的1 500 t海警船的主推進系統，并對主機和齒輪箱接排失敗的原因進行了深入分析并予以解決。

關鍵詞：主推進系統；主機；齒輪箱；接排

中圖分類號：U664.2 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces the main propulsion system of 1 500 t police vesselbuilt by CSSC Guangzhou Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited and analyzes the cause and solution for main engine and gear box failure to engage.

Keywords： Main propulsion system；Main engine；Gear box；Engage

1 前言

船舶主推進系統由柴油主機、齒輪箱、軸系和螺旋槳組成。主機與齒輪箱能否穩定且可靠的接排、脫排，直接關系到設備的使用壽命及航行的安全。目前，主機與齒輪箱的接排方式主要有液力耦合式和摩擦片式兩種。下面以上海708研究所設計并由廣州黃埔文沖船舶有限公司建造的1 500 t海警船的主推進系統為載體，對主推進系統中影響主機與齒輪箱正常接排的因素進行分析。

2 主推進系統組成

1 500 t海警船的主推進系統，主要由以下設備及系統組成，其齒輪箱采用了最常見的摩擦片式離合器：

（1）4臺德國MTU 20V4000M93型主柴油機，功率3 900 kW；

（2）2套德國SIEMENS型減速齒輪箱，外接2套對外消防炮；

（3）2套上海704所KL80/5型液壓調距系統；

（4）2條軸主系及軸系附件；

（5）2個調距槳；

（6）1套加拿大L3-MAPPS型推進監控系統，含機艙、集控、駕駛等多個控制站；

（7）其它外圍輔助設備。

3 主推進系統布置

1 500 t海警船主推進系統采用了四機、雙槳的配置，如圖1所示。

4 主推進系統接排失敗的原因分析及解決方案

4.1 接排失敗現象

1 500 t海警船主推進系統試驗中，發現主機在規定接排轉速下（600～1 200 r/min），無法與齒輪箱完成接排，具體表現為：

（1）接排指令發出后，隨著接排過程中柴油機外部負荷（主要來自軸系及螺旋槳）的突然增大，柴油機電子調速器的輸出油門亦增大（即噴油量增大），在噴油量達到最大時，柴油機仍然無法帶動軸系及螺旋槳，導致柴油機被壓停；

（2）從發出接排指令到柴油機被壓停大概只有2 s時間，這個過程中柴油機的燃油、滑油、冷卻水、排氣溫度、軸承溫度等熱功參數均未出現異常，齒輪箱也沒有任何報警輸出。

4.2 引起接排失敗的可能因素及分析

4.2.1 電氣及機械聯鎖對接排的影響

接排前，需保證下列接排聯鎖測點已解除：

（1）主車鐘手柄必須在零位；

（2）主機及齒輪箱盤車位置應在脫開位置；

（3）鎖軸銷要在脫開位置；

（4）螺距要在零位；

（5）主機/齒輪箱滑油壓力均在接排允許范圍內；

（6）主機冷卻水壓力需在接排允許范圍內；

（7）尾軸氣胎壓力應全部釋放（防止軸系被氣胎抱死）。

如果上述任一條件不滿足，主機/齒輪箱就無法接排。

4.2.2 齒輪箱預控制油壓大小及維持時間對接排的影響

預控制油壓的作用是實現控制油的預填充，預控制油壓的填充及維持過程，實際上就是離合器處于半離合的過程。

首先從預控制油壓的大小來分析：如果預控制油壓過小，接排過程中油壓無法將齒輪及摩擦片推至半離合狀態，從而無法驅動軸系低速旋轉，同時也會對齒輪箱摩擦片的使用壽命產生負面影響；如果先導油壓過大，則在接排過程中會出現主機被壓停的情況。

