粵電4輪軸帶發(fā)電機(jī)跳閘的故障處理與思考

王世振

粵電4輪軸帶發(fā)電機(jī)跳閘的故障處理與思考

王世振

(廣東粵電船舶管理有限公司，廣東 510000）

文章介紹了粵電4輪軸帶發(fā)電機(jī)故障跳閘后無法啟動(dòng)的故障現(xiàn)象，為了消除軸帶發(fā)電機(jī)無法啟動(dòng)故障，從本輪軸帶發(fā)電機(jī)的控制原理、故障現(xiàn)象、臨時(shí)應(yīng)急處理、最終解決措施等多方面進(jìn)行分析，提出解決方案，并通過實(shí)船驗(yàn)證，消除故障，恢復(fù)軸帶發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。解決故障的思路，以及對軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行管理的總結(jié)可以供船舶電氣管理人員參考。

軸帶發(fā)電機(jī) 故障分析 解決方案

0 引言

隨著近年來國家推出“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，節(jié)能減排成為了現(xiàn)代船舶的必然趨勢。軸帶發(fā)電機(jī)，利用主機(jī)推進(jìn)的余能進(jìn)行發(fā)電，在現(xiàn)代船舶中應(yīng)用越來越廣泛。因此，對軸帶發(fā)電機(jī)的管理、維護(hù)與故障處理能力就顯得尤為重要[1]。

從20世紀(jì)70年代軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的初步裝船，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展至今，軸帶發(fā)電機(jī)以其節(jié)能、穩(wěn)定可靠得到了廣泛應(yīng)用。目前，軸帶發(fā)電裝置主要有變矩槳軸帶發(fā)電機(jī)、定矩槳定速軸帶發(fā)電機(jī)、定矩槳恒頻軸帶發(fā)電機(jī)三種形式[2]，如圖1所示。

變矩槳船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，軸帶發(fā)電機(jī)輸出電能頻率亦恒定；

定矩槳船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速會受海況及油門影響，主機(jī)轉(zhuǎn)速存在一定波動(dòng)，為使軸帶發(fā)電機(jī)輸出電能頻率恒定，定矩槳定速軸帶發(fā)電機(jī)是在主機(jī)推進(jìn)軸與軸帶發(fā)電機(jī)之間裝有機(jī)械控制的定速裝置，當(dāng)主機(jī)推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本保持恒定；

定矩槳恒頻軸帶發(fā)電機(jī)是利用大功率晶閘管變流技術(shù)，對軸帶發(fā)電機(jī)輸出電能進(jìn)行整流和逆變來實(shí)現(xiàn)恒頻控制[3]。

1 某輪軸帶發(fā)電裝置簡介

本輪軸帶發(fā)電裝置采用定矩槳定速軸帶發(fā)電形式，安裝于主機(jī)中間軸上，包括OMEGA離合器和發(fā)電機(jī)兩部分。OMEGA離合器作用在于，通過增速齒輪和離合器，使軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，不受主機(jī)轉(zhuǎn)速影響，來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率恒定作用。軸帶發(fā)電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

圖1 軸帶發(fā)電機(jī)主要形式

表1 軸帶發(fā)電裝置參數(shù)：

1）軸帶發(fā)電機(jī)工作背景

當(dāng)船舶離泊主機(jī)定速后，且轉(zhuǎn)速超過65 rpm時(shí)，就滿足了軸帶發(fā)電機(jī)的使用條件。在主配電板軸帶發(fā)電機(jī)控制屏上，按下離合器接入按鈕，活塞將在液壓油的作用下，移向離合盤，以將主機(jī)主軸的能量傳遞給離合器驅(qū)動(dòng)齒輪，離合器將主機(jī)轉(zhuǎn)速通過三級齒輪加速至恒定轉(zhuǎn)速1 200 rpm,用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)按下離合器脫開按鈕時(shí)，液壓油壓消失，活塞在彈簧的作用下，返回至初試位置，離合器脫開，發(fā)電機(jī)停止。

2）軸帶發(fā)電機(jī)恒頻控制原理

當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速受海況等條件影響發(fā)生波動(dòng)時(shí)，為防止軸帶發(fā)電機(jī)頻率隨之波動(dòng)，需控制離合器輸出轉(zhuǎn)速恒定，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1200 rpm恒定?？刂圃韴D如圖2所示，包括PID控制器，主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)傳感器，Omega控制閥和Omega閥組成。轉(zhuǎn)速控制是通過改變Omega閥⑦的油壓實(shí)現(xiàn)的，而Omega閥⑦前有兩個(gè)Omega控制閥④和⑤， Omega控制閥④帶有比例電磁閥，可以實(shí)時(shí)通過控制比例電磁閥的電流，來改變Omega控制閥④的油壓，進(jìn)而控制Omega閥⑦油壓和軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；而Omega控制閥⑤僅為簡單的減壓閥。

