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1.前言船舶检验是一项需要把理论与实践很好地结合的工作,不仅需要验船师有较高的理论水平及掌握规范的能力,还需要有把规范理论知识应用于实船的能力。我们从事轮机现场检验多年,下面想就检验工作中遇到的一些问题谈谈粗浅的看法。2.船用6105系列柴油机常见故障分析和处理目前漓江旅游客船70%以上使用6105系列柴油机作为主机。这是由于该系列主机具有动力性能良好、运转平稳、噪声较低、维修简便等特点,因此在内河航速要求不高(10-15km/h)的游船上使用较为经济合理。但是该系列主机也有较明显的缺点,就是耐用性较低,超负荷性能不佳,故障率较高,一般300-500h就需要小修保养,给游船使用频繁的单位带来了不便。我们在对漓江旅游客船的检验过程中,遇到过不少6105柴油机故障,包括一些机损事故。现将一些常见的典型故障分析如下:a.活塞故障:一台主机修理后不久,就发现有某缸活塞顶部被击穿。更换新活塞后仅3-4航次,该缸活塞又被击穿。原因分析:考虑到连续更换的都是合格的新活塞,而且同一缸连续遇到次品的可能性不大,所以排除配件残次的问题。6105的活塞为铝质凹顶型,其优点是导热性好、质量轻、摩擦系数小,但有其强度相对较差、耐摩性差、膨胀系数大的缺点。一般活塞顶部龟裂的原因有:柴油机喷油提前角太大而严重爆燃敲缸、长期超负荷、冷车重负荷启动、断水断油后的激冷、气缸盖开裂后冷却水进入爆裂、喷油量过大、压缩比过大等。同一缸连续发生活塞击穿故障,可以基本确定在供油系统和压缩比故障上。通过拆检,发现供油系统一切正常,于是检查压缩比。经查,发现该缸机体由于柴油机使用年代过长,机体表面凹陷下去。通过压保险丝的方法测出该缸气缸余隙过小,因此断定由于压缩比增大,导致燃烧爆压增高,造成活塞顶部过负荷冲击而破坏。建议通过直尺和塞尺测量该处机体的表面下沉量,在该部位垫入相应厚度的铜片,控制气缸余隙高度在标准范围内。经过以上处理,该机重新使用后,故障排除。b.连杆螺栓故障:某公司曾在一年内发生过几艘船舶主机连杆螺栓断裂的事故,事故均发生在主机修理后不久。原因分析:连杆螺栓主要承受预紧力引起的拉伸和扭转静负荷以及活塞连杆组惯性力引起的拉伸变形负荷,即工作负荷,可用公式表示为P=Po+xPji,其中P是连杆螺栓所受的拉力,Po为预紧力,Pji为工作负荷,x为螺栓连接的基本载荷系数,表示工作时对连杆螺栓实际加荷量只是工作负荷Pji的一部分,它取决于连杆大头及连杆螺栓的刚度,对既定的连杆和连杆螺栓而言,x是个常数。因此造成连杆螺栓断裂的外力因素只有两个:预紧力和工作负荷。预紧力不足,会使连杆在运行中产生大头结合面分离,从而导致连杆螺栓断裂;预紧力过大,使材料产生屈服,也会导致断裂。工作负荷过大(如主机超负荷),会使连杆螺栓疲劳强度下降而断裂。当然,引起连杆螺栓断裂的原因还有许多,如因结构设计不合理引起的偏心载荷、应力集中、螺栓材质缺陷或旧伤导致螺栓疲劳强度下降等。由于6105柴油机是较成熟的机型,螺栓设计问题可以不考虑。经检查断裂的螺栓并没有明显的材质缺陷和旧伤,28船艇Ships&Yachts·第258期·10·2006因此追查原因还是回到以上两个因素上。经过检查事故主机其它各运动件表面均正常(除因螺栓断裂而伸腿的连杆外),无拉缸、烧瓦等现象,询问轮机员主机事故前的运转情况,主机转速、水温、油温、油压均正常,船舶航行正常,这说明工作负荷Pji是正常的。