導(dǎo)讀

本文介紹了一例船舶發(fā)電機(jī)發(fā)生并車(chē)故障時(shí)的具體情況，分析了產(chǎn)生故障的原因，并提出了具體的修復(fù)方法和改進(jìn)措施。

近年來(lái)，越來(lái)越多的船舶的柴油發(fā)電機(jī)，均裝有比較先進(jìn)的液壓調(diào)速器，但是，還有相當(dāng)多的老船舶仍然使用著機(jī)械調(diào)速器，調(diào)速器的性能好壞，對(duì)發(fā)電機(jī)的工作有很大的影響，本文主要就這方面問(wèn)題進(jìn)行探討。

一、故障現(xiàn)象

機(jī)械調(diào)速器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但是，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，零部件的磨損 ，再加上維護(hù)不利，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障。

眾所周知，由于兩臺(tái)柴油機(jī)的調(diào)速率不一致，使得機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行后出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的情況，在船舶柴油機(jī)調(diào)速器中是經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)的。

筆者在某輪工作時(shí)，就遇到了這樣的情況。

該輪電站400KVA，由兩臺(tái)柴油機(jī)帶動(dòng)，兩臺(tái) 200KVA的三相交流發(fā)電機(jī)供電。

該柴油機(jī)是20多年老舊機(jī)型，型號(hào)為 YANMAR6MAL，是6缸四沖程直接噴射式柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速 900RPM，發(fā)電機(jī)電壓440V，頻率60Hz，功率因數(shù)0.8，每機(jī)可輸出有功功率160kW。

由于功率不大，因此它的原動(dòng)機(jī)是采用機(jī)械調(diào)速器來(lái)進(jìn)行調(diào)速的，由于多年的運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)速器中零部件的磨損，以及其它一些原因，造成了兩臺(tái)柴油機(jī)的機(jī)械調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)速率不一致。

因?yàn)檫@種調(diào)速器的靜差率是不可調(diào)的，它們單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，基本上還能滿足要求。

而并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。

2007年10月8日上午在碼頭，船上四臺(tái)起貨機(jī)馬達(dá)全部起動(dòng)運(yùn)行。

因?yàn)槠鹭洐C(jī)是液壓的，馬達(dá)主要是帶動(dòng)油泵運(yùn)行，所以負(fù)荷還是比較平穩(wěn)的。

當(dāng)值班人員根據(jù)負(fù)載的情況 ，使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，并調(diào)節(jié)伺服開(kāi)關(guān)，使兩機(jī)輸 出功率相等，這時(shí)輸出功率比較大，電站運(yùn)行正常。

四個(gè)小時(shí)后，工人把起貨機(jī)馬達(dá)全部停止運(yùn)行，不久，1號(hào)發(fā)電機(jī)自動(dòng)跳閘，脫離電網(wǎng)，但是1號(hào)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

仔細(xì)檢查現(xiàn)場(chǎng)，1號(hào)柴油機(jī)各項(xiàng)儀表參數(shù)正常，逆功率繼電器已經(jīng)動(dòng)作。

詢問(wèn)當(dāng)值人員，兩臺(tái)柴油機(jī)當(dāng)時(shí)沒(méi)有人動(dòng)過(guò)，配電板及伺服開(kāi)關(guān)也沒(méi)有人動(dòng)過(guò)，這就排除了人為因素。

因?yàn)椴裼蜋C(jī)跳閘后仍能運(yùn)轉(zhuǎn)，也排除了滑油低壓保護(hù)裝置或超速保護(hù)裝置動(dòng)作的情況，因?yàn)槿绻鼈儎?dòng)作的話會(huì)使柴油機(jī)停車(chē)。

停車(chē)后拆開(kāi)檢查未發(fā)現(xiàn)異常，裝復(fù)后運(yùn)轉(zhuǎn)正常，下午繼續(xù)使用也沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，后來(lái)船舶出港時(shí)，兩機(jī)并車(chē)后不久又出現(xiàn)了 1號(hào)機(jī)跳閘的情況，和上次跳閘情況相似，都是在幾個(gè)大泵浦電動(dòng)機(jī)關(guān)閉后出現(xiàn)的。

這樣的現(xiàn)象后來(lái)還發(fā)生過(guò)多次。

因?yàn)槠渌矫嬲也怀鍪裁磫?wèn)題，所以故障原因暫不清楚。

為了查找故障原因，筆者根據(jù)跳閘情況進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

首先使兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，并起動(dòng)所有的大功率電動(dòng)機(jī)，這時(shí)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組大約承擔(dān)75％的功率，調(diào)整頻率到標(biāo)準(zhǔn)頻率，并使功率均分，然后逐一關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，即減小總負(fù)載，繼而發(fā)現(xiàn)頻率在上升，有功功率在減小，而 1號(hào)機(jī)的有功功率減小得 比2號(hào)機(jī)快，最后 1號(hào)機(jī)功率指示接近于零，再關(guān)閉一電動(dòng)機(jī)，就發(fā)生了跳閘。