圖2 軸帶發(fā)電機(jī)控制原理圖

（①主機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器②發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器③PID控制器④帶比例電磁閥的OMEGA控制閥 ⑤OMEGA控制閥 ⑥正常/應(yīng)急轉(zhuǎn)換電磁閥⑦OMEGA控制閥）

軸帶發(fā)電機(jī)有正常和應(yīng)急兩種工作模式，可在主配電板內(nèi)通過選擇開關(guān)來控制正常/應(yīng)急轉(zhuǎn)換電磁閥⑥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

選擇應(yīng)急模式下，液壓油通過Omega控制閥⑤送往Omega閥⑦，不具備實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油壓和轉(zhuǎn)速的作用，發(fā)電機(jī)頻率將隨電網(wǎng)負(fù)荷和主機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化。并且當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于65 rpm時(shí)，將觸發(fā)跳閘信號使離合器脫開，發(fā)電機(jī)跳閘。

選擇正常模式下，主機(jī)轉(zhuǎn)速在65～83 rpm范圍時(shí)，由PID控制器控制軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在恒定1 200 rpm，可以實(shí)現(xiàn)恒頻60 Hz。具體控制是通過檢測主機(jī)轉(zhuǎn)速和軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由PID控制器比較轉(zhuǎn)速偏差，計(jì)算后輸出DC 50～700 mA電流信號至比例電磁閥，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤盒盘?，?shí)時(shí)調(diào)節(jié)Omega控制閥④、Omega閥⑦油壓，實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速在62～65 rpm范圍時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)差控制，對應(yīng)輸出頻率為57 ～60 Hz，而不會觸發(fā)離合器脫開信號。

3 故障分析及解決措施

3.1 故障現(xiàn)象

某日，船舶在定速航行途中，主機(jī)轉(zhuǎn)速68 rpm，軸帶發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行向電網(wǎng)供電。突然出現(xiàn)全船失電，主機(jī)停車，伴隨S/G LOW ALARM REV 和S/G LOW TRIP REV報(bào)警。值班輪機(jī)員第一時(shí)間啟動(dòng)NO.1柴油發(fā)電機(jī)合閘，恢復(fù)主配電板供電。輪機(jī)長也迅速趕到機(jī)艙，大家按照備車程序啟動(dòng)NO.2柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，然后陸續(xù)恢復(fù)為主機(jī)服務(wù)的各種泵。輪機(jī)長帶著輪機(jī)員一起檢查主機(jī)無問題，嘗試啟動(dòng)主機(jī)，一切都很順利，主機(jī)慢慢再次加速到海速68 rpm。定速兩小時(shí)后，主機(jī)無異常，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，此時(shí)嘗試啟動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，卻發(fā)現(xiàn)主配電板軸帶發(fā)電機(jī)控制屏上，指示燈127 OMEGA clutch engage possible與指示燈126 M/E revolution possible均不亮，軸帶發(fā)電機(jī)無法啟動(dòng)。

3.2 故障分析

由于指示燈127 OMEGA clutch engage possible與指示燈126 M/E revolution possible同時(shí)不亮，且主機(jī)轉(zhuǎn)速已達(dá)到軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)允許轉(zhuǎn)速65 rpm，首先考慮是轉(zhuǎn)速信號未能到達(dá)軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電路所致。于是查閱圖紙，檢修軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)故障。

控制電路如圖3所示，指示燈127 OMEGA clutch engage possible受繼電器X23控制，繼電器X23受軸帶發(fā)電機(jī)一系列啟動(dòng)聯(lián)鎖控制，具體包括X18(無主機(jī)倒車信號)、X20T（無主機(jī)完車信號）、X22（無離合器跳閘信號）、X26（無軸發(fā)滑油低壓報(bào)警信號）、X10（無離合油低壓信號）、X16（無ME low revolution信號）。其中，X22（離合器跳閘信號）又受TM7（SG low rev. trip）、X17（SG轉(zhuǎn)速高）、X19（主機(jī)應(yīng)急停）、X27（PID發(fā)出檢測異常）、X29（PID發(fā)出直接耦合）控制。TM7受繼電器X15控制，X15受TB33端子排上EC1與EC6開關(guān)信號控制。指示燈126 M/E revolution possible受繼電器X16(SG low rev. alarm)控制，X16受TB33端子排上EC1與EC7開關(guān)信號控制。

