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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
柴油机由于其热效率高、功率范用广、起动迅速和使用寿命较长等诸多原因，在船舶行业应用广泛，无论是其作为丰动力还是作为船舶电站系统的原动机，都是船舶系统的核心并发挥着重要作用。
随着船舶领域碳排放和污染物排放法规的日趋严格，船用柴油发电机性能和排放水平不断提高，这就对柴油机的燃油喷射系统提出了更高要求，电子调速器的应用，使得供油正时更加准确、供油量更加精确、调速率更加稳定,
船舶柴油机在实际运行过程中会发生各种各样的故障，其中转速波动就是常见的故障之一[1]。柴油机正常运行时，转速在设定值附近有微小的波动，但如果转速波动过大，周期性忽高忽低，调速系统将无法使转速稳定在某一值附近，甚至出现震荡，发散现象给柴油机的安全运行带来非常不利的影响:
1)导致柴油机组的振动过大、破坏柴油机运行的稳定性以及磨损柴油机支持轴承和推力轴承。
2)低速区间的转速大幅波动会造成柴油机灭火停运，而高速区间的转速大幅波动会造成柴油机超速飞车的严重事故。
3)柴油机转速波动导致热负荷不稳定，影响螺旋桨动力输出或者电站的电力品质，威胁船舶航行安全。
4)过大的冲击热负荷直接表现为柴油机排气温度忽高忽低，柴油机,承受过大的热应力热变形，严重时会导致柴油机气缸拉缸，高温受热部件产生不可逆转的塑性变形或者发生裂纹损坏，大大缩短柴油机的使用寿命。
1运行故障
船用柴油发电机组在100%功率负荷下连续运行30 min左右，常出现转速波动现象。工作人员对柴油机进行检查后，发现电子调速器执行器摇臂抖动，现场多次调节相关参数后转速波动现象无明显改善。在更换电子调速器控制器并调整相关参数后，低功率情况下转速波动率在正常范围内，在100%功率负荷下运行40 min左右后，再次出现转速波动的情况。在更换电子调速器执行器后，在100%负荷工况运行2 h,110%负荷工况运行1h，柴油机未出现转速波动情况。试验过程中对原执行器进行了拆解，发现执行器衔铁有磨损痕迹。
2原因分析
2.1故障定位
电子调速器由控制器、执行器、转速传感器及相关电缆组成，其组成及连接见图1。其中，执行器是控制供油量的执行机构，齿条是执行器摇臂齿杆，控制器中显示的齿条位移是经过换算后的直线行程，控制器是电子调速器的控制单元，转速信号采集、执行器驱动控制、起动停车、加减速及相关报警均由控制器实现[2]
1-执行器;2-电缆;3-控制器;4-转速传感器;5-测速齿轮
电子调速器采用转速、供油齿条位移双闭环比例积分微分(Proportional Integral Differential,PlD)数字转速控制方式，系统工作原理见图2。
系统每隔采样间隔时间，控制器分别采集转速设定信号、柴油发电机组转速反馈信号。中央处理器(Central Processing Unit,CpU)将设定转速信号与反馈的转速信号进行比较，同时根据稳态调速率的大小对设定值进行修正，经过比较得出误差信号e(k)，对此误差信号按照设定的控制算法进行处理和运算。控制器通过限制参数进行动态调整，以适应柴油发电机组工况和条件的变化。为了提高执行器工作的动态性能，保证动态调速性能，系统采用两级PID控制，第一级为转速PID控制，第二级为齿条位置PID控制。第一级的输出为第二级PID的输入，第二级PID控制器的输出经过功率放大器驱动电磁执行器，控制喷油泵齿条位移，使得燃油供应量与负载的变化以及给定转速的变化相适应，从而控制发电机组按所要求的特性稳定运行[3]
从电子调速器的组成和工作原理分析，引起柴油发电机组转速异常波动的可能性有以下2种
1)设定转速发生变化。柴油发电机组转速随之波动。
2)设定转速未发生变化。调速器自身问题导致柴油发电机组转速波动。其产生的原因可分为以下3种:(1)电子调速器控制器硬件问题;(2)柴油发电机组调速参数设置不合理;(3)执行器故障导致无法按照控制器的调速信号响应按照上述分析，形成转速波动故障分析见图3，逐项进行排查
按照故障树中分析引起波动的各种原因，经实际逐项排査，最终定位原因是执行器内部输出销轴与衔铁导向套、导磁壳体与衔铁之间的磨损导致。
2.2故障机理
2.2.1执行器基本工作原理
执行器的基本工作原理见图4.