在仔細(xì)分析后，斷定跳閘故障是由于兩機(jī)的調(diào)速特性不一致而造成的。

二、故障處理

為了避免發(fā)生跳閘，值到人員要根據(jù)負(fù)載情況經(jīng)常進(jìn)行人工調(diào)節(jié) ，始終使兩機(jī)輸 出功率相同。

但這很難做到，因?yàn)樨?fù)載的變化通常是無(wú)規(guī)律的，值班人員不可能始終盯在配電板看兩機(jī)的功率分配情況。

另一個(gè)方法就是設(shè)法使兩機(jī)的穩(wěn)定調(diào)速率相等。

改變調(diào)速器彈簧的剛度能改變調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)速率。

因?yàn)閺目哲?chē)到全負(fù)載油量調(diào)節(jié)桿移動(dòng)的距離是一定的，與它相連的調(diào)速器滑套移動(dòng)的距離也是一定的。

彈簧剛度越大，滑套移動(dòng)一定距離時(shí)，彈簧力的變化量越大，與其相平衡的飛鐵離心力改變的越多，轉(zhuǎn)速差就越大。

因此改變彈簧的剛度可以使穩(wěn)定調(diào)速率變化，但是在船上要制作一定剛度和尺寸的彈簧是很難辦到的，所以調(diào)換彈簧有一定的困難。

而從調(diào)速器的扛桿、拉桿方面考慮，卻有一比較容易的調(diào)節(jié)方法，圖1是某輪調(diào)速器的杠桿、拉桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖 1 調(diào)速器的杠桿、拉桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

原先杠桿輸 出支點(diǎn)在 A點(diǎn)，現(xiàn)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ず透膭?dòng)，把支點(diǎn)調(diào)到 B點(diǎn)。

這樣一來(lái)實(shí)際上就是把滑套的位移進(jìn)行了放大，滑套較小的移動(dòng)能引起拉桿較大幅度的動(dòng)作。

這樣，從空載到滿載，拉桿移動(dòng)的距離不變，而與相連的滑套移動(dòng)距離將比原來(lái)小，彈簧力的變化量也減小，與其平衡的飛鐵離心力改變量也減小，轉(zhuǎn)速差就變小。

使穩(wěn)定調(diào)速率調(diào)小了，調(diào)速特性比原先平坦了。

鑒于上述原理，我們對(duì)該船發(fā)電柴油機(jī)的調(diào)速器進(jìn)行了改動(dòng)，改動(dòng)后的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表 1所示。

由表1可見(jiàn) ，說(shuō)明調(diào)速器經(jīng)改動(dòng)后，負(fù)荷變化時(shí)發(fā)電原動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速變化明顯減小，說(shuō)明穩(wěn)定調(diào)速率明顯減小，但不靈敏度有所增加。

三、故障處理后產(chǎn)生的不利因素分析

調(diào)速器經(jīng)過(guò)以上的改動(dòng)處理，兩機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的工況得到了改善。

但是2號(hào)柴油機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不靈敏度有所增大，并且穩(wěn)定時(shí)間稍有延長(zhǎng)。

經(jīng)實(shí)地研究分析發(fā)現(xiàn)，這是由于杠桿，拉桿、油泵齒桿等零件運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力造成的。

因改動(dòng)前后其它零件沒(méi)有動(dòng)，排除它們的影響。

只有各運(yùn)動(dòng)桿件會(huì)產(chǎn)生影響。

各桿件受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜摩擦力，運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)摩擦力，靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力，這個(gè)差異對(duì)調(diào)速器性能影響很大。

在轉(zhuǎn)速剛開(kāi)始變化時(shí)，齒桿靜止；當(dāng)轉(zhuǎn)速變化后，齒桿將受到力的作用；當(dāng)推力大于齒桿的靜摩擦力時(shí)，齒桿才動(dòng)作。

它的運(yùn)動(dòng)阻力由靜摩擦力突然減小到動(dòng)摩擦力，使齒桿突然產(chǎn)生一個(gè)位移。

同時(shí)與其對(duì)應(yīng)的飛鐵或彈簧產(chǎn)生的推力突然減小，直到等于動(dòng)摩擦力時(shí)才相對(duì)穩(wěn)定，最后推力小于動(dòng)摩擦力，齒桿停止運(yùn)動(dòng)，接著重復(fù)發(fā)生上述動(dòng)作。

可見(jiàn)齒桿的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的抖動(dòng)，因而引起轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可引起周期性的波動(dòng)。

杠桿機(jī)構(gòu)改動(dòng)后把齒桿的靜動(dòng)摩擦力的差異更放大了，從滑套端看摩擦力：

我們也可以把調(diào)速器作為一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)來(lái)分析，其方案如圖2所示。