再询问轮机员维修时连杆螺栓的上紧力矩,轮机员称用扭力扳手很轻松地就上到240-250N.m。查看6105的说明书,连杆螺栓的上紧力矩为140N.m,经向厂方咨询,该力矩最大不应超过180N.m。原因找到了:维修时连杆螺栓的上紧力矩已经远远超过了规定的数值,造成螺栓预紧力过大从而导致螺栓断裂。事后,通过向所有轮机员强调要严格按照主机说明书和厂家规定的力矩上紧连杆螺栓,此类事故基本没再发生。c.曲轴故障。曲轴在工作过程中发生断裂,事前无任何征兆,主机各运转参数正常。原因分析:由于曲轴处在周期性变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力及其力矩的共同作用下,既弯曲又扭转,产生疲劳应力状态。而且,由于曲轴的形状复杂,存在严重的应力集中现象,很容易出现疲劳破坏。6105柴油机曲轴使用的是球墨铸铁材料,球铁曲轴的疲劳破坏一般首先在连杆轴颈过渡圆角处产生裂纹,逐渐发展,最后在连杆轴颈过渡圆角与主轴颈过渡圆角的对角线上面断裂,断口分为裂纹的扩展区和残留面的瞬时断裂区,断口为蜂壳状纹络。现场检验的结果与上述情况基本吻合。引起曲轴疲劳断第258期·10·2006·Ships&Yachts船艇29裂的原因是很多的,如曲轴存在材质缺陷引起疲劳强度下降或应力集中、主机长时间超负荷运转使曲轴产生很大的附加交变应力、主机发生爆燃、启动不当甚至造成飞车使曲轴受到突然的过大载荷、咬缸使柴油机突然停止运转使曲轴受力过大、主轴承磨损、轴线不对中、曲轴中心线发生挠曲变形等。对小型高速机,在解体维修时要注意检验曲轴的磨损情况,通过测量轴颈圆度、圆柱度或测量轴承间隙来判断是否磨损过度和是否存在曲轴中心线挠曲较大,同时注意检查有关表面是否存在裂纹、砂眼等缺陷。另外,在开航过程中,要正确操纵,避免主机超负荷运行。3.主机操纵对柴油机负荷影响的分析漓江旅游客船主机曲轴断裂的事故不仅在6105机型出现,在其它机型也出现过。这些断裂的曲轴,往往都没过第一个大修期,也没明显的诱发断裂因素,即曲轴断裂时其余部件都是良好的。还有,这些断裂事故大都发生在空船返航过程中。经过调查发现,船员在空载返航(逆水)中有个习惯,就是为了早点赶回上客码头(磨盘山或竹江),一般都是加足马力拉大车航行;而在载客航行时(顺水),为了便于游客观光,船舶基本上是中车甚至慢车航行。再结合漓江旅游客船平时的一些操纵习惯,如在离靠码头时,用主机突然加速或在前进中突然全速倒车来调整船身,离港后加速过急等,通过柴油机和螺旋桨的配合关系分析,我们认为这些不良的操纵习惯导致了柴油机经常处于超负荷状态,从而导致曲轴的疲劳寿命下降,最终导致断裂事故。现分析如下(注:所有线图见后):柴油机工作时的负荷分为热负荷和机械负荷,分析这两种负荷,就必须提到柴油机的速度特性。柴油机工作时,功率、扭矩、燃油消耗率等随转速而变化的规律称为柴油机的速度特性,这种变化规律用线图来表示时,这些线图就称为速度特性曲线。速度特性可分为两种,即外部特性和推进特性。外部特性是柴油机功率、扭矩及燃油消耗率等随转速而变化的规律,又分为最大运转外特性、额定外特性和部分外特性。柴油机的外部特性不牵涉到它的具体用途问题,而只是表示它本身的性能,一般在试验台上测定。