论文部分内容阅读
摘要：本文通过加蓬PO公路工程，船舶在运输石料和红土过程中发动机出现的故障进行诊断，分析了出现此故障的原因，并提出了预防措施，为以后的船舶发动机维修提供参考依据。
关键词：船舶，故障，诊断分析，预防措施
1、工程概况
加蓬PO公路工程项目A标，位于加蓬奥果韦省中部，主线全长52km，碎石需求量40万方，红土需求量150万方，地材运输完全依靠水路船舶运输，年运输任务量大，船舶数量多，运输距离远，持续时间长，对船舶的完好率和有效利用率提出了很大的挑战。
2、船舶发动机构造和主要技术参数
2.1发动机构造
柴油发动机一般由两大机构、四大系统组成。曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、冷却系统、起动系统。
2.2主要技术参数
3、发动机故障发现经过
船舶左右主机分别因3缸气缸垫破损造成2缸与3缸之间有“扑哧扑哧”漏气现象，发动机功率有所下降，除此之外發动机在运转过程中并无其它异常现象。首先拆解左机3缸、4缸缸盖更换气缸垫修理过程中，突然发现3缸、4缸活塞顶部均在燃烧室进气门头处有横向1cm左右的裂纹，裂纹开始位置开口较大，且纵向也较深，其内部已嵌入大量的积碳，在靠近裂纹最前端，这种现象更为明显。
从裂纹产生的部位看，活塞的这个部位受热最剧烈，但冷却条件最差。这是因为当燃油喷进燃烧室时，活塞正接近上止点位置，部分燃油将直接喷在活塞顶部，越靠近喷油器的位置喷射的燃油量就越大。油量大、雾化不均匀、油滴燃烧会造成两方面危害：一方面，燃油在蒸发的过程中会带走热量；另一方面燃烧不充分所造成的积碳不利于热传导。因担心其它气缸也会如此，为慎重起见进一步拆解其它气缸盖，拆下剩余2个缸盖后，发现6只活塞顶部异常裂纹惊人的一致。
随后在检修右机发动机时，除3缸缸垫损坏冷却水进入气缸造成缸盖和缸套有穴蚀异常情形外，在第5缸的活塞顶部也发现同样异常裂纹，但6个气缸中只有第5缸的1只活塞顶部出现裂纹。
4、故障诊断分析
4.1活塞裂纹分布
针对开裂的活塞逐一观察，发现裂纹在活塞顶部分布有一个共同的特点，即均在进气门头燃烧室处，在燃烧室的顶面上有肉眼可以分辨出的由积碳形成的梅花斑图案，燃烧室顶面的梅花斑中心与喷油器的喷油口在数量和位置上相对应，裂纹就分布在两个花瓣之间。
4.2活塞裂纹原因分析
大量的裂纹活塞势必对发动机运行的可靠性产生影响，也对船舶安全航行构成一定的威胁。机务管理人员当机立断安排相关维修人员对两台发动机大修，进行四配套更换及其它零部件检测。同时为了能够查明此裂纹产生的原因，通过查阅相关方面资料，再结合以往的工作经验和现场实际检修情况，对活塞裂纹原因分析如下：
4.2.1发动机超负荷运转，导致活塞变形量过大，进而造成活塞顶面的疲劳开裂。
在和船员的交流过程中得知，船舶正常航行时，负荷基本都控制在全负荷的90%左右，从未超负荷运行。通过以往实际的观察，航行时状态所述情况属实，但在船舶靠岸时，会出现频繁的急加速或急减速现象，此刻发动机排气管黑烟滚滚，短时间内急加速或急减速的操作方法，对发动机活塞开裂起到诱导作用。
4.2.2活塞材质不合格，高温时可导致强度降低。
活塞材质不合格，材质中的杂质会在高温、高压作用下而熔化，导致活塞开裂或烧熔。尤其在活塞顶部，因为活塞顶部与缸盖构成密闭的燃烧室，在柴油被压燃时，这里瞬间的温度和压力均达到最高值。
4.2.3燃油因素
