故障檢查與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機組“超速”問(wèn)題分析

摘要：發(fā)動(dòng)機超速故障被發(fā)電機組行業(yè)稱(chēng)之為飛車(chē)現象。飛車(chē)是指柴油機的轉速快速升高，超過(guò)最高空轉轉速，并且失去控制，同時(shí)發(fā)出巨大吼聲的故障現象。飛車(chē)是柴油機的一種特有故障，柴油機發(fā)生“飛車(chē)”后，往往引起活塞、連桿、曲軸、氣缸蓋甚至氣缸體等大型機件損壞。由于超速問(wèn)題通常都是因為設備使用不當造成的，因此，該故障一般不在康明斯發(fā)電機組保修范圍內，必須對飛車(chē)現象嚴加防范并立即處理。

 

一、柴油機“飛車(chē)”現象的定義

 

      所謂柴油發(fā)動(dòng)機飛車(chē)故障，是指發(fā)動(dòng)機突然自行加速運轉，轉速越來(lái)越高，超過(guò)柴油發(fā)電機額定轉速1500r/min以上。此外，排氣管冒出大量黑煙或藍煙，并形成很大的噪聲和振動(dòng)現象。柴油發(fā)動(dòng)機“飛車(chē)”有兩種表現：

（1）在冷車(chē)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機的轉速猛增，但過(guò)幾秒鐘轉速即可穩定，稱(chēng)之為啟動(dòng)“飛車(chē)”。

（2）在熱車(chē)工作中，發(fā)動(dòng)機轉速突然失去控制，發(fā)動(dòng)機狂轉，轉速遠遠超過(guò)規定的轉速。

      發(fā)生“飛車(chē)”后，隨著(zhù)柴油機轉速的增高，進(jìn)入缸內的柴油增加，導致其轉速再增高，從而形成惡性循環(huán)。柴油機轉速的不斷增高，使汽缸內溫度不斷上升，活塞的膨脹量增加，活塞連桿組各零件運動(dòng)加劇，負荷增大，超過(guò)其強度極限后，將發(fā)生打壞缸體，連桿折斷，曲軸斷裂，以及活塞、缸套打壞等嚴重事故。

      因此，發(fā)動(dòng)機超速簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是指發(fā)動(dòng)機的轉速超過(guò)了其規定的轉速的最大值。當發(fā)動(dòng)機處于超高速時(shí)，就會(huì )損壞發(fā)動(dòng)機的零部件。發(fā)動(dòng)機超速一般會(huì )導致凸輪軸齒輪甩出，氣閥拍打活塞頂部或者影響氣閥的正常工作順序，對燃油系統的來(lái)說(shuō)，超速一般會(huì )損壞飛錘。

      氣閥拍打活塞一般發(fā)生在活塞到達上至點(diǎn)的位置。在超高速時(shí)，進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)不能完全關(guān)閉，這種情況一般會(huì )導致“氣門(mén)浮動(dòng)”。當活塞撞擊到一個(gè)開(kāi)啟的氣閥時(shí)，氣門(mén)浮動(dòng)就會(huì )導致發(fā)動(dòng)機的損壞。氣閥拍打活塞會(huì )損壞推桿，挺桿體，氣門(mén)彈簧，氣閥，活塞，氣缸蓋，更有甚者會(huì )導致氣缸體，增壓器以及其他過(guò)熱件的損壞；同時(shí)在發(fā)動(dòng)機高速運轉下，氣閥高頻率的運動(dòng)會(huì )破壞其工作順序，從而會(huì )影響與氣閥工作順序相關(guān)的零部件的負荷能力，最終有可能會(huì )損壞推桿，凸輪軸的凸輪，挺桿體表面，甚至會(huì )使氣閥鎖夾破裂。

 

二、超速“飛車(chē)”產(chǎn)生的原因分析

 