柴油机的外部特性曲线都是在保持高压油泵的喷油量不变的情况下,测定功率与转速的变化关系求出的。因此,一般情况下,只要保证喷油量小于测定额定外特性曲线时的喷油量,就可以保证柴油机的热负荷在允许的范围内。但是,只从热负荷方面看主机是否超负荷还是不够的,还必须从柴油机的机械负荷方面看是否超出了允许值。柴油机的机械负荷决定于曲轴所承受的扭应力,而扭应力主要是由作用于曲轴上的扭转力矩Me所引起的。因此,只要限制M e,使不超过一定的数值,曲轴就不会超负荷。对于柴油机主机,为了保证曲轴不超负荷,就要使在全部转速范围内的转矩不大于额定转速时的扭30船艇Ships&Yachts·第258期·10·2006转力矩MeH。在保证扭转力矩MeH不变的情况下,柴油机功率与转速之间的关系是通过Ne-n坐标原点和额定工况点的直线(图1中的直线01),这根直线叫做等转矩限制外特性线。由图可看出,等转矩限制外特性线在额定外特性线之下,因此,在任何转速下,主机的功率只要不超过这根线,既可保证主机的热负荷在允许的范围内,又可保证曲轴不超负荷。当柴油机作为船用主机时,还有个机桨匹配的问题,即柴油机所发出的功率与螺旋桨吸收的功率应该相等,也就是说柴油机功率随转速变化的规律应与螺旋桨吸收功率随转速变化的规律相同。当柴油机带动螺旋桨工作时,其功率、扭矩、燃油消耗率等随转速变化的规律称为柴油机的推进特性。螺旋桨所吸收的功率与转速之间的关系可用公式NB=Cn3表示,其中C与螺距比及航行情况有关,当螺距比及航行情况不变时,C为常数。对于航行船舶来说,C主要与进程比(螺旋桨每旋转一周实际产生的位移与其直径之比)有关,进程比小,C值就大,即螺旋桨推进特性就陡;反之,进程比大,则C值就小,推进特性就较平坦。柴油机和螺旋桨工作配合的曲线如图2所示,其中外特性曲线与推进特性曲线的交点即为柴油机的实际工作点。由于进程比增大使推进特性变陡的情况如图虚线II、III所示。下面分析漓江旅游客船一些不良的主机操纵情况:a.返航时全速航行。在返航时,由于是逆水,且漓江河道滩多水浅、床面比降较大,船舶航行阻力很大,这时螺旋桨的进程比变小,推进特性较陡。如图3所示,在正常情况下机桨配合的工作点1,由于船舶阻力的增加,在主机的油门开度未变时,工作点将自动地由1移到点2,主机转速也降到n2,相应的功率为Ne2。这时,如果仍要保持额定转速nH,必须加大油门,使工作点移到1’。从图中可见,此时主机已在超负荷情况下运行。由图可知,此时要保证主机不超负荷,应适当减少油门,使主机转速不大于n3,n3是曲线II与等转矩限制外特性的交点3所对应的转速。n3为多少合适没有确切的资料,但我认为可以参考系泊工况的转速,系泊工况的转速约为额定转速的80-85%。返航时的螺旋桨进程比要比系泊工况时的进程比大,所以相应的转速应比系泊时的转速高,在追求航速的情况下,可以提高到90%,反之,为保守起见,以不超过系泊工况的转速为宜。b.靠码头时在船舶前进速度仍较大时突然停车-全速倒车。用该方法操纵,能方便船舶停靠,因为这样既能抑制船速,又能有效地发挥舵力。根据船舶操纵原理,舵压力增加率与螺旋桨滑失比的1.5次方成正比,突然停车-全速倒车,螺旋桨滑失比增大,从而增加舵效。但这种操纵方法对主机的损伤却大。因为倒航时船体阻力大于正航时的阻力,加上是在前进中突然倒航,此时螺旋桨进程比很小甚至初始时为负值,所以螺旋桨推进特性很陡。