圖3 指示燈信號電氣邏輯圖

3.3 臨時(shí)處理措施

根據(jù)圖紙，通過檢測，證實(shí)故障確實(shí)為時(shí)間繼電器TM7和繼電器X16動(dòng)作異常所致，而TM7和繼電器X16控制信號分別來自接線端子TB33上EC1與EC6(SG low rev. trip)、EC1與EC7(SG low rev. alarm),測量進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，TM7和繼電器X16動(dòng)作異常，是由于EC1與EC6和EC1與EC7這兩路信號均為斷開，而當(dāng)前主機(jī)轉(zhuǎn)速為68 rpm，正常應(yīng)該閉合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，在軸發(fā)控制屏后面找到接線端子排，如圖4所示，分別在EC1與EC6和EC1與EC7之間各外接一個(gè)開關(guān)，先后手動(dòng)將兩個(gè)開關(guān)接通短接兩路信號，然后發(fā)現(xiàn)配電屏上指示燈126 M/E revolution possible與指示燈127 OMEGA clutch engage possible均點(diǎn)亮，恢復(fù)正常，嘗試啟動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，離合器電磁閥等均正常動(dòng)作，電壓頻率也正常。臨時(shí)用兩個(gè)外接開關(guān)，模擬轉(zhuǎn)速信號，消除軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)故障。

圖4 接線端子排

3.4 故障根源

根據(jù)上述，已查明軸帶發(fā)電機(jī)無法啟動(dòng)故障原因在于EC1與EC6(SG low rev. trip)、EC1與EC7(SSG low rev. alarm)兩路信號不正常。于是，進(jìn)一步查閱接線圖，如圖5所示。沿著接線端子TB33往上查，EC6與EC7接至主機(jī)遙控接線端子CN 5的CN 522 和CN 523，公共端EC1連至CN517。查閱主機(jī)遙控接線圖知，CN 522 和CN 523分別由主機(jī)遙控電路板B4上Z162和Z144，公共端連至Z161、Z143，最終查出Z161、Z162和Z143、Z144兩路信號分別是由主機(jī)遙控一塊數(shù)字量輸出電路板B4的CH47、CH48兩個(gè)通道輸出控制繼電器IR50和IR49的常開觸點(diǎn)。測量發(fā)現(xiàn)，這塊數(shù)字量輸出電路板CH47、CH48這兩個(gè)通道損壞，無正確數(shù)字量輸出去控制相應(yīng)繼電器。因此，找到信號故障根源，是由主機(jī)遙控?cái)?shù)字量輸出電路板故障引起。

3.5 最終解決措施

在TB33端子排處接兩個(gè)外接開關(guān)的臨時(shí)處理措施，雖能消除軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)故障，但并非長久之計(jì)。原因在于，首先每次啟動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)之前需要依次接通兩個(gè)開關(guān)，較為麻煩。更重要是，短接后失去了軸帶發(fā)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速報(bào)警和保護(hù)作用。但船上缺乏主機(jī)遙控?cái)?shù)字量輸出電路板備件，亦無法更換，且咨詢岸基，備件采購周期較長。

經(jīng)過船上繼續(xù)研究，查閱圖紙，從主機(jī)轉(zhuǎn)速探頭著手，本輪共有五個(gè)主機(jī)轉(zhuǎn)速探頭，為接近開關(guān)式，其中探頭1、2為一組，探頭3和4為一組，兩組信號分別送往集控臺的兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號處理電路板FV1和FV2，將兩組轉(zhuǎn)速脈沖信號成比例變換為DC -10～10V電壓信號，且轉(zhuǎn)速0 rpm對應(yīng)電壓0V，轉(zhuǎn)速100 rpm對應(yīng)電壓10 V，兩個(gè)探頭為一組是為了根據(jù)兩個(gè)探頭脈沖信號的相位關(guān)系，來判斷主機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。FV1的輸出用于駕駛臺和集控室所有轉(zhuǎn)速表，用于轉(zhuǎn)速指示，F(xiàn)V2的輸出送往主機(jī)遙控做轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。第五個(gè)探頭是主機(jī)超速保護(hù)，送往主機(jī)遙控安保系統(tǒng)。