      柴油機“飛車(chē)”的實(shí)質(zhì)，是油料（柴油或機油）過(guò)量且無(wú)節制地進(jìn)入氣缸內燃燒。在大多數情況下，這是由于調速器性能失常、燃油泵柱塞調節齒桿卡清在最大供油位置、噴油器的針閥卡死在開(kāi)啟位置等原因引起的，但是也有不少例外，即故障原因不在調速器和燃油供給系統，而是柴油或潤滑油通過(guò)非正常途徑（即從噴油器以外）進(jìn)入氣缸內，并且參與燃燒的結果。歸納起來(lái)，引起“飛車(chē)”的特殊原因大致有以下幾種：

1、預熱器損壞

      若柴油機進(jìn)氣管上安裝了預熱器，預熱器的閥芯與閥座關(guān)閉不嚴，在非預熱狀態(tài)下，預熱柴油經(jīng)過(guò)閥座孔進(jìn)入進(jìn)氣管，并且隨氣流源源不斷地進(jìn)入氣缸燃燒。

2、油底殼內機油過(guò)多

      柴油機運轉時(shí)，機油在曲軸、連桿等零件的強烈攪拌和激濺下，從氣缸壁與活塞環(huán)的間隙處大量進(jìn)入氣缸參與燃燒。

3、活塞環(huán)“對口”

      油底殼內的機油從“對口”處比較順暢地進(jìn)入燃燒室，這種情況在臥式柴油機上比較容易發(fā)生。

4、曲軸箱通氣裝置堵塞

      當該通氣裝置堵塞后，從氣缸壁與活塞環(huán)的間隙處泄漏的廢氣越積越多，曲軸箱內的氣壓越來(lái)越高，迫使油底殼內的機油竄入氣缸參與燃燒。

5、空氣濾清器油面過(guò)高

      對于油浴式空氣濾清器，由于在油盤(pán)內加注的機油過(guò)多，或因為空氣濾清器吸入了嘴水，使油盤(pán)內的油平面升高，機油被強氣流吸入氣缸。

6、空氣濾清器濾芯清洗不當

      在用柴油，煤油甚至汽油清洗空氣濾清器的濾芯后，未甩凈濾芯上粘附的殘油就裝上了，工作中這部分燃油被強氣流吸入燃燒室。

7、調速裝置失效

      以康明斯發(fā)電機組為例，其轉速傳感器信號傳輸原理如圖1所示，電子調速器電路如圖2所示。在開(kāi)機運行情況下，電子調速器最高設置為1800r/min，超速值為1725r/min，常規值是1475-1575r/min為正常范圍，停機報警功能是自由設定。當調速裝置中的電子調速器或轉速傳感器因故障而失效時(shí)，會(huì )造成柴油發(fā)電機超速誤報警現象。此種情況下，并非設備真實(shí)在超速狀態(tài)，只是由于調速裝置傳輸錯誤的數據給主控器，誤導致其下達停機命令。

      要判斷一臺發(fā)動(dòng)機是否超速，一般要從相關(guān)的零部件的損壞狀態(tài)來(lái)判斷。如果一個(gè)零件的損壞狀況符合發(fā)動(dòng)機超速的癥狀，但發(fā)動(dòng)機本身顯示沒(méi)有超速的異相，那么該零件的損壞就不是因為超速而引起的。發(fā)動(dòng)機超速的極端情況就會(huì )導致發(fā)動(dòng)機抖動(dòng)，發(fā)動(dòng)機抖動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)，減震器和飛輪上的螺栓就會(huì )松動(dòng)，這種故障模式一般發(fā)生在發(fā)動(dòng)機的高速運轉下。如果是因為超速引起了減震器和飛輪的松動(dòng)，那么不久就會(huì )有更多的故障呈現出來(lái)。 

 

圖1  柴油機轉速信號傳輸原理圖

圖2  柴油機速度控制器電路圖

 

三、超速飛車(chē)現象的征兆和檢查步驟

 

1、出現“飛車(chē)”現象的征兆檢測

      這一部分用零部件舉例說(shuō)明發(fā)動(dòng)機超速的原因和影響，以此來(lái)幫助分析診斷因發(fā)動(dòng)機超速引起的故障，講述從發(fā)動(dòng)機的基本構成零件表現出來(lái)的癥狀來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機是否超速。

