故障檢修與技術維護

柴油機“游車”現(xiàn)象原因分析及解決方法

 

摘要：常見柴油機無負荷時，轉速忽高忽低，不能穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內，稱為工作不平穩(wěn)或轉速不穩(wěn)。俗稱“喘氣”或“游車”，也稱“發(fā)喘”，是柴油機轉速不穩(wěn)的一種表現(xiàn)。在柴油發(fā)電中，游車現(xiàn)象會導致輸出功率和電壓的波動，影響柴油發(fā)電機組的穩(wěn)定性。康明斯公司在本文從調速器的作用入手，具體分析了機械調速器和電子調速器在柴油發(fā)電機組上產生游車故障的原因，并提出處理及預防措施。

 

一、游車現(xiàn)象對柴油機的危害

 

      柴油機轉速不穩(wěn)定、游車故障現(xiàn)象大致可分為兩種表現(xiàn)，一種是轉速大幅度擺動，變化周期比較長，聲音清晰可辨，一般稱之為游車或“喘氣”。另一種是轉速在小幅度范圍內波動，變化周期比較短，聲音不易辨別，在不同轉速和負載下都會出現(xiàn)，轉速低時更為明顯，且往往易引起柴油機熄火。游車嚴重時，柴油機將無法正常工作，必須及時排除游車故障。

（1）當柴油機“游車”較輕時，怠速不穩(wěn)；“游車”較重時，中、高速不穩(wěn)。一般來說，轉速不穩(wěn)有正弦波變化和無規(guī)律變化兩種。轉速呈正弦波變化時，爆發(fā)聲有明顯的周期性強密和弱疏變化。強密時轉速高，弱疏時轉速低。當爆發(fā)聲由弱疏向強密轉化時，柴油機排氣常常帶絲縷狀黑煙，調整彈簧有較大的伸縮變形和噴油泵油量調節(jié)機構“拉鋸”。因調速器不能恰當?shù)卣{節(jié)供油量，使轉速不能穩(wěn)定在規(guī)定范圍內。轉速無規(guī)律變化時，轉速忽高忽低無節(jié)律，伴隨爆發(fā)聲，排氣帶煙。因循環(huán)供油量和噴射規(guī)律不正常，導致爆發(fā)產生和柴油機轉速不正常。

（2）當柴油柴油機出現(xiàn)周期性游車，轉速升高或突然升高，無法控制轉速時稱為“飛車”。對此，如不及時控制，會造成事故。發(fā)現(xiàn)“飛車”時，可采取下列措施；迅速將加速踏板置于“閉車”位置；泵桿（調節(jié)齒桿）露在外面的噴油泵，可直接用力將其拉回；帶減壓裝置的柴油機，扳動減壓手柄使其減壓；進氣管帶閥門的柴油機，可將閥門關閉；將車停穩(wěn)，掛上高速擋，緩抬離合器踏板，使柴油機熄火。迅速將空氣濾清器卸下，用座墊等物堵住進氣管道，使氣缸缺乏空氣，無法燃燒。用合適的扳手迅速松開各氣缸高壓油管緊固螺母。

 

二、游車產生原因分析

 

      柴油機游車是指柴油機在指定轉速下運轉時轉速發(fā)生周期性的波動（如圖1所示），n為指定轉速，n?為上串轉速，n?為下跌轉速，當n?-n?>20r/m時，造成柴油機運轉的不穩(wěn)定。游車的產生，主要與柴油機調速系統(tǒng)的工作狀態(tài)相關聯(lián)。調速系統(tǒng)的作用是控制柴油機的啟動、升速、降速和停機，從而帶動整臺柴油發(fā)電機組啟動、加速、減速和停止。調速系統(tǒng)由調速器與控制機構等組成。控制機構的作用是通過操作員的操控，帶動高壓油泵齒條伸長或縮短，增加或減少供油量，讓柴油機在指定轉速下運轉。調速器的作用是當柴油機負荷發(fā)生變化時，自動調節(jié)柴油機高壓油泵的供油量，使供油量與負荷相適應，從而保證柴油機穩(wěn)定運行。經(jīng)過調速器的作用，能夠使柴油機在指定轉速下穩(wěn)定、可靠運轉。如果調速系統(tǒng)動力過程穩(wěn)定性不好，調節(jié)轉速不能穩(wěn)定在指定的轉速，轉速忽高忽低就會產生游車現(xiàn)象。

