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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
上海市浦东新区海港大道1550号
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0引言
ME系列是MAN B&W生产的较为典型的电喷柴油机，目前普遍应用于各类商船。某公司13艘48 000 DT系列船都是使用MAN B&W6S50ME电喷柴油机，自2014年投入使用以来，船岸管理人员不断对运行中发现的典型故障案例进行分析，并总结管理经验。ME柴油机取消了凸轮轴，通过液压机械系统实现燃油以及排气阀的动作。这些动作的执行由柴油机控制系统(ECS)进行电子控制。其中，关键设备是角度编码器。现针对一起特殊的ME主机角度编码器故障原因进行详细分析，供同类型主机管理人员借鉴
1 故障经过
某轮主机型号MAN B&W 6S50ME-C8，主机额定转速105 r/min，额定功率7 948 KW。某日从广州开往京唐港途中，主机出现Tacho Set a Failure(编码器A故障)、Delta Tacho Btoo big(角度编码器A与B偏差过大)、Tacho Alignment Er:(角度编码器对中错误)等报警，有时还出现Marker A input slip,Tacho B input siip,Tacho Ainput slip一系列报警。复位后，恢复正常。但不定时地又出现了报警，自行复位后，正常。观察一段时间后确认，这些报警不影响主机正常运转，将报警临时锁闭。航行五天抵京唐港锚地抛锚后，将报警点解锁，并进行观察，主机在停车状态下也会出现Tacho SetaFailure，盘车后报警复位。
2 故障原因分析及排除过程
2.1 角度编码器工作原理
角度编码器是电喷柴油机控制系统的一部分。电控柴油机的燃油精准喷射、排气阀开关定时，都是通过角度编码器传输过来的曲轴角度信号来实现的。可以说，角度编码器是电喷主机控制系统的核心部件之一。为保证电喷柴油机的可靠运转，MAN B&W ME系列电喷柴油机安装了两套相互冗余的角度编码器(Angle Encoder)，即Angle Encoder-A和Angle Encoder-B，每个Angle Encoder系统各有4个固定的探头，即Q1A、Q2A、MMA、MSA和Q1B、Q2B、MMB、MSB。另外，在飞轮端NO.1缸正车方向上止点后90°的位置还有一个机械固定的参考传感器MSA。信号放大器A上MSA的接线接在了飞轮端MSA上，而Angle Encoder-A内部的MSA探头没有接线。Angle Encoder-B内部4个探头都接在了TSA-B上。如图1所示。
以Angle Encoder-A为例，介绍其工作原理。Q1A、Q2A探头检测主机转速、转向和曲轴的运转角度;MMA是标记探头，标记N0.1缸的上止点位置;MSA是参考探头。角度编码器内部有一个随空心轴转动的带有360个齿的圆盘。当主机运转时圆盘同主机曲轴-起转动，每通过一个齿，Q1A、Q2A探头就得到一个脉冲信号，TSA-A内部的计数器就记录一个数，通过记录脉冲次数计算出主机曲轴的运转(已经转过的)角度值(360个齿，精确到1°)。如果Q1A比Q2A先得到信号说明，主机的运转方向是逆时针方向;如果Q2A比Q1A先得到信号，则主机的运转方向是顺时针方向，从而得出主机的正倒车方向。圆盘上固定有一个半圆的导磁环随圆盘一起转动。当半圆环转到MMA位置时，MMA探头得到一个脉冲信号标记主机1号缸的上止点。系统根据Q1A、Q2A和MMA的信号输入计算出实时的曲轴角度。主机在运转过程中作用在曲轴上的扭转力矩很大，会产生比较大的扭转振动。为防止Angle Encoder-A的空心轴与其连接轴产生滑移而影响Angle EncoderA的准确性，在主机飞轮上安装了一个机械固定的180曲轴转角的半圆环。当半圆环到达参考探头MSA位置时，MSA得到一个脉冲信号，持续180°曲轴转角，与系统计算出的主机曲轴转角进行比较来判断Angle Encoder-A的运行状态是否正常。在正常情况下，主机选择Angle Encoder-A来运转。当两套Angle Encoder系统出现偏差时，系统会以飞轮端参考探头MSA为基准，来判断Angle Encoder-A的准确性。如果系统判断Angle Encoder-A故障，系统会自动选择Angle Encoder-B系统。
2.2 故障原因分析及排除
根据角度编码器工作原理和厂家提供的Tacho故障分析技术资料分析，当编码器同时出现多个报警时，应该首先解决Tacho Set aFailure这个警报。引起这个报警的原因有Cabling Failure线路故障;Angle Encoder Failure角度编码器故障;Tacho amplifier A faiure放大器故障;Power Failure(ECUA power tacho set A)电源故障(测速装置A出ECU A供电);Sensor support console Failure传感器支撑底座故障;Trigger ring is damaged(半圆环受损);Flywheel marker sensor Failur飞轮处传感器故障等。
