一、故障現(xiàn)象

某船主機(jī)型號(hào)為 MAN B&W 6G50 ME-C，額定功率8000kW、額定轉(zhuǎn)速82.5r/min，某次航行過程中，該船 No.1 缸與 No.3 缸先后發(fā)生排氣閥關(guān)閉過慢報(bào)警故障。

No.1 缸排氣閥故障現(xiàn)象：

No.1 缸排氣閥關(guān)閉過慢報(bào)警，并伴有敲擊聲，主機(jī)控制空氣壓力降至0.6 MPa，主機(jī)自動(dòng)減速，隨后將主機(jī)控制空氣壓力調(diào)高至0.7MPa 時(shí)，報(bào)警消失；

但是 No.1 缸排氣閥關(guān)閉行程還是比其他氣缸低，敲擊聲仍然存在。

把控制空氣壓力增加到0.75MPa 時(shí)，No.1 缸排氣閥關(guān)閉恢復(fù)正常，隨后把控制空氣壓力恢復(fù)到0.7MPa，但是仔細(xì)觀察可看到主機(jī)控制空氣壓力有波動(dòng)。

根據(jù)輪機(jī)員反應(yīng)，No.1 缸排氣閥行程長(zhǎng)期低于其他缸，正常航行時(shí) No.1缸排氣閥行程與其他氣缸一致，但是主機(jī)運(yùn)行30 h后，No.1 缸排氣閥行程就會(huì)降低，低于其他氣缸排氣閥行程。

No.3 缸排氣閥故障現(xiàn)象：

No.3 缸排氣閥關(guān)閉過慢報(bào)警，主機(jī)自動(dòng)減速，主機(jī)控制空氣壓力正常，輪機(jī)員下機(jī)艙自動(dòng)復(fù)位，主機(jī)恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速。

檢查 No.3缸排氣閥發(fā)現(xiàn)啟閉油管和燃油高壓油管均有正常脈動(dòng)，排溫正常，排氣閥升程和其他缸無明顯差異。

20min后主機(jī)又發(fā)出同樣報(bào)警，主機(jī)減速，不到 1 min主機(jī)又自動(dòng)復(fù)位，并自動(dòng)加車至正常轉(zhuǎn)速。

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察判斷，故障可能發(fā)生在 No.3 缸排氣閥探頭，于是停車更換探頭，啟動(dòng)主機(jī)后正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故障暫時(shí)消失。

第 2 天，No.3 缸排氣閥出現(xiàn)同樣報(bào)警，主機(jī)自動(dòng)減速，剛開始幾次報(bào)警后很短時(shí)間主機(jī)自動(dòng)復(fù)位，主機(jī)恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速，后來報(bào)警就無法自動(dòng)復(fù)位。

檢查 MOP電腦，No.3 缸每次報(bào)警時(shí)電流數(shù)值和排氣閥升程數(shù)值不一樣，初步判斷可能是控制系統(tǒng)或者排氣閥機(jī)械故障。

二、排氣閥工作原理與結(jié)構(gòu)

1、工作原理

ME-C 和 MC 實(shí)現(xiàn)主機(jī)排氣閥開關(guān)原理相同，都是通過壓縮排氣閥液壓油缸里面液壓油頂開排氣閥，通過空氣彈簧關(guān)閉排氣閥。

二者區(qū)別在于 ME-C 機(jī)型取消了 MC 機(jī)型上的傳動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，采用0.2MPa～0.3MPa 伺服液壓油經(jīng)過燃油噴射閥執(zhí)行器（Fuel Injection Valve Actuator, FIVA）后驅(qū)動(dòng)排氣閥活塞，排氣閥打開和關(guān)閉過程由安裝在排氣閥油缸體上的位置傳感器監(jiān)測(cè)，并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)或者位移形式顯示。

圖1 ME-C排氣閥結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，ME-C 機(jī)型主機(jī)排氣閥開啟，F(xiàn)IVA閥芯上移，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供壓力油，驅(qū)動(dòng) 2 級(jí)活塞上行。

