艦用巡航柴油機超期運行狀態(tài)分析與應用

張文波,劉亦敏(.南海艦隊裝備部，廣東 湛江 54005;.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

艦用巡航柴油機超期運行狀態(tài)分析與應用

張文波1,劉亦敏2
(1.南海艦隊裝備部，廣東 湛江 524005;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

文章介紹了艦用巡航柴油機超期運行時其技術狀態(tài)的評估方法。通過研究其維修需求，分析柴油機運行特點，研究現(xiàn)有的柴油機狀態(tài)評估方法，并應用于分析某船巡航柴油機的運行熱力參數(shù)及油液數(shù)據(jù)，得出柴油機現(xiàn)有狀態(tài)并提出了對現(xiàn)役巡航柴油機超期使用的建議。對該型艦船動力系統(tǒng)的使用、柴油機狀態(tài)在線評估的實現(xiàn)提供了技術支持。

艦船；巡航柴油機；維修；技術狀態(tài)；評估

巡航柴油機是船舶動力系統(tǒng)的主要裝備，一旦柴油機發(fā)生故障，將可能導致艦船無法正常運行甚至癱瘓。柴油機是一種復雜的機械設備，由于其包含的系統(tǒng)部件眾多，產(chǎn)生故障的原因錯綜復雜，因此開展柴油機技術狀態(tài)評估意義重大，也是國內(nèi)外研究的重要課題之一[1-2]，尤其是開展超期運行的柴油機狀態(tài)評估。

MTU公司研發(fā)設計的高速巡航柴油機是某型艦船動力系統(tǒng)的核心設備之一，該柴油機具有體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，使用廣泛。依據(jù)該型柴油機的維修計劃，在使用接近或達到大修期限后，應及時安排柴油機進行大修，但由于目前艦船使用強度、任務安排、修理周期等原因，存在巡航柴油機到達大修期限后，無法及時安排出艙修理，需繼續(xù)運行的現(xiàn)象。

本文在充分分析該型柴油機的運行特點、維修說明的基礎上，分析了現(xiàn)有柴油機的評估方法，并將歷史維修數(shù)據(jù)的分析、運行熱力參數(shù)的分析、油液信息的分析應用于某艦巡航柴油機的超期狀態(tài)評估上，得出評估結論并提出了對現(xiàn)役巡航柴油機超期使用的建議。

1 柴油機維修說明

1.1維修計劃

MTU柴油機的維修計劃是預防性的，MTU公司針對其生產(chǎn)的柴油機，根據(jù)運行時間規(guī)定了其對應的維修級別和維修范圍，其維修級別包括W1～W6(大修)級維修，執(zhí)行維修計劃是保證設備運行可靠以及維持較低運行和維修費用的重要手段。

在MTU柴油機的維修計劃中，W1～W4為艦員級維修，屬于日常監(jiān)控或周期性的維護，不需對柴油機解體。但W5～W6為基地級維修，需將柴油機部分或全部解體。

其中，W5級與W6級維修的本質(zhì)區(qū)別是：W5級維修汽缸套和活塞連桿組僅作抽查，曲軸和機體無檢測項目。W6級維修要求柴油機整體全部拆解，每個部套件均按MTU規(guī)定做細致檢修，且更換所有的軸承和橡膠密封件，需出艙開展。

1.2確定大修期的主要因素

柴油機大修是對其完全分解并全面開展檢修的一種維護及修理。大修期是指兩次大修之間的運行間隔時間。MTU公司生產(chǎn)的柴油機采用強制的預防性大修方式，根據(jù)可靠性試驗等既定原則規(guī)定發(fā)動機使用的時限，到了時限即安排大修。

大修期不僅取決于設計制造水平和材質(zhì)，還取決于使用狀況，同時存在許多不可控因素。在柴油機領域，對如何確定大修期目前還沒有統(tǒng)一的原則，通常考慮的因素如下：柴油機故障率曲線、應用場合、載荷系數(shù)、曲軸的壽命、發(fā)動機的最大持續(xù)功率[3-4]。