      引起柴油機游車的具體原因有以下幾方面：

（1）調速拉桿運動卡澀。潤滑油不清潔或潤滑不良；有異物進入配合副表面，引起調速拉桿發(fā)澀或阻力增大，因而調速器靈敏度降低。

（2）調速彈簧彈力減弱或安裝不當，產生“共振”，調整幅度增大，使柴油機轉速呈周期性變化。

（3）調速器的調整不當，機件配合過緊，運動阻力過大；供油拉桿移動不靈活。調速器內加注機油過多，由于油液的阻尼作用致使離心塊伸縮受到阻礙而靈敏度下降。

（4）循環(huán)供油量調節(jié)過大。一個爆發(fā)引起轉速變化極大，調速后重復首次現(xiàn)象，導致柴油機游車。

（5）從調速器齒輪到調速器，以至柱塞副，期間活動配合部位松曠。如：傳動盤與推力盤、飛球座與圓盤支架，推力盤軸承等間隙過大，使拉桿移動滯后產生自由行程而供油不穩(wěn)，引起柴油機游車。

（6）凸輪軸軸向間隙過大，干擾調速器工作。這些都會導致調速幅度增大，出現(xiàn)周期性波動；油泵控制機構運動阻力大，調整不及時。如：拉桿卡滯、柱塞轉動不靈活或柱塞彈簧座裝反等；從調速器齒輪到調速器，以至柱塞，其間因摩擦力過大而引起游車。如：飛球（或飛錘）運動阻力大，使調速滯后，傳動盤或推力盤工作面磨出凹坑等，導致調速幅度增大，出現(xiàn)周期性波動。

（7）調速器內部機件或工作面磨損嚴重，導致調速器阻力過大，靈敏度降低。或使用磨損較大的柱塞副，增加了拉桿行程，也使停供轉速偏高。

（8）調速器各連接點磨損超限，配合松曠，間隙增大，當柴油機轉速改變時，飛重塊離心推力必須逐一消除各間隙，才能拉動供油量調節(jié)齒條（或撥叉）增、減供油量，使調速器作用滯后。

（9）燃油系統(tǒng)油路中有水或空氣，導致實際循環(huán)供油量不正常，以至斷油，引起轉速不穩(wěn)和排氣管“放炮”。燃油系統(tǒng)結構組成如圖2所示。

 

圖1  柴油機轉速周期性波動曲線

圖2  柴油發(fā)電機燃油系統(tǒng)結構圖

 

三、各類調速系統(tǒng)游車的產生及解決方案

 

1、機械調速系統(tǒng)游車的產生及采取的相應措施

      機械調速系統(tǒng)采用機械調速器，柴油機帶動調速器內部的離心飛錘轉動，把飛錘的離心力與轉速聯(lián)系起來，通過離心力的動力帶動高壓油泵齒條伸長或縮短，實現(xiàn)柴油機根據(jù)負荷變化自動調節(jié)供油量的目的。同時，該調速器各運動摩擦副的潤滑采用飛濺潤滑的方式，即通過離心飛錘的運轉，使聚集于調速器殼體內底部的潤滑油飛濺起來，濺到各摩擦副實施潤滑，因而，飛錘的角位移受到離心力（轉速）的控制及潤滑油飛濺阻力的影響。由此可見，機械調速系統(tǒng)工作過程的穩(wěn)定性受調速器離心飛錘受力平衡的制約，而離心飛錘受力平衡由離心力和潤滑飛濺阻力相互影響的關系決定，飛錘在旋轉的過程中，如果離心力遠大于飛濺阻力，即飛濺阻力不足以對飛錘角位移產生改變，飛錘受力是平衡的。離心力的大小由轉速決定，而飛濺阻力的大小由殼體內潤滑油的數(shù)量（即潤滑油油位）決定。當油位高到一定的位置時，飛濺阻力對飛錘角位移產生改變，動力過程的穩(wěn)定性就被打破。由于飛錘在一定的轉速下旋轉時，只有在殼體下部才與潤滑油接觸，因而飛濺阻力的出現(xiàn)是周期性的，其對飛錘角位移的改變也是周期性的變化規(guī)律。周期性飛錘角位移的改變即帶動了高壓油泵齒條周期性的變化，此時，游車現(xiàn)象產生。

      根據(jù)以上分析，解決機械調速系統(tǒng)的游車應采取以下措施：

（1）嚴格控制調速器殼體內油位高度，在維護保養(yǎng)與檢修過程中確實履行加油后打開驗油堵驗油位，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行對油位的要求。