既然轉(zhuǎn)速信號被處理成-10～10 V電壓信號，那么僅僅需要兩個(gè)簡單的電壓比較器，讓FV輸出的轉(zhuǎn)速電壓信號分別與6.5 V電壓和6.2 V電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作，比如FV電壓信號大于6.5 V時(shí)，繼電器動(dòng)作，常開點(diǎn)閉合。再把兩個(gè)繼電器的常開點(diǎn)分別接至Z161、Z162和Z143、Z144，即可實(shí)現(xiàn)原有功能，而且FV控制電路距離主機(jī)遙控Z161、Z162、Z143、Z144距離較近，操作起來方便。

電壓比較器屬于最基本的模擬電路板，隨便電子器件供應(yīng)商均能提供，甚至淘寶上都能輕易夠得，且價(jià)格及其低廉。于是，聯(lián)系供應(yīng)商提供了一個(gè)電壓比較器電路板，包括4個(gè)通道的電壓比較器，開始實(shí)施。從FV電路板處引出DC24V電源作為電壓比較器電源，將FV2轉(zhuǎn)速電壓信號接至兩個(gè)比較器同相輸入端，將24 V電源經(jīng)過兩個(gè)可調(diào)電位器后分別接至兩個(gè)反相輸入端，并通過調(diào)節(jié)電位器，分別將兩個(gè)反相輸入端電壓電壓調(diào)制6.5 V和6.2 V，兩個(gè)繼電器的常開點(diǎn)分別接至Z161、Z162和Z143、Z144。接線完畢，如圖5所示，拆除原外接兩個(gè)開關(guān)，在離泊時(shí)，啟動(dòng)主機(jī)試驗(yàn)和調(diào)試，在不同轉(zhuǎn)速下觀察，電壓比較器輸出繼電器動(dòng)作都正確。經(jīng)過反復(fù)測試，功能均正常。軸帶發(fā)電機(jī)啟動(dòng)投入使用，也都無異常，故障徹底消除。

4 總結(jié)

此次故障引發(fā)了船舶管理人員的思考。本輪主機(jī)定速時(shí)通常航行在68 rpm，航行中如有遇到風(fēng)浪時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速會在65～68 rpm波動(dòng)，風(fēng)浪再大時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速甚至?xí)l繁低于62 rpm，此時(shí)，一般都會啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)替換軸帶發(fā)電機(jī)。但是主配電板上指示燈126與127會頻繁閃爍，以往由于軸帶發(fā)電機(jī)已停掉，未引起管理人員重視，實(shí)際上轉(zhuǎn)速頻繁在65 rpm左右波動(dòng)時(shí)，指示燈頻繁閃爍，就意味著主機(jī)遙控電路板CH47、CH48兩個(gè)數(shù)字量輸出通道會頻繁動(dòng)作，繼電器IR50和IR49也會頻繁動(dòng)作，將會影響其電壽命。因此吸取教訓(xùn)，在今后的使用管理中，如遇大風(fēng)浪轉(zhuǎn)速波動(dòng)厲害時(shí)，停掉軸帶發(fā)電機(jī)后，可切斷電壓比較器的電源或酌情加油門，防止繼電器在臨界點(diǎn)頻繁動(dòng)作。

絕大多數(shù)故障，都是維護(hù)管理疏忽所致。針對本輪軸帶發(fā)電機(jī)，日常需要加強(qiáng)從電氣到液壓系統(tǒng)的維護(hù)管理，包括油位、濾器、軸承、油溫、OMEGA閥清潔、OMEGA控制閥、各電磁閥、壓力開關(guān)、轉(zhuǎn)速探頭、PID控制器等等。

圖5 FV轉(zhuǎn)速信號處理電路與電壓比較器接線

[1] 郝廣君. 軸帶發(fā)電機(jī)在二沖程主機(jī)上的發(fā)展介紹及應(yīng)用[J]. 造船技術(shù), 2019(4): 1-4, 34.

[2] 殷宗學(xué), 周海濤, 王遠(yuǎn), 等. 船舶軸帶發(fā)電機(jī)選型及節(jié)能分析[J]. 船電技術(shù), 2021, 41(10): 20-23.

[3] 蘇國強(qiáng), 胡偉. 某船軸帶發(fā)電機(jī)頻率波動(dòng)過大分析及處理[J]. 航海技術(shù), 2023(1): 29-32.

Trouble shooting and thinking on the trip of shaft generator at Yudean four-wheel shipping

Wang Shizhen

（Guangdong Yudean Shipping Management Co., Ltd, Guangzhou 510000, Guangdong, China）

U665.1

A

1003-4862（2023）11-0054-04

2023-04-04

王世振（1976-），男，研究方向：船舶輪機(jī)與自動(dòng)化。E-mail:15153606139@163.com