某船用柴油機拉缸故障分析

任鳳華，王嘉志，吳善躍

（92957部隊，浙江 舟山 316000）

柴油機作為船舶動力和電力供應的關鍵裝備，被稱為船舶的“心臟”。但由于工作負荷強度大、工作環境惡劣等原因，使得柴油機在船舶運行中的故障率較高，其中拉缸故障出現最為頻繁。

拉缸是柴油機運行中的嚴重故障之一，是活塞、活塞環或活塞銷在缸套中運動時，因某種原因造成零件損壞形成干摩擦，使缸套表面或者活塞因相互作用被拉傷、拉毛或劃出溝紋而影響柴油機正常運轉的嚴重磨損損傷現象[1]。造成拉缸的可能原因主要有：汽缸潤滑故障、冷卻和排氣故障、活塞環或活塞銷卡環故障、活塞或缸套單體故障、柴油機設計缺陷以及其他運行維護等方面的問題。本文以實際工作中遇到的某船用柴油機拉缸故障為例，分析了故障產生的原因機理，并對事故背后潛在的裝備管理問題進行了剖析，就裝備管理方法的優化改進談幾點思考意見。

1 故障現象及原因分析

1.1 裝備基本情況

柴油機型號為16V396TE54，其維修頻次采取W 等級修理模式，總共分為W1～W6 的6 個等級。故障發生時柴油機工作時間16 000 h左右，距離上一次等級修理時間（W5，12 000 h）間隔4 000 h，距離規定的W6 等級修理時間相差2 000 h。日常監測方面，柴油機主要采取油水氣溫度、壓力等參數在線監測與滑油定期取樣離線監測相結合的模式，截止故障發生前，滑油、淡水以及排氣的溫度壓力變化均無明顯異常。柴油機滑油主要磨損元素歷史監測數據如表1所示。

表1 柴油機主要磨損元素歷史監測數據

1.2 故障現象

柴油機在使用過程中潤滑油壓力突然下降，觸發報警裝置后機器自動停機，拆檢后發現柴油機B7 缸出現嚴重拉缸故障，柴油機B7 缸現場故障圖如圖1所示。根據現場勘察情況，了解到該缸故障為：①活塞在活塞銷孔位置大致沿橫向斷裂；②兩活塞銷孔銅襯套外表面有明顯咬合磨損痕跡，且靠近缸壁外端有明顯的撞擊變形；③氣缸套內壁有嚴重的拉痕且底部出現撞擊缺損；④機體上活塞冷卻油噴嘴及主油道被連桿打壞。由于機體損壞的潤滑油道難以修復，該柴油機修理將采取整機更換的措施。

圖1 柴油機B7缸現場故障圖

1.3 故障原因分析

經專家組初步分析判斷，認為該機出現拉缸故障具有2種可能：一種可能是活塞鑄造中活塞銷孔位置具有先天缺陷，該缺陷在持續交變的機械載荷和熱載荷作用下逐步擴展出現疲勞裂紋，導致活塞銷孔尺寸逐漸增大，造成活塞銷孔銅襯套松動；第二種可能是活塞銷孔銅襯套與活塞裝配過程中的過盈量偏大，在使用中出現銅襯套松動。無論哪種可能，松動的銅襯套都會在活塞往復運動中發生振動，并將振動攜帶的巨大動能直接作用在活塞的銷孔以及側端缸套位置，最終導致活塞斷裂、缸套破損，滑油主油道打斷，機器斷油造成拉缸事故。

2 維修管理存在的問題

2.1 維修管理模式不科學

傳統的維修管理模式，采取在裝備壽命周期內根據預定安排實施計劃性維修。用以指導裝備維修安排的主要依據是時間量，而非裝備的實際性能狀態，顯然這種維修模式有失科學性。

一是維修項目抓不住重點、分不清主次，不是維修過剩就是維修不足。上述故障案例中，據船員介紹柴油機在開展W5 等級修理時，修理項目涵蓋了曲柄連桿、氣缸蓋、配氣機構、進排氣管、中冷器、啟動空氣系統、附屬油水泵等諸多機械部件，任務量巨大而給定工期較短，因此修理單位對柴油機的氣缸及連桿機構選擇了抽檢，而恰巧漏掉了B7缸，給后續拉缸埋下了事故隱患。

二是計劃維修難以避免裝備的突發故障。計劃維修由于修理間隔時間相對固定，2 次修理間隙裝備出現的故障隱患難以被及時發現和處理，積存的小問題長時間擴展劣化容易釀成大事故，尤其對于工作環境惡劣且長期處于高負荷運轉的柴油機而言更是如此，計劃維修極易演變成事后維修。本案例中柴油機就屬于還未到規定的W6 等級修理時間就突發嚴重拉缸事故的典型，故障的突發給船舶航行安全造成嚴重危害，且柴油機的事后維修也影響了船方執行任務，并帶來不必要的經濟損失。