1)检查ECUA,TSA-A,Tacho Set a,MSA之间的信号线，特别注意到角度编码器连接电缆接口采用的是航空插头，在长时间振动较大时，插头连接处及电缆与航空插头接线处容易出现插头松动或电缆磨损，导致接线松动或接触不良的情况发生。检查后发现没问题:
2)考虑到电源故障，接着更换了ECUA的MPC板。之后，主机在停车状态下，还会出现Tacho SetaFailure，盘车后，报警复位。这种情况说明，ECUA的MPC板没问题。更换MPC的过程，不在这里再述:
3)更换Tacho amplifier A控制板，主机在停车状态下还会出现Tacho SetaFailure，盘车后报警复位。这种情况说明Tacho amplifier A控制板没问题,
4)检查MSA传感器支撑底座固定正常，检査飞轮处半圆环与MSA传感器的间隙，若飞轮端MSA传感器与半圆环之间的间隙过大，可能会导致MSA传感器不能被触发，系统误认为探头失效，也会引起报警。对此间隙进行测量，因为主轴承间隙磨损等多个因素会导致曲轴角度变化时MSA传感器与半圆环之间的间隙不一样。因此，应多测量几个位置，包括90°、135°、180°、225°、270°。要求的正常范围为1.5~3.0 mm，测量的几个间隙值均符合要求正常。测试MSA传感器的功能性，正向盘车，当盘车至NO.1缸上止点后90°，半圆环到达MSA传感器下方时，传感器指示灯刚好亮;继续盘车，当盘至270°离开半圆环时，刚好不亮。另外，在盘车检查的同时，还可以在MOP上“Mintenance-System View /O Test”菜单下査看ECUA、ECUB、CCU的J40-47通道，从MSA传感器指示灯指示状态来看飞轮端MSA传感器正常，J40-47通道都能标定无异;
5)检查Angle Encoder-A、Angle Encoder-B的固定支架和固定螺栓紧固情况，正常对Angle Encoder-A和Angle Encoder-B进行检查，正车盘车，找到指示灯由熄灭到刚点亮的位置。此时，观察飞轮刻度指示，No.1缸已经基本处在上止点位置，存在轻微偏差(正常范围)。打开主机NO.1缸曲轴箱道门，用专用工具校准，查看是否能够对准曲轴和机体上红色的标识点。此时，NO.1缸虽然没有在上止点位置，但偏差没有超限，不会触发Tacho故障报警。考虑到主机高速运转时扭转力矩增大，主机曲轴连接轴扭转变形加乱，如果再加上这个偏差值，可能会导致Tacho系统计算出的曲轴角度与飞轮端参考探头MSA测量出的曲轴角度之间的偏差超限，而引起Tacho系统报警。于是决定重新调整角度编码器。
a.校准Angle Encoder-A。盘车将主机NO.1缸正车方向盘车至上止点位置，专用工具两头刚好对准曲轴和机体上的红色标识点观察此时主机飞轮端指针实际指示与上止点零点的偏差位置(校准Angle Encoder-B时会用到)，对Angle Encoder-A进行调节。松开锁紧环，用内六角扳手转动编码器空心轴，找准LED灯由熄灭到刚点亮的最佳时机。经过多次调整确定最佳位置后上紧锁紧环;
b.校准Angle Encoder-B，校准完Angle Encoder-A后，如果不校准Angle Encoder-B可能导致Angle Encoder-A和Angle Encoder-B偏差超限，引起Delta Tacho B too big报警。校准Angle Encoder-B在校准完Angle Encoder-A的基础上进行，正车方向盘车45°(修正调整角度编码器A时飞轮端指针的实际指示偏差)，按照调整A的方法调整好Angle Encoder-B。调整完毕，在MOP上进行了Tacho信号测试Test OfTacho signals，显示正常，试车正常。但主机在停车状态下还会出现Tacho Set aFailure，盘车后报警复位。
从列出的故障原因来看，怀疑是Angle Encoder-A本身的故障，决定更换Angle Encoder-A。更换Angle Encoder-A不难，特别要检査一下轴的径向偏移情况，要求该轴径向偏移量在±0.3 mm以内，关键是更换后的调整。耐心调整后，进行Tacho信号测试TesofTacho signals，正常，试车正常。从京唐港锚地起锚、靠泊、开船都正常，无报警出现。但主机定速航行一段时间后，又出现Tacho Set a Failure报警，自行复位。
所有核査项都核査后，故障依然出现，于是果断将Tacho A的MSA信号接入放大器，替换掉从飞轮处过来的参考信号，试车无报警，判断飞轮处传感器故障。之前，没有怀疑这个传感器是因为盘车从90°到270°之间，这个传感器灯都能正常亮和熄灭;后来，经过探讨发现，有时候这个灯能亮但输出的电压信号会小于16 V也会造成Tacho系统接收不到信号。