MTU公司制定柴油機的大修期主要考慮了以下幾個因素。

1)故障率曲線。在故障率的浴盆曲線中，曲線3個階段的劃分是確定大修期考慮的主要因素。一般而言，將大修期取在穩(wěn)定故障區(qū)和過度磨損區(qū)的轉折點，即避免了過度維修，又保證了在大修期內(nèi)的低故障率。

MTU柴油機即將故障率曲線上的轉折點作為時間長度的依據(jù)，保證了在柴油機的正常運行過程中僅有相當于故障率曲線中平臺高度的故障率。

2)載荷時間分布。將柴油機按不同用途分組，每組都有明確的載荷-時間分配模式，然后針對該分配模式制定出不同的大修期，保證了在評定柴油機的大修期時有相近的載荷標準，制定的大修期值更有指導價值。

3)預防性維修保養(yǎng)。規(guī)范、嚴格的預防性維護保養(yǎng)制度是柴油機達到既定大修期的重要保障。MTU公司在規(guī)定柴油機大修期的同時，還規(guī)定了在各個使用時間段應開展的維護保養(yǎng)項目。

從以上分析可以看出，主柴油機大修期的確定與故障率曲線、載荷時間分布的選定及前期的預防性維護保養(yǎng)情況有關。

2 柴油機狀態(tài)評估方法

目前國內(nèi)外用于開展船用柴油機技術狀態(tài)診斷的主要方法有：無損檢查法、鐵譜分析法、振動聲學法、參數(shù)法、排氣成分診斷法、感官鑒別法等。

針對柴油機超期使用的情況，適合于開展狀態(tài)評估的方法有以下幾種。

2.1性能參數(shù)監(jiān)控方法

柴油機性能的變化通常是逐漸積累的過程，必將引起某些性能參數(shù)的變化。因此對柴油機各有關參數(shù)進行連續(xù)或間斷性測量、記錄和分析處理，可以分析判斷某些故障發(fā)生的原因，同時對柴油機進行故障趨勢的預報。

與曲軸軸承組件性能相關的參數(shù)有滑油壓力、滑油溫度和滑油品質(zhì)等。與缸套活塞組件性能相關的參數(shù)有汽缸冷卻水壓力及進出口溫度、排氣溫度等。此外，柴油機功率、燃油消耗率等則與主機整體運轉性能相關[5]。

2.2振動信號分析法

柴油機在工作時不可避免將產(chǎn)生振動，內(nèi)部零部件的性能、狀態(tài)信息會通過特定的傳遞路徑反映到表面的振動信號中。柴油機依據(jù)振動信號中包含的振源信息及系統(tǒng)狀態(tài)等提取狀態(tài)信息。故在不解體情況下，利用振動信號對柴油機進行診斷是行之有效的方法。

2.3瞬時轉速分析法

柴油機曲軸的瞬時轉速波動信號反映了柴油機各缸的工作狀態(tài)及均勻性。正常工況下，柴油機運轉平穩(wěn)，各缸的動力性能基本一致，各缸的瞬時轉速雖略有差異，但其波動總在一個較小的范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)出某種規(guī)律性；但當某個汽缸工作出現(xiàn)異常時，其動力一致性被破壞，柴油機運轉的平穩(wěn)性變差，轉速波動信號會發(fā)生嚴重變形，據(jù)此可以判斷缸內(nèi)工作的狀態(tài)[5]。

2.4油液分析診斷法

用油液監(jiān)測技術定期或連續(xù)監(jiān)測循環(huán)流動的滑油狀況，可獲取摩擦磨損運動副的狀態(tài)信息，根據(jù)磨損規(guī)律及耗損期，可判斷機械故障，預測部件的剩余壽命。

常用的油液監(jiān)測方法有2類：一類是光譜和鐵譜監(jiān)測技術，主要是監(jiān)測油液中不溶性固體顆粒的含量、成分、元素、顆粒形態(tài)和尺寸分布，據(jù)此判斷設備磨損部位及嚴重程度；另一類是理化性能分析，通過監(jiān)測油液物理、化學特性及污染程度的變化，分析柴油機的故障趨勢[6]。

3 狀態(tài)分析方法應用

本章節(jié)以某型艦船為例，詳細敘述在不解體巡航柴油機的前提下，如何分析柴油機超期運行后的狀態(tài)。

3.1熱力參數(shù)分析

表1為該船主柴油機在超過大修時限后運行時的熱力參數(shù)，并以此為例對該柴油機在超期運行后的狀態(tài)進行分析。

表1 某主柴油機在某轉速下的熱力參數(shù)