如图4所示,在正航额定工况下,主机转速为nH,工作点为1;当倒航时,虽然喷油量与正航额定工况一样,而主机转速只能达到n2,此时的工作点已转到工作点2,显然主机的转矩已超过额定值(等转矩限制线上方),即主机已在超负荷情况下运转。这种情况下妥当的操纵应该是提前减速,然后适当地慢慢加速倒车。一般地,静止倒车时,倒车转速不超过额定转速的70-80%为宜,突然换向倒车时,倒车转速不超过额定转速的50%为宜。如因船舶操纵需要经常不能避免上述情况,应缩短主机的大修期,注意检查曲轴是否受伤。其它一些不良操纵习惯如起航后马上加速或在船速慢时突然大车加速、遇到外来阻力(如迎风)时仍加油保持原航速等,均会引起主机超负荷,分析方法同上,再此不再赘述。以上主机操纵对主机负荷影响的情况,船员应该有所了解并给予高度重视,验船师也可以在船舶检验过程中向船员讲解,确保船舶航行安全。4.关于圆度、圆柱度的测量问题在船舶轮机检验中,对柴油机的缸套、活塞、曲轴轴颈等零件以及尾轴工作轴颈等的圆度、圆柱度进行测量以判断其磨损程度,是一项重要内容。在现场检验中,以上测量一般是通过测量被测表面若干个不同截面垂直与水平两个方向的直径来进行。但就如何确定物体表面的圆度、圆柱度,“船舶检验基础教程(轮机分册)”(船检局武汉培训中心,1992)中写的是“同一截面垂直与水平直径之差为圆度误差,不同截面同一方向的直径差为圆柱度误差”,我们认为这是不正确的。从互换性与技术测量的理论可知,圆度、圆柱度作为形状公差中的一种,圆度公差用于限制回转面径向截面(即垂直于轴线的截面)的形状误差,其含义是在垂直于轴线的任一正截面上,该圆必须位于半径差为公差值的两同心圆之间,其公差带是在同一正截面上半径差为公差值的两个同心圆之间的区域。圆柱度公差用于限制圆柱表面的形状误差,其含义是被测圆柱面必须位于半径差为公差值的两同轴圆柱面之间,其公差带是半径差为公差值的两同轴圆柱面之间的区域。由此可见,圆度、圆柱度误差应该是半径差而不是直径差,即在算出上述直径差的基础上还应除以2才是真正的圆度、圆柱度误差。别看这仅是直径差和半径差的问题,在评判被检对象是否合格时会导致截然不同的结果。比如现测得一台主机(n>500r/min)曲轴某道主轴颈(D=80mm)三个被测截面中同一截面垂直与水平直径差的最大值为0.10mm,按直径差来算,该道主轴颈的圆度为0.10mm。按《内河船舶营运检验规程》规定,转速大于每分钟500转、轴颈直径在75-100mm之间的曲轴主轴颈的圆度允差为0.07mm。显然,若按直径差来算,就会将该道轴颈误判为不合格,需要进行修理,由此将给船东造成不必要的损失。5.结束语船检工作看似平常,似乎只要照规范去做就行了,但如果仔细钻研的话,仍有很多亟待研究解决的问题。作为验船师,应能够既熟悉规范,又理解规范,做到知其然,更知其所以然,并能用所学的知识去解决问题、指导工作,真正起到“一检二帮三把关”的作用。附:柴油机速度特性曲线和螺旋桨推进特性曲线及其配合关系图内河小型柴油机检验若干问题的探讨$浙江省船舶检验局@张磊
$广西桂林船舶检验处@胡作武[1]《 内河船舶动力装置》编写组.内河船舶动力装置.人民交通出版社.1980
[2] 周良弼主编.内燃机设计.华中理工大学.1992
[3] 船舶检验基础教程.中国船检局武汉培训中心.1992
[4] 李柱 席宏卓 谢铁邦主编.互换性与技术测量. 华中理工大学出版社.1988