如果燃油中含有硫、钒等元素超标，则影响到燃烧室温度，会引起高温腐蚀，从而增加裂纹产生的可能性。虽然我们没有油品方面的检测仪器，无法对油品实施各元素的细致检测，但修理人员在维修其它船舶不同型号发动机时，并没有发现活塞裂纹的异常现象，各船舶都用的是同一油库，同一批次的燃油，所以这一影响因素基本可以忽略不计。
4.2.4供油提前角过大
喷油供油提前角过大喷油器将提前喷油，造成燃烧室的燃烧状况发生改变，使燃烧过程中的最高温度上升，严重时活塞运行过程中还会有敲击现象，无疑将会对裂纹的产生起促进作用。燃油喷油的起点通过喷油提前角来控制，这一角度属于调整项目，经过船舶厂家维修工程师亲自检查，发现左机供油提前角实为21°，比此款机型最大供油提前角值大6°（铭牌标准值13-15°）；右机供油提前角则在标准值范围内。从最终实际检测数据来看，左机供油提前角偏离较大，造成爆压大幅度升高，活塞顶部所承受的应力显著升高，可能导致机组活塞顶部裂纹的萌生，且对裂纹的扩展起一定的助推作用。而右机提前角正常，则相应裂纹活塞的数目就只有1个。
4.2.5燃油喷油器喷射压力是影响喷油时机的另一个因素，喷射压力降低会造成喷油器提前喷油。
喷油器在工作中如果出现滴油、二次喷射、雾化不良等异常情况，都会使燃油滴落到燃烧室，形成活塞顶的局部高温，热应力增大，导致活塞顶部损坏。但从维修人员对现场喷油器检测结果来看，所有喷油器喷射压力都在正常范围内，各项性能指标均符合要求，由此初判定不是燃油喷射压力异常的原因造成活塞裂纹。
4.2.6喷油量过大
燃油喷油量过大将使气缸内燃烧恶化，形成积炭或严重后燃，柴油燃烧热量不能全部用来做功，使气缸温度过高，活塞应力增加易产生裂纹。燃油的喷油量与柴油机的输出功率相关，在柴油机输出功率一定的情况下，燃油喷油量几乎不变。喷油量属于厂家设定参数，为防止用户调整该参数，在出厂时已使用铅封保护。经维修人员现场核实，出厂防护铅封均正常。正常运转的情况下，油泵的供油量规律应该是逐渐减少，而非增加，因柱塞是会磨损而内泄的，所以燃油喷油量过大不会出现此种故障。
4.2.7冷却因素
冷却因素包括两方面，一是水冷却系统，二是润滑系统。船员反应航行过程中，从没出现过冷却水高温的现象，基本都是80℃左右，润滑系统也没出现过热现象。从现场实际观察的情况看，两台发动机均装有涡轮增压器，据以往所见装有涡轮增压器的柴油机活塞顶部都配有专门的冷却润滑喷嘴。喷嘴主要作用是喷射润滑油对活塞实施冷却，如果流量不足、冷却不良，必然造成活塞温度升高，燃烧室温度即超过了活塞材料的耐受极限而导致裂纹产生。
5、预防措施
5.1发动机负荷在允许范围内，不得超负荷运行，船舶前进或倒退过程中避免急速加油门，发动机提速或降速要均匀平稳；
5.2尽量选用正规厂家制造的发动机，相关质量和品质都有保障，可延长发动机的使用寿命；
5.3当地燃油采购时，选用正规的石油公司，燃料中含有硫、钒等元素不会超标，防止了燃烧室内被腐蚀的不利因素；
5.4核查供油提前角，当供油提前角提前或滞后时及时做出调整，但必须在专业工程师的指导下进行；
5.5加强船长的船舶驾驶技能，组织培训和学习船舶技能知识，有助于掌握船舶的构造和原理，对船舶的使用起到促进作用。
6、结束语
综上所述，活塞开裂现象会有诸多原因引起，发动机超负荷运转、活塞材料、燃油系统故障、冷却系统故障，都有可能是活塞裂纹产生的诱因，但都不是构成活塞裂纹的充要条件。根据以上的诊断分析，造成活塞顶部进气门燃烧室处裂纹的原因归纳为：
6.1活塞材质是产生裂纹的主要原因；