抵石岛锚地后，直接更换MSA传感器(换下的MSA传感器外观并无异常)，调整好间隙，进行耐心调整后，Tacho信号测试Testof Tacho Signals正常，试车正常，石岛锚地起锚后航行正常，再无报警出现。角度编码器功能测试分两部分，，一是Tacho信号测试Test of Tacho Signals;二是微调参数设置Setting of Fine Adjust Paramete许多同行会忽略不做微调参数设置。这里简单介绍一下微调参数设置。rS。选择合适的海况，确保主机在50%负荷之间稳定运行，取消Slow Down。准备好两个对讲机，两人合作。在测量PMI的计算机上面打开，点击左下角的Maintenance。
之后，再点击左上角的Run Wizard，接受上面的请求。系统会提醒，没有接入PM1。当接好后，进入测量步骤。在MOP中找到(hief Limiters,将第一缸的负荷分三次降到0，让其运行到排气温度小于2 500°时，里面的燃油完全燃烧后，才可以测取0-Diagram,测量完成后，慢慢恢复其燃油供给。同样，分成三次加到以前的油门位置。从第一缸一直做完六个缸。测完后，保存。TDC值和TricA Offset Ahead值自动保存。
在MOP板Maintenance→Function Test-TACHO-Setting of Fine Adjust Parameters点击Start,系统就会逐步完成运行向导。DeIta TACHO-B由ECS自动测试、计算，点击Accept，在系统提示的相应位置通过1输入TDC标定后得到Trig A offset ahead角度0.16。输入后，点击Enter键，等待几分钟，ECS参数就完成了修改。上述操作结束后，Tacho Alignment Deviation接近于“0”
3 故障排除经验总结
ME-C系列主机，电气控制方面有很多采用了双系统，目的为互为备用，即使损失其中之一，该系统仍可正常工作。角度编码器即为双系统。因此，绝大多数关于角度编码器的报警并不影响正常航行。
1)Tacho set A(B)failure报警，常出现于主机长期不动，或期间非正常断电后插拔过角度编码器。解决办法比较简单，重新test即可消除该故障;
2)Tacho Alignment Error报警原因有两种，一是实际出现误差。解决方法是航行时即使出现该报警，也并不表明角度编码器实际中出现了很大的误差，它其实只是略微出现了误差超出了报警值而已。尽量不动A角度编码器，在以A为标准的基础上微调B。调整时，可参看MOP的Status显示值进行微动调整。选中Details时，可显示角度编码器A与B的具体值。该数值只有在冲车后盘车或者主机运行时才显示，停车后就锁定在最后显示的数值;二是参数设置过小，不建议自行在MOP电脑上调整;
3)Marker A input slip报警。该报警大多是由飞轮处参考探头MSA引起的，由于震动改变了其与半圆环之间的间隙，重新调整即可。一个比较简便的测量间隙办法，间隙量约为1元硬币的厚度。此例故障发生的比较特殊，最终锁定在飞轮端参考探头MSA。建议以后航行中遇到Tacho Seta Failure等报警，不妨试一下这种方法。在TSA-A箱内，有两组MSA标记位置探头连接线，分别来自飞轮端MSA探头和角度编码器内部MSA探头。TSA使用的是来自飞轮端的探头连接线，而角度编码器内部的MSA探头连接线在箱子内处于悬空状态没有使用。飞轮端MSA探头出现故障后，处理方案在TSA-A箱内，用角度编码器内部MSA探头连接线临时代替飞轮端MSA探头连接线，就是旁通掉飞轮端MSA探头，若不再出现报警，就可断定就是飞轮端MSA探头的问题。改接线,如图2和图3所示。
4 日常管理建议
在电喷柴油机日常管理中，应特别注意对角度编码器的检査与测试，针对角度编码器常见故障，提出四点管理建议。
1)每个航次或长时间航行后，检査角度编码器锁紧螺栓是否松动。一旦发现其松动，需在紧固螺栓后，需重新调整角码器的角度(因为紧固这个锁紧螺母，角度基本上就会变化)。检查MOP界面Maintenance-function Test-Tacho中Delta Tacho B里面的数值应在+0.25,Tacho Alignment Deviation的数值应小于0.5;
2)定期盘车检査在上止点时，TSA-A指示灯点亮;在飞轮上止点后45°时，TSA-B指示灯点亮。若指示灯点亮时，飞轮角度相差太大，应重新松开角度编码器锁紧螺栓，进行调整并校正;
3)定期检査角度编码器连接电缆是否存在磨损，电缆插头连接处是否松动，必要时要进行紧固处理;
4)定期检査安装于飞轮端MSA标记位置探头与飞轮之间的间隙情况，该间隙一般为1.5~3 mm。如果间隙过大，易造成脉冲信号丢失。另外，应清除表面垃圾。
5 结束语
船舶管理任重道远，安全是永恒的主题。随着新技术新知识的不断更新，需要不断地学习。本文以MAN B&W ME系列主机编码器系统组成，常见故障分析，以及常规操作相结合的形式对编码器系统进行全面系统的研究，希望操作者更容易理解掌握相关知识。遇到相关问题能在实际工作中运用并解决问题，保障船舶运营安全。
参考文献：
[1]宋厚荣.ME主机角度编码器报警故障原因分析与排除[J].天津航海,2024,(03):16-20.
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