其次從預控制油壓維持時間的長短來分析：如果預控制油壓維持時間過短，相當于時間/壓力坐標的斜率增大（如圖2中的T3段），從預控制油壓上升到開關油壓（即正常工作的控制油壓）的時間很短，瞬間產生的重負荷會使主機的調速器沒有充足的響應時間，柴油機會被“憋?！?；相反，如果先導油壓維持時間過長，齒輪箱在接排過程中長期處于半離合狀態，則會縮短摩擦片的使用壽命。

4.2.3 主機輸出扭矩及齒箱箱最小啟動扭矩對接排的影響

接排瞬間若主機輸出扭矩小于齒輪箱最小啟動扭矩，則會導致接排失敗或主機被“憋?！?。主機輸出扭矩的大小，直觀上反映在接排時主機轉速的高低，主機轉速越高，主機驅動端的輸出扭矩也就越大；但如果主機接排轉速過高，則雖然達到或超過了齒輪箱的最小啟動扭矩，但同時也會大大縮短齒輪箱摩擦片的使用壽命，極端情況下會將摩擦片燒毀。

4.2.4 主機調速器參數的設置對接排的影響

隨著柴油機控制技術的不斷發展，電子調速器憑借其快速、精準、穩定的響應，已逐漸取代機械調速器成為柴油機控制的主流。電子調速器的快速、準確、穩定的響應，與閉環控制中的PID參數密不可分。其中，P為比例參數，控制系統響應的快速性；I為積分參數，控制系統的準確性；D為微分參數，控制系統的穩定性。PID閉環控制系統原理，如圖3所示。

在主機接排過程中，如果PID參數沒有正確設置，尤其是在微分增益D設置偏小的情況下，極有可能出現在外部負載變化時引起柴油機的“游車”。極端情況下，在負載突卸時會引起柴油機飛車，或在負載突加時，將柴油機轉速壓至過低，引起柴油機停車。

4.3 接排失敗原因排查及解決方案

（1）現場對機械和電氣聯鎖條件逐一進行檢測，均未發現有不正確的聯鎖，因此，排除4.2.1接排因素的影響；

（2）在實際接排過程中，預控制油壓已經調至齒輪箱系統允許承受的油壓下限，但仍然無法完成接排，現象如4.1所述；對齒輪箱的接排時間延長到齒輪箱系統允許的最大時間，依然無法完成接排，現象如4.1所述。因此，排除4.2.2接排因素的影響；

（3）經過對相關技術參數的查閱，齒輪箱最小啟動扭矩為6.5 kNm。理論上，主機在規定范圍的接排轉速運行進行接排時，主機的輸出扭矩可以達到6.5 kNm。但試驗證明即使按上述參數進行試驗，仍無法成功接排。因此，排除4.2.3接排因素的影響；

（4）現場通過外接電腦，對柴油機電子調速器內部參數的設置進行檢查，發現PID閉環控制程序中，微分增益D設置較小。隨后，在對PI參數進行微調的基礎上，重點對電子調速器內部的微分增益D進行適度放大（在調整P、I、D任意一個參數時，另外兩個參數要做相應的調整），并經過多次試驗，直到出現接排過程中調速器產生較小的超調量（微分增益太大也會導致系統轉速出現振蕩.這時應減小微分增益）后，主機與齒輪箱即可以正常并穩定地接排。

對微分增益D調整后，接排過程中柴油機轉速變化曲線，如圖4所示。

從圖4中不難看出，接排過程中當主機轉速最低降到400 r/min（此轉速大于柴油機最低穩定轉速），在不到2 s時間內柴油機轉速已經可以由400 r/min升至接排前的800 r/min，并且穩定運行，主機與齒輪箱接排成功。

由此可見，該船主機/齒輪箱接排失敗的原因是主機電子調速器PID參數設置出現了問題，導致接排瞬間引起柴油機外部負載增大，柴油機被“憋?！?。

5 結束語

通過以上對主機與齒輪箱接排失敗的現象的分析，歸納出了上述四點影響接排的因素，對其它船舶的推進系統接排方面遇到的問題，具有一定的借鑒作用。