圖 2 反饋控制系統(tǒng)傳遞方框圖

從圖2中可以看出，當(dāng)外負(fù)載變化時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。

測(cè)量機(jī)構(gòu)飛鐵測(cè)出后與給定機(jī)構(gòu)比較，使滑套產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)，通過(guò)放大機(jī)構(gòu)使油門(mén)齒桿移動(dòng)，改變油門(mén)的開(kāi)度，從而阻止柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化。

由于調(diào)速器和油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有阻力和慣性，只有當(dāng)測(cè)量機(jī)構(gòu)的離心力和彈簧壓力差值達(dá)到一定時(shí)，才能克服慣性力和阻力，使供油量發(fā)生變化。

調(diào)速器經(jīng)改動(dòng)后，把放大機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)增大了，同時(shí)把阻力也放大了，測(cè)量機(jī)構(gòu)的離心力和彈簧壓力的差值只有更大，才能克服阻力使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這就是不靈敏區(qū)增大的原因。

由于不靈敏區(qū)增大，使得油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剛開(kāi)始動(dòng)作時(shí)的輸入量就偏大，再加上放大機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)增大，容易使油門(mén)齒桿移動(dòng)過(guò)量。

另外柴油機(jī)本身具有一定的“慢性”，調(diào)油動(dòng)作開(kāi)始后柴油機(jī)需要一定的時(shí)間才能使轉(zhuǎn)速變動(dòng)到新的穩(wěn)定值。

這個(gè)時(shí)間上的延遲，也容易使油門(mén)調(diào)節(jié)過(guò)量。

所有這些因素的影響，都會(huì)使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度增大、時(shí)間延長(zhǎng)，容易產(chǎn)生振蕩。

某輪出現(xiàn)的現(xiàn)象，也就是這樣的原因引起 的，這也是機(jī)械調(diào)速器經(jīng)改動(dòng)后產(chǎn)生的不利影響。

為此，我們對(duì)所有傳動(dòng)桿件進(jìn)行了清潔、修理、潤(rùn)滑等工作，并且單獨(dú)用一個(gè)細(xì)彈簧套在拉桿上，拉動(dòng)彈簧測(cè)試齒桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的抖動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)：修整后抖動(dòng)大大減小了，最后裝復(fù)試車(chē)，測(cè)定轉(zhuǎn)速不靈敏度￡≤1.4％，符合規(guī)定要求，至此全部問(wèn)題才算解決了。

綜上所述，如果采用改變彈簧剛度的方法來(lái)調(diào)節(jié)穩(wěn)定調(diào)速率，因?yàn)楦軛U比例不變對(duì)阻力沒(méi)有放大，所以不靈敏區(qū)就不會(huì)增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較好，因此改變杠桿比例沒(méi)有改變彈簧剛度的方法好。

但是在沒(méi)有彈簧的情況下，只要調(diào)節(jié)范圍不太大，并且采取適當(dāng)?shù)拇胧M量減小調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的阻力，改變杠桿比例的方法，也可以得到滿意的效果。

而且此法簡(jiǎn)單易行，一般在船上也是容易做的，只要平時(shí)對(duì)傳動(dòng)杠桿件多注意潤(rùn)滑，減小摩擦力的影響，就可消弱不利的因素，使不靈區(qū)限制在規(guī)定的范圍。

四、幾點(diǎn)建議

目前，使用機(jī)械調(diào)速器的柴油機(jī)還是比較多的。

隨著使用時(shí)間的增加，零件的磨損等因素，調(diào)速器的調(diào)速特性肯定會(huì)有所變化。

這對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組影響較大。

所以建議生產(chǎn)部門(mén)在制造時(shí)考慮到這一問(wèn)題 ，在調(diào)速器的傳動(dòng)桿件上增加一些可調(diào)節(jié)的活絡(luò)環(huán)節(jié)，比如圖3中，支點(diǎn) A到 B點(diǎn)做成可連續(xù)調(diào)節(jié)，或 C、D連接點(diǎn)之間做成可連續(xù)調(diào)節(jié)，這樣管理人員就可以根據(jù)實(shí)際情況，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)對(duì)穩(wěn)定調(diào)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)需要。

圖 3 調(diào)速器改進(jìn)示意圖

這一點(diǎn)對(duì)生產(chǎn)部門(mén)來(lái)說(shuō)，并不困難，而且對(duì)整個(gè)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也沒(méi)有增加多少，對(duì)船上來(lái)說(shuō)則提供了很大的方便。

再者也可多備幾個(gè)剛度不同的彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如果這個(gè)問(wèn)題能夠解決，船上電氣設(shè)備的安全就可以保證，船舶的安全性、可靠性就會(huì)大大提高，這對(duì)提高船舶的經(jīng)濟(jì)效益，充分發(fā)揮運(yùn)輸船舶的生產(chǎn)潛力都有很大意義。

END