当线圈通直流电后，衔铁在电磁吸力的作用下向下移动，同时带动复位弹簧压缩，带动导向套向下移动，导向套的移动经过销轴杠杆机构变为旋转运动，带动输出轴转动。当线圈断电后，衔铁在复位弹簧作用下，向上移动，带动导向套移动，并经过销轴杠杆机构转变为旋转运动，带动输出轴往回转动[4]
2.2.2销轴与导向套磨损原因分析
对销轴与导向套发生接触的原因进行分析可知，此批次执行器销轴断面的0.5 mm安装工艺倒角没有按要求磨掉，因此高温下销轴端面与导向套表面发生接触。销轴端面与导向套轴面间隙X应保证在1.0 mm>X>1.5 mm范围内。从多台柴油机拆检情况看，普遍测量的执行器销轴端面与导向套轴面间隙均大于1mm，该问题属于个例。
2.2.3导磁壳体与衔铁之间的损原因分析
根据执行器工作原理及实际检査多台柴油机执行器的情况，结合现场测量的数据，分析导磁壳体与衔铁磨损的原因如下[5].
1)导磁壳体与衔铁同轴度差
导磁壳体与衔铁的同轴度是由上壳体、端盖、导磁壳体、中心轴、直线轴承和导向套等零件共同决定。此外，中心轴的2个定位孔，分别在上壳体和端盖2个零件上，考虑到零部件的制造误差和组件的安装误差，执行器装配后，导磁壳体和衔铁的最小单边间隙要求不小于0.16 mm。
如果加工和安装过程同轴度不好，将严重影响执行器导磁壳体与衔铁的单边间隙，从拆检情况已经得以证实。
2)中心轴和端盖配合间隙过大
设计要求中心轴和端盖是一个过盈量(0.001 mm~0.034 mm)的配合，按照现有装配工艺和技术要求，选配中心轴和端盖，即利用压力机压配安装后，中心轴位置固定不动，并能承受50 N的拉力，这样的装配才能便于检査导磁壳体和衔铁的同轴度。然而，拆检柴油机调速器执行器时发现中心轴在端盖中松动，测得中心轴和端盖的配合间隙为0.010 mm~0.015 mm，无法检查衔铁和导磁壳体的同轴度。此外，此处的间隙会恶化偏心。
3)安装顺序不规范
执行器安装过程是先紧固连接上、下壳体的螺栓，然后再均匀紧固下壳体的3个水平调整螺钉用以微调中心轴的垂直性。然而，在执行器以往的拆检过程中，为了方便，工人未按照装配顺序安装，其过程是先固定3个调整螺钉，再紧固连接上、下壳体的螺栓。因此，安装中心不容易保证中心轴的垂直度，甚至会恶化垂直度。
经了解，安装不规范原因为在生产过程中未控制好人为因素，该流程控制人员在岗位变动后，未对新上岗人员进行相应能力培训和监督，导致对该安装过程失管失控。
3故障复现
执行器内部磨损导致柴油发电机组转速波动后，经拆检磨损面清洗可见，更换经调整后的新执行器后，同样工况下，柴油发电机组转速波动消失。
由于在装配同批次执行器的其他柴油发电机组中，同样的现象也有发生，经过拆检，执行器内部磨损情况基本一致，由多台柴油机发现问题相互印证，作为转速波动现象的复现。
4解决措施
根据故障定位分析，提出对该型柴油发电机组执行器处理措施如下
1)更换执行器的中心轴、端盖和导磁壳体组件，明确执行器安装过程中要先固定上下壳体连接螺栓，然后均匀紧固下壳体底端的3个调整螺钉。在衔铁安装过程中，利用塞尺测量衔铁和导磁壳体的间隙，最小处要大于0.16 mm。
2)更换销轴组件。更换输出轴与导向套之间传动的销轴，确保销轴顶端与导向套的间隙不小于1.00 mm。
5结论
对照上述解决措施，对涉及执行器更换的柴油机均进行了更换，按要求重新开展了相关试验，逐个完成了试验项目，整个试验过程中，柴油发电机组运行稳定，各项指标均满足试验要求。
在多台柴油发电机组运行250 h后，对柴油机调速器的执行器进行了拆检，未发现新的磨损点，各项指标符合维修工艺要求，柴油机运行稳定。
参考文献：
[1]王森,张国辉,崔凌洁,等.船用发电柴油机转速波动原因分析及工艺改进[J].机电设备,2024,41(05):48-51.
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