6.2供油提前角过大对裂纹产生起到助推的作用；
6.3短时间的超负荷运转和无冷却喷嘴是引发活塞开裂的导火索。
关键词：船舶，故障，诊断分析，预防措施
1、工程概况
加蓬PO公路工程项目A标，位于加蓬奥果韦省中部，主线全长52km，碎石需求量40万方，红土需求量150万方，地材运输完全依靠水路船舶运输，年运输任务量大，船舶数量多，运输距离远，持续时间长，对船舶的完好率和有效利用率提出了很大的挑战。
2、船舶发动机构造和主要技术参数
2.1发动机构造
柴油发动机一般由两大机构、四大系统组成。曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、冷却系统、起动系统。
2.2主要技术参数
3、发动机故障发现经过
船舶左右主机分别因3缸气缸垫破损造成2缸与3缸之间有“扑哧扑哧”漏气现象，发动机功率有所下降，除此之外發动机在运转过程中并无其它异常现象。首先拆解左机3缸、4缸缸盖更换气缸垫修理过程中，突然发现3缸、4缸活塞顶部均在燃烧室进气门头处有横向1cm左右的裂纹，裂纹开始位置开口较大，且纵向也较深，其内部已嵌入大量的积碳，在靠近裂纹最前端，这种现象更为明显。
从裂纹产生的部位看，活塞的这个部位受热最剧烈，但冷却条件最差。这是因为当燃油喷进燃烧室时，活塞正接近上止点位置，部分燃油将直接喷在活塞顶部，越靠近喷油器的位置喷射的燃油量就越大。油量大、雾化不均匀、油滴燃烧会造成两方面危害：一方面，燃油在蒸发的过程中会带走热量；另一方面燃烧不充分所造成的积碳不利于热传导。因担心其它气缸也会如此，为慎重起见进一步拆解其它气缸盖，拆下剩余2个缸盖后，发现6只活塞顶部异常裂纹惊人的一致。
随后在检修右机发动机时，除3缸缸垫损坏冷却水进入气缸造成缸盖和缸套有穴蚀异常情形外，在第5缸的活塞顶部也发现同样异常裂纹，但6个气缸中只有第5缸的1只活塞顶部出现裂纹。
4、故障诊断分析
4.1活塞裂纹分布
针对开裂的活塞逐一观察，发现裂纹在活塞顶部分布有一个共同的特点，即均在进气门头燃烧室处，在燃烧室的顶面上有肉眼可以分辨出的由积碳形成的梅花斑图案，燃烧室顶面的梅花斑中心与喷油器的喷油口在数量和位置上相对应，裂纹就分布在两个花瓣之间。
4.2活塞裂纹原因分析
大量的裂纹活塞势必对发动机运行的可靠性产生影响，也对船舶安全航行构成一定的威胁。机务管理人员当机立断安排相关维修人员对两台发动机大修，进行四配套更换及其它零部件检测。同时为了能够查明此裂纹产生的原因，通过查阅相关方面资料，再结合以往的工作经验和现场实际检修情况，对活塞裂纹原因分析如下：
4.2.1发动机超负荷运转，导致活塞变形量过大，进而造成活塞顶面的疲劳开裂。
在和船员的交流过程中得知，船舶正常航行时，负荷基本都控制在全负荷的90%左右，从未超负荷运行。通过以往实际的观察，航行时状态所述情况属实，但在船舶靠岸时，会出现频繁的急加速或急减速现象，此刻发动机排气管黑烟滚滚，短时间内急加速或急减速的操作方法，对发动机活塞开裂起到诱导作用。
4.2.2活塞材质不合格，高温时可导致强度降低。
活塞材质不合格，材质中的杂质会在高温、高压作用下而熔化，导致活塞开裂或烧熔。尤其在活塞顶部，因为活塞顶部与缸盖构成密闭的燃烧室，在柴油被压燃时，这里瞬间的温度和压力均达到最高值。
4.2.3燃油因素