1 級(jí)活塞提供克服空氣彈簧室內(nèi)氣體壓力與空氣彈簧壓力的動(dòng)力，2 級(jí)活塞提供排氣閥其余行程驅(qū)動(dòng)力。

高壓油管內(nèi)的液壓油被壓縮后推動(dòng)液壓活塞，進(jìn)而推動(dòng)排氣閥桿下行，排氣閥打開。

排氣閥打開過程中，自阻尼柱塞、中部阻尼活塞與空氣彈簧室內(nèi)空氣活塞都起到緩沖作用，防止排氣閥開啟時(shí)沖擊力過大。

自阻尼柱塞內(nèi)部設(shè)有阻尼彈簧，對(duì)柱塞下行起緩沖作用；中部阻尼油缸內(nèi)部充滿滑油，阻尼活塞下行過程中，對(duì)阻尼活塞起緩沖作用；空氣活塞下行時(shí)，空氣彈簧室內(nèi)壓縮空氣對(duì)活塞起緩沖作用[5]。

排氣閥關(guān)閉，F(xiàn)IVA 閥芯下行，2 級(jí)活塞下行，高壓油管內(nèi)液壓油泄放，排氣閥克服高壓油管內(nèi)油液壓力與閥桿重力，在空氣彈簧作用下上移，排氣閥關(guān)閉。

兩級(jí)活塞在油液推動(dòng)作用下回到原始位置，高壓油管內(nèi)部泄放掉的油液通過單向閥補(bǔ)給，使其內(nèi)部始終充滿油液。

排氣閥關(guān)閉時(shí)，空氣彈簧室內(nèi)需要有一定壓力空氣，推動(dòng)活塞上行，所以空氣彈簧室組件至關(guān)重要，包括空氣彈簧活塞、空氣單向閥、安全閥及密封環(huán)等。

空氣彈簧室空氣單向閥損壞、密封環(huán)磨損及安全閥設(shè)置壓力過低都會(huì)引起空氣彈簧室空氣壓力過低，影響排氣閥關(guān)閉行程。

2、部件結(jié)構(gòu)

（1）FIVA 閥和蓄壓器

FIVA 閥 4 由氣缸控制單元控制，并根據(jù)預(yù)設(shè)定時(shí)通電（曲柄轉(zhuǎn)角約為 140°）或斷電（曲柄轉(zhuǎn)角約 250°），閥芯上下移動(dòng)，接通或切斷壓力油。

蓄壓器 1 作用是防止液壓系統(tǒng)油液壓力波動(dòng)，保持液壓油壓力穩(wěn)定。主機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，蓄壓器膜片可能破損，引起液壓油壓力波動(dòng)，所以需要定期檢查蓄壓器膜片壓力值。

不同溫度下蓄壓器膜片對(duì)應(yīng)的壓力值見表 1[6]。

（2）排氣閥驅(qū)動(dòng)裝置

排氣閥驅(qū)動(dòng)裝置由液壓油進(jìn)油單向閥 5、節(jié)流塞 7和兩級(jí)活塞 6 組成。

單向閥 5 主要是將液壓油由低壓端導(dǎo)入高壓端，并保持高壓端一直處于高壓狀態(tài)，同時(shí)避免低壓端和高壓端相互擾動(dòng)。

節(jié)流塞 7 的主要作用是確保執(zhí)行器壓力變化穩(wěn)定，同時(shí)將執(zhí)行器上端油液少量置換，執(zhí)行器上端油液壓力升高，油液溫度上升，過大溫升損壞部件，置換部分上端低溫油液，避免油液持續(xù)溫度升高。

2 級(jí)活塞 6 是指排氣閥執(zhí)行器升壓過程分為 2 個(gè)階段，在第 1 階段，活塞 A 和活塞B 在高壓液壓油驅(qū)動(dòng)下同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，直至活塞 B 抵達(dá)行程終點(diǎn)，高壓油管內(nèi)的油液克服氣缸壓力和空氣彈簧壓力提供打開排氣閥初始動(dòng)力；

第 2 階段，活塞A 繼續(xù)上行，提供動(dòng)力給高壓油管內(nèi)油液，完成排氣閥開閥過程主要行程[7]。

（3）空氣彈簧室

空氣彈簧室主要由單向閥 17、空氣彈簧活塞 14、安全閥 15 及密封環(huán)組成。

單向閥 17 將控制空氣持續(xù)導(dǎo)入到空氣彈簧室內(nèi)，使空氣彈簧活塞在關(guān)閥過程中克服排氣閥閥桿重力及高壓油管內(nèi)液壓力上行，關(guān)閉排氣閥。