（1）檢查活塞頂部，看是否有氣閥拍過(guò)的痕跡。

（2）檢查氣閥鎖夾是否破裂，破裂后，會(huì )導致氣門(mén)彈簧下沉。

（2）檢查氣門(mén)鎖夾是否脫落或丟失，超速也會(huì )導致單個(gè)的鎖夾頭部的珠面磨損。

（3）檢查氣門(mén)鎖夾頭部的珠面是否過(guò)度磨損或變形。

（4）如果發(fā)現發(fā)動(dòng)機有一個(gè)氣閥已經(jīng)彎曲或斷裂，那就要檢查所有的活塞，看其活塞頂部是否有氣閥拍的痕跡，還要檢查所有的氣門(mén)鎖夾，看有沒(méi)有磨損。

（5）如果檢查發(fā)現氣門(mén)已經(jīng)彎曲或者斷裂，鎖夾損壞，就表明該發(fā)動(dòng)機超速了。如果發(fā)現氣門(mén)已經(jīng)損壞，還應該檢查氣閥桿上面（裝鎖夾端）的凹槽是否被損壞。如果有一個(gè)鎖夾已經(jīng)損壞，那么彈簧就要受到其他鎖夾的不均衡的力，最終就會(huì )在氣閥桿的凹槽部位留有損壞的痕跡；

（6）檢查氣門(mén)彈簧座是否有裂紋，如果氣門(mén)彈簧座承載的負荷過(guò)大，就會(huì )導致其破裂；

（7）檢查推桿或連桿是否彎曲或有裂痕；注意：推桿或連桿即使有了裂紋，也會(huì )在短時(shí)間內保持原來(lái)的狀態(tài)繼續工作。斷裂的推桿可以進(jìn)入缸體和缸蓋之間狹小的縫隙，所以一定要仔細檢查所有的推桿。

2、檢查步驟

（1）減震器和飛輪檢查

  檢查減震器和飛輪是否松動(dòng)。超速時(shí)發(fā)動(dòng)機振動(dòng)幅度過(guò)大，會(huì )使減震器和飛輪的固定螺栓松動(dòng)，最終會(huì )導致其安裝螺栓的平面磨損，螺栓孔破裂，螺栓斷裂。這種狀況只會(huì )發(fā)生在發(fā)動(dòng)機處于超長(cháng)時(shí)間的超速狀態(tài)下或者是一些極端情況下。如果是由超速引起的，其他的因超速導致零件損壞的表象也能證明這一點(diǎn)。

（2）凸輪軸檢查

① 檢查凸輪軸齒輪的位置。如果發(fā)動(dòng)機是超速，凸輪軸的斜齒輪就因軸向壓力而向外突出，引起凸輪軸異響。

② 檢查各個(gè)凸輪呈現出來(lái)的狀態(tài)。

③ 檢查挺桿體表面是否剝落，如果凸輪軸上面的凸輪承受的壓力過(guò)大，也會(huì )損壞噴油器和導管等相關(guān)件。

④ 超速不可能導致挺桿體和導管的獨立損壞，所以還必須要檢查其他會(huì )因超速而損壞的關(guān)聯(lián)零部件的狀態(tài)。

（3）挺桿體

      認真檢查挺桿體的底座，莖干以及其表面，如果表面磨損嚴重，同樣也會(huì )致使氣閥拍打到活塞頂部。

（4）燃油系統

      這一部分主要講述在超速狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機的燃油系統中油泵將會(huì )出現的問(wèn)題：

① 油泵不正常的工作，也會(huì )引起發(fā)動(dòng)機的超速。

② 超速可能會(huì )損壞油泵調速器中的飛錘。

③ 拆下油泵，送到康明斯柴油機維修廠(chǎng)仔細檢查。

 

四、柴油機“飛車(chē)”的緊急應對措施

 

       眾所周知，柴油機要能運轉，必須同時(shí)具備3個(gè)條件，一是氣缸具有足夠大的壓縮力；二是定時(shí)有霧化的燃油噴入；三是有充足的空氣供應。三者缺一不可。根據上述“飛車(chē)”形成機理的分析，需要迅速采取如下緊急措施終止“飛車(chē)”:

