1500t海警船主機(jī)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(jìn)系統(tǒng)，并對(duì)主機(jī)和齒輪箱接排失敗的原因進(jìn)行了深入分析并予以解決。

關(guān)鍵詞：主推進(jìn)系統(tǒng)；主機(jī)；齒輪箱；接排

中圖分類號(hào)：U664.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)系統(tǒng)由柴油主機(jī)、齒輪箱、軸系和螺旋槳組成。主機(jī)與齒輪箱能否穩(wěn)定且可靠的接排、脫排，直接關(guān)系到設(shè)備的使用壽命及航行的安全。目前，主機(jī)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(shè)計(jì)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(jìn)系統(tǒng)為載體，對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)中影響主機(jī)與齒輪箱正常接排的因素進(jìn)行分析。

2 主推進(jìn)系統(tǒng)組成

1 500 t海警船的主推進(jìn)系統(tǒng)，主要由以下設(shè)備及系統(tǒng)組成，其齒輪箱采用了最常見(jiàn)的摩擦片式離合器：

（1）4臺(tái)德國(guó)MTU 20V4000M93型主柴油機(jī)，功率3 900 kW；

（2）2套德國(guó)SIEMENS型減速齒輪箱，外接2套對(duì)外消防炮；

（3）2套上海704所KL80/5型液壓調(diào)距系統(tǒng)；

（4）2條軸主系及軸系附件；

（5）2個(gè)調(diào)距槳；

（6）1套加拿大L3-MAPPS型推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)，含機(jī)艙、集控、駕駛等多個(gè)控制站；

（7）其它外圍輔助設(shè)備。

3 主推進(jìn)系統(tǒng)布置

1 500 t海警船主推進(jìn)系統(tǒng)采用了四機(jī)、雙槳的配置，如圖1所示。

4 主推進(jìn)系統(tǒng)接排失敗的原因分析及解決方案

4.1 接排失敗現(xiàn)象

1 500 t海警船主推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)主機(jī)在規(guī)定接排轉(zhuǎn)速下（600～1 200 r/min），無(wú)法與齒輪箱完成接排，具體表現(xiàn)為：

（1）接排指令發(fā)出后，隨著接排過(guò)程中柴油機(jī)外部負(fù)荷（主要來(lái)自軸系及螺旋槳）的突然增大，柴油機(jī)電子調(diào)速器的輸出油門亦增大（即噴油量增大），在噴油量達(dá)到最大時(shí)，柴油機(jī)仍然無(wú)法帶動(dòng)軸系及螺旋槳，導(dǎo)致柴油機(jī)被壓停；

（2）從發(fā)出接排指令到柴油機(jī)被壓停大概只有2 s時(shí)間，這個(gè)過(guò)程中柴油機(jī)的燃油、滑油、冷卻水、排氣溫度、軸承溫度等熱功參數(shù)均未出現(xiàn)異常，齒輪箱也沒(méi)有任何報(bào)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(jī)械聯(lián)鎖對(duì)接排的影響

接排前，需保證下列接排聯(lián)鎖測(cè)點(diǎn)已解除：

（1）主車鐘手柄必須在零位；

（2）主機(jī)及齒輪箱盤車位置應(yīng)在脫開(kāi)位置；

（3）鎖軸銷要在脫開(kāi)位置；

（4）螺距要在零位；

（5）主機(jī)/齒輪箱滑油壓力均在接排允許范圍內(nèi)；

（6）主機(jī)冷卻水壓力需在接排允許范圍內(nèi)；

（7）尾軸氣胎壓力應(yīng)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(jī)/齒輪箱就無(wú)法接排。

4.2.2 齒輪箱預(yù)控制油壓大小及維持時(shí)間對(duì)接排的影響

預(yù)控制油壓的作用是實(shí)現(xiàn)控制油的預(yù)填充，預(yù)控制油壓的填充及維持過(guò)程，實(shí)際上就是離合器處于半離合的過(guò)程。

首先從預(yù)控制油壓的大小來(lái)分析：如果預(yù)控制油壓過(guò)小，接排過(guò)程中油壓無(wú)法將齒輪及摩擦片推至半離合狀態(tài)，從而無(wú)法驅(qū)動(dòng)軸系低速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也會(huì)對(duì)齒輪箱摩擦片的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響；如果先導(dǎo)油壓過(guò)大，則在接排過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)主機(jī)被壓停的情況。

其次從預(yù)控制油壓維持時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)分析：如果預(yù)控制油壓維持時(shí)間過(guò)短，相當(dāng)于時(shí)間/壓力坐標(biāo)的斜率增大（如圖2中的T3段），從預(yù)控制油壓上升到開(kāi)關(guān)油壓（即正常工作的控制油壓）的時(shí)間很短，瞬間產(chǎn)生的重負(fù)荷會(huì)使主機(jī)的調(diào)速器沒(méi)有充足的響應(yīng)時(shí)間，柴油機(jī)會(huì)被“憋?！?；相反，如果先導(dǎo)油壓維持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，齒輪箱在接排過(guò)程中長(zhǎng)期處于半離合狀態(tài)，則會(huì)縮短摩擦片的使用壽命。