單向閥 17 也可防止空氣彈簧活塞下行時(shí)，空氣彈簧室空氣壓力過大，反向流入補(bǔ)氣管路；

同時(shí)空氣彈簧活塞下行時(shí)，氣缸內(nèi)壓力增大，可以縮短排氣閥關(guān)閉時(shí)間[7]。

安全閥 15 起保護(hù)作用，防止空氣彈簧室空氣壓力過大。

圖2 空氣彈簧室結(jié)構(gòu)圖

空氣彈簧室密封結(jié)構(gòu)見圖2，其密封效果對(duì)排氣閥行程影響很大。

密封效果主要由密封環(huán) 1、密封環(huán) 2及密封環(huán) 3 完成。

密封環(huán) 1 和密封環(huán) 2 對(duì)空氣彈簧活塞的上下運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用；

密封環(huán) 3 密封排氣閥閥桿和導(dǎo)套表面，與排氣閥桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有較大磨損。

排氣閥中部阻尼油缸上的節(jié)流閥回流的油液會(huì)通過密封環(huán) 1 和密封環(huán) 2 進(jìn)入空氣彈簧室，油液不可壓縮，累積一定量油液被空氣彈簧活塞下行壓縮后，通過安全閥釋放，經(jīng)泄油口回流到曲軸箱[8]。

（4）排氣閥位置傳感器

ME-C 機(jī)型排氣閥油缸下部增加了一個(gè)檢測(cè)排氣閥位置傳感器，排氣閥開啟定時(shí)由安裝在主機(jī)自由端角度編碼器控制。

每缸有 1 個(gè)獨(dú)立控制單元（Cylinder Control Unit, CCU），主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，CCU 通過端口 1向 FIVA 閥發(fā)送控制信號(hào)指令，該指令通過 FIVA 閥執(zhí)行器轉(zhuǎn)換成對(duì)燃油升壓器柱塞位移和排氣閥啟閉開關(guān)量控制。

FIVA 閥位置傳感器 2、排氣閥位置傳感器 4和柱塞位置傳感器 3 負(fù)責(zé)監(jiān)控該指令的有效運(yùn)行。

圖3 為各缸控制信號(hào)與反饋信號(hào)關(guān)系圖。

圖3 各缸控制信號(hào)與反饋信號(hào)關(guān)系圖

主機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) FIVA 閥位置傳感器、排氣閥位置傳感器和柱塞位置傳感器回路上電流在一個(gè)最大值與最小值之間跳動(dòng)。

如果排氣閥或者排氣閥位置傳感器故障，控制單元 CCU 就會(huì)認(rèn)為是排氣閥沒有打開或者打開不足，控制單元 CCU 自動(dòng)對(duì)該缸發(fā)出停油指令，并發(fā)出報(bào)警；

同時(shí) FIVA 閥位置傳感器、排氣閥位置傳感器和柱塞位置傳感器回路上電流顯示固定值[9]。

三、故障原因分析

1、密封環(huán)安裝時(shí)異物卡阻、質(zhì)量不好

空氣彈簧室密封環(huán) 1 和密封環(huán) 2 安裝時(shí)有異物卡阻或密封環(huán)質(zhì)量不好，工作過程中密封環(huán)異常磨損，導(dǎo)致空氣彈簧室內(nèi)空氣泄漏，造成關(guān)閥行程控制空氣壓力不足以快速關(guān)閉排氣閥，而漏氣又引起控制空氣壓力波動(dòng)。

2、燃?xì)馍细Z，導(dǎo)致彈簧墊片未正常落座

空氣彈簧室密封環(huán) 3 磨損后，氣缸內(nèi)的燃?xì)馍细Z，導(dǎo)致阻尼活塞油缸彈簧墊片不能正常落座，并受空氣彈簧下端的撞擊而破碎，以致空氣彈簧室內(nèi)壓力不足，排氣閥關(guān)閉耗時(shí)更長(zhǎng)，超過預(yù)設(shè)時(shí)間而引發(fā)報(bào)警。

3、氣缸內(nèi)無潤(rùn)滑油

在安裝空氣彈簧室之前要對(duì)氣缸下部油腔注入干凈潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑密封環(huán)和排氣閥桿，同時(shí)對(duì)潤(rùn)滑密封環(huán)和排氣閥桿的接觸面進(jìn)行油封，否則密封環(huán) 3 磨損，空氣彈簧室空氣壓力不足，關(guān)閥行程過慢[8]。