如果燃油中含有硫、钒等元素超标，则影响到燃烧室温度，会引起高温腐蚀，从而增加裂纹产生的可能性。虽然我们没有油品方面的检测仪器，无法对油品实施各元素的细致检测，但修理人员在维修其它船舶不同型号发动机时，并没有发现活塞裂纹的异常现象，各船舶都用的是同一油库，同一批次的燃油，所以这一影响因素基本可以忽略不计。
4.2.4供油提前角过大
喷油供油提前角过大喷油器将提前喷油，造成燃烧室的燃烧状况发生改变，使燃烧过程中的最高温度上升，严重时活塞运行过程中还会有敲击现象，无疑将会对裂纹的产生起促进作用。燃油喷油的起点通过喷油提前角来控制，这一角度属于调整项目，经过船舶厂家维修工程师亲自检查，发现左机供油提前角实为21°，比此款机型最大供油提前角值大6°（铭牌标准值13-15°）；右机供油提前角则在标准值范围内。从最终实际检测数据来看，左机供油提前角偏离较大，造成爆压大幅度升高，活塞顶部所承受的应力显著升高，可能导致机组活塞顶部裂纹的萌生，且对裂纹的扩展起一定的助推作用。而右机提前角正常，则相应裂纹活塞的数目就只有1个。
4.2.5燃油喷油器喷射压力是影响喷油时机的另一个因素，喷射压力降低会造成喷油器提前喷油。
喷油器在工作中如果出现滴油、二次喷射、雾化不良等异常情况，都会使燃油滴落到燃烧室，形成活塞顶的局部高温，热应力增大，导致活塞顶部损坏。但从维修人员对现场喷油器检测结果来看，所有喷油器喷射压力都在正常范围内，各项性能指标均符合要求，由此初判定不是燃油喷射压力异常的原因造成活塞裂纹。
4.2.6喷油量过大
燃油喷油量过大将使气缸内燃烧恶化，形成积炭或严重后燃，柴油燃烧热量不能全部用来做功，使气缸温度过高，活塞应力增加易产生裂纹。燃油的喷油量与柴油机的输出功率相关，在柴油机输出功率一定的情况下，燃油喷油量几乎不变。喷油量属于厂家设定参数，为防止用户调整该参数，在出厂时已使用铅封保护。经维修人员现场核实，出厂防护铅封均正常。正常运转的情况下，油泵的供油量规律应该是逐渐减少，而非增加，因柱塞是会磨损而内泄的，所以燃油喷油量过大不会出现此种故障。
4.2.7冷却因素
冷却因素包括两方面，一是水冷却系统，二是润滑系统。船员反应航行过程中，从没出现过冷却水高温的现象，基本都是80℃左右，润滑系统也没出现过热现象。从现场实际观察的情况看，两台发动机均装有涡轮增压器，据以往所见装有涡轮增压器的柴油机活塞顶部都配有专门的冷却润滑喷嘴。喷嘴主要作用是喷射润滑油对活塞实施冷却，如果流量不足、冷却不良，必然造成活塞温度升高，燃烧室温度即超过了活塞材料的耐受极限而导致裂纹产生。
5、预防措施
5.1发动机负荷在允许范围内，不得超负荷运行，船舶前进或倒退过程中避免急速加油门，发动机提速或降速要均匀平稳；
5.2尽量选用正规厂家制造的发动机，相关质量和品质都有保障，可延长发动机的使用寿命；
5.3当地燃油采购时，选用正规的石油公司，燃料中含有硫、钒等元素不会超标，防止了燃烧室内被腐蚀的不利因素；
5.4核查供油提前角，当供油提前角提前或滞后时及时做出调整，但必须在专业工程师的指导下进行；
5.5加强船长的船舶驾驶技能，组织培训和学习船舶技能知识，有助于掌握船舶的构造和原理，对船舶的使用起到促进作用。
6、结束语
综上所述，活塞开裂现象会有诸多原因引起，发动机超负荷运转、活塞材料、燃油系统故障、冷却系统故障，都有可能是活塞裂纹产生的诱因，但都不是构成活塞裂纹的充要条件。根据以上的诊断分析，造成活塞顶部进气门燃烧室处裂纹的原因归纳为：
6.1活塞材质是产生裂纹的主要原因；
6.2供油提前角过大对裂纹产生起到助推的作用；
6.3短时间的超负荷运转和无冷却喷嘴是引发活塞开裂的导火索。