（2）操作員采用的機械調速器的驗油位方式為油堵式，驗油堵的頻繁松緊，可能造成殼體絲牙損壞，因此，把油堵驗油方式改為有機玻璃蓋式油尺或管式油尺，在方便加油驗油的同時保證殼體絲牙不受損壞。

（3）檢修過程中確保飛錘擺動靈活，確保調速彈簧及其他彈簧等部件的可靠性，并進行調節(jié)，如圖3所示。

2、電子調速系統(tǒng)游車的產生及采取的相應措施

      電子調速系統(tǒng)由信號輸入部分、控制部分（轉速調節(jié)器）及執(zhí)行機構等組成。柴油發(fā)電機組游車現(xiàn)象的產生主要受控制部分和執(zhí)行機構技術狀態(tài)影響。從數(shù)字式轉速調節(jié)器來說，影響穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性的重要參數(shù)為PID，PID參數(shù)的正確調整對調速系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性顯得尤其重要。所謂PID控制就是通過一個中間環(huán)節(jié)的比列積分和微分三部分的協(xié)調作用，使系統(tǒng)對柴油機轉速信號輸入變化能及時地反應并有效地控制。一般來說，PID的調整在柴油發(fā)電機組出廠時已調好。理論分析，PID參數(shù)與游車現(xiàn)象的產生應該聯(lián)系不大；但實際上由于柴油機出廠時各運動摩擦副的間隙在柴油發(fā)電機組運用過程中會產生變化，因而，柴油機在兩周即720°的一個工作循環(huán)中，不可能有一個較均衡的與出廠時相同的曲軸推動力及曲軸旋轉阻力。在柴油發(fā)電機組運用過程中，當曲軸推動力與曲軸旋轉阻力的變化超過一定范圍時，即造成柴油機轉速信號的變化超過原有PID參數(shù)有效控制的范圍，調速器的穩(wěn)定性被打破游車現(xiàn)象產生。另外，執(zhí)行器也會導致游車現(xiàn)象的產生，首先是執(zhí)行器對液壓油油質的要求，若油太稠或太稀，即油的粘度太大或太小，都將影響執(zhí)行器穩(wěn)定的工作。在實際運行過程中，執(zhí)行器工作溫度為60℃~93℃，對液壓油粘度的選擇應考慮到溫度對粘度的影響，較為理想的粘度指標應控制在20~65CST（厘斯）。另外，在新加或更換執(zhí)行器的液壓油時，由于油路中存在有一些空氣也會對執(zhí)行器動力穩(wěn)定性產生影響，產生游車現(xiàn)象，但此時的油車現(xiàn)象會隨油的循環(huán)流動而逐步排盡空氣表現(xiàn)出一個收斂的過程，即隨柴油機運轉時間的增加而逐步減小而消失。

      根據(jù)以上分析，解決電子調速系統(tǒng)的游車應采取以下措施：

（1）啟動后，若有游車現(xiàn)象，注意觀察游車現(xiàn)象是否收斂，若不是，則必須對電子調速器的參數(shù)進行調整，如圖4所示。

（2）檢修過程中，注意各運動摩擦副是否存在非正常磨耗。由于非正常磨耗的存在，使柴油機自身機械損失產生周期性變化，引起游車。因而，在解體檢修柴油機時，在測量檢查運動摩擦副間隙時，對存在的非正常磨耗要做細致分析，徹底找出引起非正常磨耗的原因并消除。

（3）對輸入電壓進行監(jiān)測和檢修，確保電源的穩(wěn)定。

（4）加強對調速器的日常維護，及時更換損壞的部件，確保調速器的正常工作。

（5）及時更換柴油機燃油濾清器，保障燃油系統(tǒng)正常工作。

 

圖3  柴油機機械式噴油泵調速器調節(jié)示意圖

圖4  柴油機電子調速器轉速調節(jié)示意圖

 

總結：

      通過以上分析可知，柴油機游車現(xiàn)象的產生機理和解決處理方法因調速系統(tǒng)原理和結構的不同有較大差異，在分析處理游車現(xiàn)象和故障時，應從游車的原因出發(fā)，從調速器在柴油機上的作用和工作過程入手，具體分析游車的故障表現(xiàn)及與調速器動作過程的關系，重點應放在調速系統(tǒng)的動力穩(wěn)定性這一共性因素上。通過不同調速系統(tǒng)的工作過程，具體分析各零部件技術狀態(tài)不良所引起的調速系統(tǒng)動力穩(wěn)定性變化，并制定和實施恢復其零部件技術狀態(tài)檢修方案和預防措施，就能較好地預防和處理柴油機游車這一故障。

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