4、空氣單向閥及安全閥故障

彈簧空氣室空氣單向閥不能止回，引起空氣室壓力不足；

彈簧空氣室自身設(shè)定壓力過低，引起空氣室壓力不足，一般設(shè)置0.7MPa 左右；

或者彈簧空氣室安全閥泄漏，引起空氣室壓力不足，以上幾點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致排氣閥關(guān)閉過慢[10]。

5、控制系統(tǒng)及傳感器故障

獨(dú)立控制單元 CCU、FIVA 閥位置傳感器、排氣閥位置傳感器以及排氣閥位置傳感器接線盒到 CCU線路發(fā)生故障，就會(huì)干擾信號(hào)傳輸，導(dǎo)致排氣閥行程出現(xiàn)故障，并出現(xiàn)報(bào)警。

四、故障解決及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1、故障解決

No.1 缸排氣閥故障解決：

No.1 缸排氣閥發(fā)生報(bào)警后，輪機(jī)員把 No.1 缸排氣閥空氣壓力調(diào)高至 0.7 MPa時(shí)，No.1 缸排氣閥依舊關(guān)閉過慢，同時(shí)伴有敲擊聲。

隨后拆卸 No.1 缸排氣閥，發(fā)現(xiàn)排氣閥空氣彈簧室密封環(huán) 1 有 2 道刮痕，密封環(huán) 2 嚴(yán)重磨損，破壞空氣彈簧室密封性能，空氣彈簧室內(nèi)空氣泄漏，關(guān)閥行程控制空氣壓力不足，導(dǎo)致排氣閥關(guān)閉過慢。

確認(rèn)敲擊聲是No.1缸排氣閥本體發(fā)出，拆卸No.1缸液壓油缸，發(fā)現(xiàn)排氣閥閥桿和空氣彈簧活塞位于油缸底部，空氣彈簧室空氣泄漏嚴(yán)重，通過單向閥補(bǔ)入空氣，停止供入后，排氣閥閥桿和空氣彈簧又回到底部，由此判斷密封環(huán) 3 漏氣。

拆除空氣彈簧活塞，發(fā)現(xiàn)液壓油缸底部彈簧墊圈斷裂，密封環(huán) 3 嚴(yán)重磨損。

密封環(huán) 3 磨損后，氣缸內(nèi)的燃?xì)馍细Z，彈簧墊片不能正常落座，引起空氣彈簧活塞下部發(fā)生撞擊破損，引起敲擊聲，同時(shí)空氣彈簧室內(nèi)空氣壓力不足，排氣閥關(guān)閉行程過慢。

檢查發(fā)現(xiàn)：

彈簧空氣室下部油腔滑油不足，導(dǎo)致密封環(huán) 3 嚴(yán)重磨損。

彈簧空氣室下部油腔滑油主要作用是潤(rùn)滑密封環(huán) 3 和排氣閥閥桿，同時(shí)對(duì)密封環(huán) 3 和排氣閥閥桿接觸部位形成油封。

通過更換 No.1 缸排氣閥空氣彈簧室全部密封環(huán)，液壓油缸彈簧墊圈，彈簧空氣室下部油腔充注干凈足量的滑油，主機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，No.1 缸排氣閥行程恢復(fù)正常。

No.3 缸排氣閥故障解決：

No.3 缸排氣閥發(fā)生報(bào)警后，檢查 No.3 缸蓄壓器壓力、排氣閥空氣彈簧室空氣壓力及空氣單向閥、排氣閥執(zhí)行器進(jìn)油單向閥均正常，初步判定為控制系統(tǒng)故障；

隨后檢查主機(jī)操作界面（Marine Operate Position, MOP）電腦上 No.3 缸絕緣，電噪聲為 11 dB（介于其他缸中間水平），把 No.3 缸與 No.2 缸排氣閥（工作正常）位置探頭互換，檢查從No.3 缸排氣閥位置探頭到 CCU 的線路，重新?lián)懿甯鱾€(gè)端子并上緊螺絲，重新啟動(dòng)主機(jī)，No.3 缸排氣閥正常工作，但10h后 No.3 缸排氣閥關(guān)閉過慢報(bào)警再次出現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排查，最后確定故障可能發(fā)生在排氣閥位置傳感器接線盒到 CCU 的線路[4]。

