艦船柴油機性能試驗總體技術分析與探討

王利偉，崔志文，陳 博

應用研究

艦船柴油機性能試驗總體技術分析與探討

王利偉1，崔志文2，陳 博3

（1.91404部隊，河北秦皇島 066001；2. 92555部隊，上海 200439；3. 海軍駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913）

在分析國內艦船柴油機性能試驗現狀基礎上，提出了艦船柴油機性能驗證試驗與性能鑒定試驗的一體化策略；研究了重點試驗項目總體技術層面的考核要素，以及試驗準備、安全管理和裝備保障要求、旨在為提升艦船柴油機整機性能試驗能力提供參考。

動力裝置 艦船柴油機 性能試驗

0 引言

目前絕大多數艦船采用柴油機，艦用柴油機是常規艦船動力的主體，通常作為推進主機或發電機組原動機。柴油機裝備批量大，應用范圍廣，經濟性好，其技術性能直接影響艦船整體技術水平和使用性能。為提高試驗效益，避免重復投入，合理區分工作界面，確保數據采集的一貫性和延續性，進一步充分檢驗驗證其柴油機整機的性能，需在科研場地提前開展相關試驗和測試評估，性能試驗重點對照研制總要求的全部要求，考核各項指標的達標度。

1 柴油機性能試驗現狀分析

我國艦船柴油機經歷了“引進研仿”到“自行研制”，再到“引進國產化”的三種發展模式，截至目前形成了兩代艦船柴油機動力。第一代艦用柴油機是上世紀五、六十年代研仿前蘇聯和六、七十年代國內自行研制的艦用柴油機，這些動力裝備的研制生產滿足了我海軍第一代艦船及其后續艦艇的建造需求；第二代艦用柴油機是指二十世紀七十年代末開始從德國、法國等國家引進生產許可證技術進行國產化生產的艦船柴油機，保障了近期艦船裝備的研制。

現役艦船柴油機均為引進生產許可證技術，國外只提供了整機磨合試驗規范，而我國在進行引進機消化吸收工作時，并沒有開展柴油機主要零部件平臺可靠性考核以及整機磨合試驗、可靠性考核試驗等規范的研究，因此到目前為止，我們都沒有相應的試驗考核規范[1]。動力裝置國內傳統的試驗模式是隨艦船平臺一起進行試驗；而在新模式下，動力裝置試驗早于系統的試驗，在動力裝置未裝艦前就開展性能試驗。隨著柴油機國產化的研制，必須同步在此階段從試驗角度考慮裝備的檢驗與考核，切實起到把住關口的作用。

2 柴油機性能試驗總體策略

柴油機性能試驗階段的基本策略是，對照研制總要求的全部性能指標，具體分析每個指標的考核條件，盡可能模擬實船使用條件，主要采用試驗考核方式，在科研試驗場地或者第三方有資質實驗室進行考核[2]。對于性能驗證試驗中已經充分驗證的指標，可視情采信性能驗證試驗數據，需記錄柴油機各項性能驗證試驗的全過程功能性能試驗數據，由相關資質單位認定并通過檢驗驗收；部分不具備實際條件開展的性能試驗項目應提供相應的計算、仿真分析文件，組織專家評估合理性。部分試驗本階段不具備完全考核的條件，僅進行部分考核，其余部分進行跨階段考核。具體試驗平臺如圖1所示：

圖1 艦用柴油機性能試驗系統安裝簡圖

3 試驗總體技術研究

3.1 測試類試驗分析

對照柴油機頂層設計的性能指標考核要求，開展典型環境下性能、復雜環境適應性和邊界性能鑒定試驗。典型環境下性能鑒定試驗需開展的試驗項目主要包括性能試驗和通用質量特性試驗等。充分摸清柴油機在復雜環境條件下的性能底數，構建復雜自然環境、電磁環境、沖擊環境等復雜環境。圍繞艦船柴油機實際使用過程中關注的邊界性能以及出現的問題，設置性能邊界試驗。

3.2 關于修正類試驗技術研究

試驗環境狀況不同于標準基本狀況或標定功率下的環境狀況，若柴油機試驗時的環境狀況與標定環境條件不符時，須對柴油機功率、燃油消耗率、滑油消耗率等進行修正。

1）柴油機燃油消耗率測定試驗：根據CB/T 4147-2011《船用柴油機燃油消耗率測定方法》，對燃油消耗率進行修正計算。

2）排氣煙度測定試驗：當試驗環境條件不滿足標準環境時，按GB/T21404-2008《內燃機發動機功率的確定和測量方法一般要求》進行修正。

3）推進特性試驗：當試驗環境進氣溫度與功率標定環境條件規定不一致時，按照環境進氣溫度功率修正曲線進行修正。

4）負荷特性試驗：當試驗環境條件與功率標定環境條件規定不一致時，按照環境進氣溫度功率修正曲線進行修正。

3.3 計算評估類試驗技術研究

柴油機搖擺、傾斜、環境溫度、進氣溫度、海水溫度、相對濕度、安裝傾斜角等環境適應性指標，以及備件滿足率、備件利用率等保障性指標，在性能試驗階段內場試驗可能不具備充分考核條件，需要結合部分內場試驗開展仿真計算評估，因此，需要開展柴油機環境適應性、保障性等指標的仿真計算和評估技術研究。