經(jīng)分析表1，可以看出以下2點。

1)2臺巡航柴油機狀態(tài)穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常波動。從不同轉速下的數(shù)據(jù)來看，暫時未出現(xiàn)性能明顯下降。

2)左機熱負荷較大，且左機的機械螺距可能略大于右機。從最后一組運行數(shù)據(jù)來看，左機活塞冷卻油壓力明顯偏低，離觸發(fā)監(jiān)控報警余量已不多。故障可能由以下原因引起：①較長時間未清洗活塞冷卻油濾器，滑油流阻變大造成油壓較低；②機內(nèi)已有異常磨損，滑油存在污染，導致濾器快速污堵引起活塞冷卻油壓力下降。

3.2油液診斷分析

該船巡航柴油機半年內(nèi)4次油液化驗、光譜分析的結果，如表2所示。

表2 某巡航柴油機油液數(shù)據(jù)

從主柴油機及液力偶合器油液光譜數(shù)據(jù)可以看出，主機油液光譜分析中銅元素含量超標，可能由以下原因?qū)е拢孩龠B桿小端襯套存在磨損征兆；②進排氣搖臂軸承襯套存在磨損征兆；③機帶滑油泵軸承襯套存在磨損征兆。

硅元素含量超標，可能是因為液力偶合器中有砂子，建議清洗液力偶合器網(wǎng)片式濾器。

4 結束語

經(jīng)過以上對修理數(shù)據(jù)、運行情況及監(jiān)測信息的分析，可看出該船巡航柴油機性能參數(shù)無明顯下降，在后續(xù)的使用中，建議注意以下事項。

1)減少啟動次數(shù)，降低負載。

2)避免急加速。進車時應逐級進車，盡量避免高速時打滿舵。

3)柴油機啟動后應充分暖機。待油溫、水溫度升至60 ℃，再加載加速。

4)建議檢查該船左主機活塞冷卻油濾器并進行清洗，并檢查滑油控制閥。同時，建議清洗主機液力偶合器網(wǎng)片式濾器。

超維護保養(yǎng)期限運行柴油機的技術狀態(tài)，涉及艦船航行安全，成為使用方關心的主要問題。柴油機的技術狀態(tài)評估還有很多方法，如振動分析、曲軸瞬時轉速監(jiān)測等，但該船主機為高速機，很多方法目前尚未應用于工程實際中。故本文研究了主柴油機技術狀態(tài)評估的方法，針對已有數(shù)據(jù)，對目前柴油機的狀態(tài)進行了分析，并為后續(xù)柴油機的超期運行提出了可操作的建議。

[1] 丁建軍. 艦船柴油機綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)的實現(xiàn)[D]. 南京：江蘇科技大學,2007.

[2] 梁前超. 艦船柴油機技術狀態(tài)評定綜述[J].中國修船,2008,21(4):20-23.

[3] 陸威崙. 現(xiàn)代船用柴油機特性曲線的研討[J]. 柴油機,2005,27(4):15-20.

[4] 陸威崙. 關于柴油機大修期確定的探討[J].柴油機,2012,34(1):37-41.

[5] 余永華. 船舶柴油機瞬時轉速和熱力參數(shù)監(jiān)測診斷技術研究[D]. 武漢:武漢理工大學, 2007.

[6] 劉東風,孫怡. 艦用主柴油機機油監(jiān)測技術研究與應用[J].柴油機,2003(3):17-20.

In this paper,the methods of technical state evaluation are presented for cruised diesel engine operating over repair period.After researching the maintenance demand and analyzing its operating features,methods of state evaluation are proposed,which are used to analyze the thermal parameters and oil data of the diesel engine.Through analysis,the conclusion and suggestions are provided for the cruise diesel engine operating over repair period.These researches provide the foundation for the operation of dynamics system and the online evaluation of diesel engine.

ship;cruise diesel engine;maintenance;technical state;evaluation

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.009

張文波(1981-)，男，湖北仙桃人，工程師，博士，主要從事船舶維修保障工作。

2015-08-19