該船排氣閥位置傳感器接線盒到 CCU 線路長(zhǎng)9m，大部分電纜完好地固定在線路支架上，但是中間有0.5m 懸空。

這一小段懸空電纜隨主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而輕微抖動(dòng)，電纜與鐵軋帶之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)主機(jī)，用手搖動(dòng)懸空處電纜，主機(jī)立刻發(fā)出 No.3 缸排氣閥行程短報(bào)警。

排氣閥位置傳感器接線盒到 CCU 的線路出場(chǎng)時(shí)布線不合理，導(dǎo)致懸空線路隨主機(jī)工作振動(dòng)而抖動(dòng)，電纜與鐵軋帶長(zhǎng)期處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電纜磨損，電纜屏蔽線一旦破損，就會(huì)干擾信號(hào)傳輸，導(dǎo)致No.3 缸排氣閥行程短報(bào)警。

剪開鐵軋帶，發(fā)現(xiàn)電纜外皮有輕微破損，停下主機(jī)，更換線路，檢查固定懸空線路，隨后啟動(dòng)主機(jī)，No.3 缸排氣閥工作正常。

2、密封空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

空氣彈簧室的密封對(duì)排氣閥關(guān)閉行程影響很大，為了提高密封空氣壓力，防止燃?xì)馍细Z，減輕排氣閥閥桿腐蝕和磨損，減小對(duì)排氣閥行程的影響，對(duì)密封空氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，見圖4。

圖4 空氣彈簧室密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造圖

在空氣彈簧室 A 下部增設(shè)密封空氣室 B，空氣彈簧室 A 中空氣來自空氣瓶（圖4中管路 1），密封空氣室 B 中空氣來自主機(jī)操縱系統(tǒng)（圖4中管路 2）。

當(dāng)主機(jī)備車時(shí)壓縮空氣從管路 1，經(jīng)過單向閥 3 進(jìn)入彈簧空氣室，同時(shí)也到達(dá)方向閥 4 前端；主機(jī)運(yùn)行時(shí)方向閥 4 打開，管路 1 中空氣進(jìn)入密封空氣室 B；

主機(jī)排氣時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使排氣閥閥桿下行，彈簧空氣室 A 中空氣在彈簧活塞作用下壓力升高。

由于單向閥 3 作用，彈簧空氣室 A 中空氣不能倒流，只能經(jīng)方向閥 4 進(jìn)入密封空氣室 B，密封空氣室 B 內(nèi)的空氣壓力增加，阻止了燃?xì)馀欧艜r(shí)的上竄，減輕排氣閥桿腐蝕和磨損，減小對(duì)排氣閥行程影響。

五、結(jié)論

1）經(jīng)過以上故障排除分析得出，ME-C 型主機(jī)排氣閥關(guān)閉行程過短，主要是空氣彈簧室密封環(huán)磨損、氣缸內(nèi)燃?xì)馍细Z及安裝排氣閥時(shí)在空氣彈簧室下部油腔充注滑油量不足以及排氣閥位置傳感器接線盒到CCU 的線路部分損壞所導(dǎo)致。

通過更換密封環(huán)，液壓油缸彈簧墊圈，在空氣彈簧室下部油腔內(nèi)補(bǔ)充干凈潤(rùn)滑油及更換排氣閥位置傳感器接線盒到 CCU 的線路，使排氣閥工作恢復(fù)正常；

同時(shí)對(duì)排氣閥密封空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高了密封空氣壓力，阻止燃?xì)馍细Z，減輕了排氣閥閥桿腐蝕和磨損。

2）排氣閥工作狀態(tài)好壞直接影響主機(jī)運(yùn)行，必須定期更換液壓活塞、彈簧空氣室活塞和排氣閥桿密封環(huán)，保證密封腔室良好；

定期對(duì)單向閥、FIFA 開關(guān)閥和傳感器等進(jìn)行檢查，保證通道暢通；

拆卸時(shí)測(cè)量排氣閥閥桿和閥座有關(guān)數(shù)據(jù)，確保在規(guī)定范圍之內(nèi)，以保證排氣閥工作正常。

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原創(chuàng)作者系：

江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院

彭 陳