4.2.3 主機(jī)輸出扭矩及齒箱箱最小啟動(dòng)扭矩對(duì)接排的影響

接排瞬間若主機(jī)輸出扭矩小于齒輪箱最小啟動(dòng)扭矩，則會(huì)導(dǎo)致接排失敗或主機(jī)被“憋?！?。主機(jī)輸出扭矩的大小，直觀上反映在接排時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，主機(jī)轉(zhuǎn)速越高，主機(jī)驅(qū)動(dòng)端的輸出扭矩也就越大；但如果主機(jī)接排轉(zhuǎn)速過(guò)高，則雖然達(dá)到或超過(guò)了齒輪箱的最小啟動(dòng)扭矩，但同時(shí)也會(huì)大大縮短齒輪箱摩擦片的使用壽命，極端情況下會(huì)將摩擦片燒毀。

4.2.4 主機(jī)調(diào)速器參數(shù)的設(shè)置對(duì)接排的影響

隨著柴油機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電子調(diào)速器憑借其快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的響應(yīng)，已逐漸取代機(jī)械調(diào)速器成為柴油機(jī)控制的主流。電子調(diào)速器的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的響應(yīng)，與閉環(huán)控制中的PID參數(shù)密不可分。其中，P為比例參數(shù)，控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；I為積分參數(shù)，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；D為微分參數(shù)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID閉環(huán)控制系統(tǒng)原理，如圖3所示。

在主機(jī)接排過(guò)程中，如果PID參數(shù)沒(méi)有正確設(shè)置，尤其是在微分增益D設(shè)置偏小的情況下，極有可能出現(xiàn)在外部負(fù)載變化時(shí)引起柴油機(jī)的“游車”。極端情況下，在負(fù)載突卸時(shí)會(huì)引起柴油機(jī)飛車，或在負(fù)載突加時(shí)，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速壓至過(guò)低，引起柴油機(jī)停車。

4.3 接排失敗原因排查及解決方案

（1）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)械和電氣聯(lián)鎖條件逐一進(jìn)行檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)有不正確的聯(lián)鎖，因此，排除4.2.1接排因素的影響；

（2）在實(shí)際接排過(guò)程中，預(yù)控制油壓已經(jīng)調(diào)至齒輪箱系統(tǒng)允許承受的油壓下限，但仍然無(wú)法完成接排，現(xiàn)象如4.1所述；對(duì)齒輪箱的接排時(shí)間延長(zhǎng)到齒輪箱系統(tǒng)允許的最大時(shí)間，依然無(wú)法完成接排，現(xiàn)象如4.1所述。因此，排除4.2.2接排因素的影響；

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的查閱，齒輪箱最小啟動(dòng)扭矩為6.5 kNm。理論上，主機(jī)在規(guī)定范圍的接排轉(zhuǎn)速運(yùn)行進(jìn)行接排時(shí)，主機(jī)的輸出扭矩可以達(dá)到6.5 kNm。但試驗(yàn)證明即使按上述參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，仍無(wú)法成功接排。因此，排除4.2.3接排因素的影響；

（4）現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)外接電腦，對(duì)柴油機(jī)電子調(diào)速器內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)PID閉環(huán)控制程序中，微分增益D設(shè)置較小。隨后，在對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行微調(diào)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)電子調(diào)速器內(nèi)部的微分增益D進(jìn)行適度放大（在調(diào)整P、I、D任意一個(gè)參數(shù)時(shí)，另外兩個(gè)參數(shù)要做相應(yīng)的調(diào)整），并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，直到出現(xiàn)接排過(guò)程中調(diào)速器產(chǎn)生較小的超調(diào)量（微分增益太大也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩.這時(shí)應(yīng)減小微分增益）后，主機(jī)與齒輪箱即可以正常并穩(wěn)定地接排。

對(duì)微分增益D調(diào)整后，接排過(guò)程中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖4所示。

從圖4中不難看出，接排過(guò)程中當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速最低降到400 r/min（此轉(zhuǎn)速大于柴油機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速），在不到2 s時(shí)間內(nèi)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)可以由400 r/min升至接排前的800 r/min，并且穩(wěn)定運(yùn)行，主機(jī)與齒輪箱接排成功。

由此可見(jiàn)，該船主機(jī)/齒輪箱接排失敗的原因是主機(jī)電子調(diào)速器PID參數(shù)設(shè)置出現(xiàn)了問(wèn)題，導(dǎo)致接排瞬間引起柴油機(jī)外部負(fù)載增大，柴油機(jī)被“憋停”。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)主機(jī)與齒輪箱接排失敗的現(xiàn)象的分析，歸納出了上述四點(diǎn)影響接排的因素，對(duì)其它船舶的推進(jìn)系統(tǒng)接排方面遇到的問(wèn)題，具有一定的借鑒作用。