2.2 預防性維修水平低下

維修管理模式的落后也側面說明預防性維修水平的低下，而預防性維修的基礎在于裝備的監測診斷工作。上述案例中監測工作存在的主要問題有以下2方面。

一是監測工作未能形成有效閉環。監測機構曾在2021 年12 月14 日在對柴油機油樣定期監測中發現銅、鋁元素有異常增長的現象，并將此情況通報至了船方，同時給予船方“視情檢查相應磨損部件，設備運行50 h 后取樣復測，密切關注裝備運行發展趨勢”的建議。但船方未按監測指導意見開展相關問題的排查整改，而是選擇了直接更換滑油，導致其中關于銅、鋁磨損元素的信息被清零覆蓋。而2022 年3 月1 日再次取樣復測時，數值結果明顯下降，且與歷史正常數據接近，因而未再列入問題隱患清單，也未再要求繼續跟蹤監測。船方對監測發現問題的無效處置以及后續跟蹤監測的缺失，使得監測工作沒有達成有效閉環，也就導致錯失了裝備隱患早期發現的時機。

二是監測診斷能力還十分有限。船方對于柴油機的監測診斷主要以設備操作人員的感官經驗、柴油機油水氣參數在線監測以及第三方監測機構滑油離線監測為主，監測手段比較單一且都有很大的局限性。比如依靠操作人員的聽覺、視覺、觸覺等感官方面的經驗對柴油機性能狀態進行判斷，需要操作人員具有較高的專業素質和負責的工作態度，主觀依賴性強，且拉缸事故發生到被操作人員覺察的程度時，柴油機內部缸套和活塞等部件的摩擦已經非常嚴重。其次關于滑油、冷卻水以及進排氣溫度和壓力的在線監測數據獲取方便且數據真實可靠，可以作為柴油機性能監測的參考依據，但溫度升高和壓力變化是一個受多種因素影響且相對拉缸滯后的過程，難以應用于柴油機狀態惡化的提前預判。最后依托監測機構開展的滑油監測項目，能夠對柴油機磨損狀態進行監測，但受離線監測限制，油樣樣本數量偏少（距離上次等級修理4 000 余小時的工作時間內僅送檢油樣9 次），難以對柴油機磨損狀態的評估閾值進行有效界定，此外油液分析法無法定位故障源頭，難以向船方下達明確的檢修意見。

3 建議

拉缸故障的案例警示：柴油機作為高速運轉且事關船舶航行安全的關鍵裝備，采取計劃維修模式難以有效應對突發的惡性故障，安全風險大且經濟效益低。因此必須改變傳統維修模式，由簡單定期維修向狀態維修、主動維修不斷改進。結合上述分析，針對工作中存在的不足，現就提高柴油機維修管理能力提出以下建議。

1）維修模式要靈活。由于柴油機結構復雜、運行部件眾多，各零部件的性能狀態、運動方式、可靠度要求都不盡相同，因此管理人員應結合柴油機工作使用特點，制定科學合理的維修管理方案，針對不同部件采用靈活的維修管理模式。例如液壓、電子技術部件結構復雜，故障后維修較困難，應采用狀態監測模式；缸套、活塞、曲柄連桿等運動部件，事關柴油機運行安全，應采用預防修理和狀態修理相結合的維修模式；部分簡單機械部件，可采用事后維修模式。

2） 監測維護要主動。通過日常主動的監測維護，可將裝備潛存的故障隱患扼殺在萌芽狀態，有效減少或避免裝備故障的發生。①船員主動做好日常巡檢，利用簡易便攜的儀器對柴油機性能狀態進行檢測，發現異常主動上報，確診故障及時修理；②監測機構主動跟進，定期對柴油機進行全面、細致、動態的檢查，并將檢測結果加以分析統計獲得準確可靠的運行狀態數據；③對監測狀態數據發生異常的柴油機，應主動聯系廠家開展深入檢測與問題排查；④問題排查與整改情況應主動反饋至監測機構，便于監測單位掌握問題處置進度，及時做好裝備復測，確保隱患清零見底。

3）監測技術要創新。先進的狀態檢測能夠評估裝備狀態趨勢的變化，為裝備預知維修提供參考依據，完善的診斷能力能夠確定故障類型和故障部位，為科學組織維修提供技術指導。對柴油機而言，想實現精確可靠的監測診斷，絕非某種單一手段能夠完成，需要聯合運用多種手段，對獲取的各類狀態特征參數進行多源信息融合，比如機體振動、缸套聲響、油溫、水溫、轉速、轉矩的過程參數，以及油樣磨合物和煙色排泄物的信息等，建立信息融合的模型結構，獲取融合信息的知識內涵，最終實現基于信息融合的科學決策[2]。因此不管是具體的監測手段還是信息處理方法都要不斷地學習創新應用，才能更好地推動柴油機走向預知性維修，提高機器全壽命的管理質量。