3.4 第三方計算驗證

對在實裝上無法驗證（如總體性能）或尚未完全解決（如軸瓦和活塞環）的關鍵技術及零部件，在試驗驗證的同時，引入第三方計算進行校核（如下表2）。

表2 第三方計算清單

3.5 定性指標要求研究

柴油機定性要求主要對其設計、工藝、軟件及其他方面提出非量化要求，如采用可靠性和技術成熟度、標準化設計、冗余設計、裕度設計、關重件設計驗證、軟件可靠性設計、維修空間設計、人機工程設計、維修可達性設計、維修安全分析設計、安裝互換和功能互換、柴油機運行監測參數、重要信號的冗余設計、傳感器選型、安全性防護、管路防火設計、零部件材料選型等。如圖2所示。

圖2 定性指標要求分析圖

4 試驗全流程分析控制

4.1 試驗前的分析控制

4.1.1前期資料消化吸收

試驗前需向承試單位提供以下五方面的資料，分別為研制立項批復、試驗總案、技術要求等項目總體文件；樣機性能試驗大綱、樣機試驗報告、階段評估、轉階段研制工作總結等性能驗證文件；裝機方案及裝機件明細表、裝配檢驗記錄、裝機傳感器計量和檢驗證明、試驗臺位和儀器儀表清單及檢定證書等質量證明文件；柴油機總圖、使用說明書、維修手冊、圖冊等技術文件；對試驗實施細則、試驗操作規程、試驗現場管理要求、試驗系統保障方案等性能鑒定文件。

4.1.2建立試驗備件清單

結合前期摸底試驗及驗證試驗情況，對整機易損易耗件、影響整機運行的主要零部件庫存保有量提出需求，為保障試驗順利開展，建立備品備件清單。

4.1.3測試設備的校準

為保證試驗所獲取的數據準確、有效，提出規范測試設備的校準需求，對校準條件、校準用標準器、校準方法等內容進行查驗，并針對校準證書和校準原始記錄兩部分進行核對。

4.1.4承試單位的培訓

了解整機對外接口關系，熟悉輔助系統基本操作、開機流程、操機人員試驗前準備工作、操機及試驗后的操作步驟，保障任務安全有序進行。

4.2 試驗中分析控制

為了避免重復試驗，采取試驗相互結合的開展方式，例如安全性溫度測量、振動、噪聲結合功率標定試驗開展。

船舶推進特性試驗和負荷特性試驗開展在不同占比的持續功率的工況點下測定各項主要性能參數值，燃油消耗率測定、各缸工作均勻性、排氣煙度測定、NOx排放測量等試驗時，各工況點試驗可結合推進用柴油機推進特性試驗或發電用柴油機負荷特性試驗一并進行；標定功率穩定性試驗時柴油機在額定工況下連續運行4 h，110%工況下連續運行1 h，安全性測試可結合此試驗進行；滑油消耗率測定試驗中柴油機起動后，盡快開至規定的額定工況，連續運轉時間4 h以上，整機振動和噪聲測量試驗結合滑油消耗率測定試驗進行。

4.3 試驗后分析控制

4.3.1試驗數據分析與處理

依據相關國軍標、海軍標中規定的數據處理方法，對各試驗項目中的試驗數據進行處理。

4.3.2故障梳理與分析

對前期發生故障進行全面梳理，尤其是關重件故障的原因分析定位、機理描述、故障復現、試驗補充驗證等進行深入分析，避免此類故障重復出現。

5 結束語

艦船動力裝置比艦船動力系統的試驗優勢在于，大部分試驗可以在性能階段在陸上開展與策劃，可以提前策劃性能或者效能方面的考核。目前國內研制的動力裝置新型號，性能提高的基礎上，實際就是機體本身承受的壓力、溫度、振動的幅度與頻次等都在相應提高，為了提高動力裝置的可靠性，對設備配套廠在新材料和加工工藝上提出更高的要求。根據提升的指標要求，需要前期總體策劃和方案設計時，系統考慮各種影響因素，制訂合理的實施方案，把住試驗的關口對裝備好用頂用顯得尤為重要。

[1] 敖晨陽, 徐飛, 霍柏奇. 國外艦船柴油機發展現狀及趨勢[J]. 艦船科學技術, 2013, 35（12）: 1-5.

[2] 曾凡明, 吳家明, 龐之洋.艦船動力裝置原理[M].北京: 國防工業出版社, 2009.

The General Technical Analysis and Discussion on Performance Test of Marine Diesel Engine

Wang Liwei1, Cui Zhiwen2, Chen Bo3

(1. No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China; 2. No.92555 Unit of PLA, Shanghai 200441, Shanghai, China; 3. The First Military Representative Office of the Navy in Shanghai, Shanghai 201913, China)

U674

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1003-4862（2021）09-0041-03

2020-12-28

王利偉（1981-）高級工程師。研究方向：艦船機電系統。E-mail: 17504562@qq.com