1、斷氣

      切斷燃燒室空氣的來(lái)源。對于進(jìn)氣管設置有閥門(mén)的柴油機，可以將該閥門(mén)關(guān)閉。也可以拆除空氣濾清器的上部，用座墊、細密的棉布等物堵死柴油機的進(jìn)氣口，迫使柴油機“室息”而熄火。當然，要達到憋滅柴油機的目的，必須以進(jìn)氣系統不漏氣為前提。如果進(jìn)氣系統各接頭密封不嚴，采取斷氣的方法難以奏效。

2、減壓

       破壞氣缸內燃燒的條件?？梢园庀聹p壓手柄，讓部分氣門(mén)一直打開(kāi)，使氣缸內的混合氣無(wú)法壓縮，混合氣不能達到高溫和高壓，最終柴油機停止運轉。

3、斷油

      切斷柴油發(fā)電機燃油系統的供應。

① 迅速收回油門(mén)，并且將手油門(mén)拉到“熄火”位置；

② 如果燃油泵的柱塞調節齒桿露在外面，可以用手直接將其拉到熄火位置；

③ 快速擰松或者破壞高壓油管。由于曲軸和活塞具有很大的慣性，所以采取斷油的方法見(jiàn)效較慢。

4、安裝超速保護板

      超速報警保護板用于康明斯柴油發(fā)電機組儀表控制箱內，以3036453型電路板為例，如圖1、圖2所示。當轉速超過(guò)額定轉速便報警停車(chē)，以達到保護柴油機、防止飛車(chē)之目的。

（1）超速保護的目的

      超速保護的目的是防護發(fā)電機轉子導線(xiàn)飛損。發(fā)電機飛車(chē)設定為＋20%nH，柴油發(fā)電機組＋15%nH，即1725rpm（50HZ車(chē)）或2070rpm（60HZ車(chē)），但柴油機到2200轉/分以上仍是允許的。

（2）功能

      超速板的正名是“速度開(kāi)關(guān)板”，它為發(fā)電機組提供三個(gè)轉速信號，即：

① 離合器脫開(kāi)：起動(dòng)到300轉/分，上燈亮，柴油機引爆，升到怠速（600-650轉/分），對柴油機預潤滑、預熱，為高速和加載作準備。

② 并車(chē)允許：怠速1～3分鐘，開(kāi)關(guān)扳到高速，轉速升至1450轉/分以上，為并車(chē)提供基本條件，中燈亮，調動(dòng)微調電位器即可和外電同步、并車(chē)。

③ 超速：當發(fā)電機組故障、失控，發(fā)生飛車(chē)，超過(guò)1725轉/分（50HZ發(fā)電機組）或2070轉/分（60HZ發(fā)電機組）時(shí)，下燈亮，并停車(chē)。但紅燈繼續亮。必須關(guān)電源，燈熄，才能再開(kāi)車(chē)。

      自動(dòng)化發(fā)電機組用上了三個(gè)功能，通用發(fā)電機組只用了最后一個(gè)“超速保護”功能，所以常稱(chēng)“超速板”。

 

圖1  康明斯柴油機超速報警保護板背面圖

圖2  康明斯柴油機超速報警保護板正面圖

 

總結：

      柴油發(fā)電機發(fā)生的超速現象俗稱(chēng)“飛車(chē)”，是柴油發(fā)電機的一種特殊故障。它不僅會(huì )造成柴發(fā)機組零部件的嚴重損壞，而且還有可能危及操作員人身安全。因此特別需要注意，一旦柴油或機油通過(guò)噴油器之外的渠道進(jìn)入氣缸燃燒而發(fā)生“飛車(chē)”，采取松開(kāi)高壓油管接頭、按熄火開(kāi)關(guān)等斷油措施往往無(wú)濟于事，并且安裝的超速保護裝置失效情況下，應當采用斷氣、減壓、超載等方法盡快終止“飛車(chē)”。 

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