1500t海警船主机接排失败的原因分析及解决方法

王小莉　周靖淞

摘 要：本文介绍了广州中船黄埔造船有限公司建造的1 500 t海警船的主推进系统，并对主机和齿轮箱接排失败的原因进行了深入分析并予以解决。

关键词：主推进系统；主机；齿轮箱；接排

中图分类号：U664.2 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the main propulsion system of 1 500 t police vesselbuilt by CSSC Guangzhou Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited and analyzes the cause and solution for main engine and gear box failure to engage.

Keywords： Main propulsion system；Main engine；Gear box；Engage

1 前言

船舶主推进系统由柴油主机、齿轮箱、轴系和螺旋桨组成。主机与齿轮箱能否稳定且可靠的接排、脱排，直接关系到设备的使用寿命及航行的安全。目前，主机与齿轮箱的接排方式主要有液力耦合式和摩擦片式两种。下面以上海708研究所设计并由广州黄埔文冲船舶有限公司建造的1 500 t海警船的主推进系统为载体，对主推进系统中影响主机与齿轮箱正常接排的因素进行分析。

2 主推进系统组成

1 500 t海警船的主推进系统，主要由以下设备及系统组成，其齿轮箱采用了最常见的摩擦片式离合器：

（1）4台德国MTU 20V4000M93型主柴油机，功率3 900 kW；

（2）2套德国SIEMENS型减速齿轮箱，外接2套对外消防炮；

（3）2套上海704所KL80/5型液压调距系统；

（4）2条轴主系及轴系附件；

（5）2个调距桨；

（6）1套加拿大L3-MAPPS型推进监控系统，含机舱、集控、驾驶等多个控制站；

（7）其它外围辅助设备。

3 主推进系统布置

1 500 t海警船主推进系统采用了四机、双桨的配置，如图1所示。

4 主推进系统接排失败的原因分析及解决方案

4.1 接排失败现象

1 500 t海警船主推进系统试验中，发现主机在规定接排转速下（600～1 200 r/min），无法与齿轮箱完成接排，具体表现为：

（1）接排指令发出后，随着接排过程中柴油机外部负荷（主要来自轴系及螺旋桨）的突然增大，柴油机电子调速器的输出油门亦增大（即喷油量增大），在喷油量达到最大时，柴油机仍然无法带动轴系及螺旋桨，导致柴油机被压停；

（2）从发出接排指令到柴油机被压停大概只有2 s时间，这个过程中柴油机的燃油、滑油、冷却水、排气温度、轴承温度等热功参数均未出现异常，齿轮箱也没有任何报警输出。

4.2 引起接排失败的可能因素及分析

4.2.1 电气及机械联锁对接排的影响

接排前，需保证下列接排联锁测点已解除：

（1）主车钟手柄必须在零位；

（2）主机及齿轮箱盘车位置应在脱开位置；

（3）锁轴销要在脱开位置；

（4）螺距要在零位；

（5）主机/齿轮箱滑油压力均在接排允许范围内；

（6）主机冷却水压力需在接排允许范围内；

（7）尾轴气胎压力应全部释放（防止轴系被气胎抱死）。

如果上述任一条件不满足，主机/齿轮箱就无法接排。

4.2.2 齿轮箱预控制油压大小及维持时间对接排的影响

预控制油压的作用是实现控制油的预填充，预控制油压的填充及维持过程，实际上就是离合器处于半离合的过程。

首先从预控制油压的大小来分析：如果预控制油压过小，接排过程中油压无法将齿轮及摩擦片推至半离合状态，从而无法驱动轴系低速旋转，同时也会对齿轮箱摩擦片的使用寿命产生负面影响；如果先导油压过大，则在接排过程中会出现主机被压停的情况。

其次从预控制油压维持时间的长短来分析：如果预控制油压维持时间过短，相当于时间/压力坐标的斜率增大（如图2中的T3段），从预控制油压上升到开关油压（即正常工作的控制油压）的时间很短，瞬间产生的重负荷会使主机的调速器没有充足的响应时间，柴油机会被“憋停”；相反，如果先导油压维持时间过长，齿轮箱在接排过程中长期处于半离合状态，则会缩短摩擦片的使用寿命。

4.2.3 主机输出扭矩及齿箱箱最小启动扭矩对接排的影响

接排瞬间若主机输出扭矩小于齿轮箱最小启动扭矩，则会导致接排失败或主机被“憋停”。主机输出扭矩的大小，直观上反映在接排时主机转速的高低，主机转速越高，主机驱动端的输出扭矩也就越大；但如果主机接排转速过高，则虽然达到或超过了齿轮箱的最小启动扭矩，但同时也会大大缩短齿轮箱摩擦片的使用寿命，极端情况下会将摩擦片烧毁。

4.2.4 主机调速器参数的设置对接排的影响

随着柴油机控制技术的不断发展，电子调速器凭借其快速、精准、稳定的响应，已逐渐取代机械调速器成为柴油机控制的主流。电子调速器的快速、准确、稳定的响应，与闭环控制中的PID参数密不可分。其中，P为比例参数，控制系统响应的快速性；I为积分参数，控制系统的准确性；D为微分参数，控制系统的稳定性。PID闭环控制系统原理，如图3所示。

在主机接排过程中，如果PID参数没有正确设置，尤其是在微分增益D设置偏小的情况下，极有可能出现在外部负载变化时引起柴油机的“游车”。极端情况下，在负载突卸时会引起柴油机飞车，或在负载突加时，将柴油机转速压至过低，引起柴油机停车。

4.3 接排失败原因排查及解决方案

（1）现场对机械和电气联锁条件逐一进行检测，均未发现有不正确的联锁，因此，排除4.2.1接排因素的影响；

（2）在实际接排过程中，预控制油压已经调至齿轮箱系统允许承受的油压下限，但仍然无法完成接排，现象如4.1所述；对齿轮箱的接排时间延长到齿轮箱系统允许的最大时间，依然无法完成接排，现象如4.1所述。因此，排除4.2.2接排因素的影响；

（3）经过对相关技术参数的查阅，齿轮箱最小启动扭矩为6.5 kNm。理论上，主机在规定范围的接排转速运行进行接排时，主机的输出扭矩可以达到6.5 kNm。但试验证明即使按上述参数进行试验，仍无法成功接排。因此，排除4.2.3接排因素的影响；

（4）现场通过外接电脑，对柴油机电子调速器内部参数的设置进行检查，发现PID闭环控制程序中，微分增益D设置较小。随后，在对PI参数进行微调的基础上，重点对电子调速器内部的微分增益D进行适度放大（在调整P、I、D任意一个参数时，另外两个参数要做相应的调整），并经过多次试验，直到出现接排过程中调速器产生较小的超调量（微分增益太大也会导致系统转速出现振荡.这时应减小微分增益）后，主机与齿轮箱即可以正常并稳定地接排。

对微分增益D调整后，接排过程中柴油机转速变化曲线，如图4所示。

从图4中不难看出，接排过程中当主机转速最低降到400 r/min（此转速大于柴油机最低稳定转速），在不到2 s时间内柴油机转速已经可以由400 r/min升至接排前的800 r/min，并且稳定运行，主机与齿轮箱接排成功。

由此可见，该船主机/齿轮箱接排失败的原因是主机电子调速器PID参数设置出现了问题，导致接排瞬间引起柴油机外部负载增大，柴油机被“憋停”。

5 结束语

通过以上对主机与齿轮箱接排失败的现象的分析，归纳出了上述四点影响接排的因素，对其它船舶的推进系统接排方面遇到的问题，具有一定的借鉴作用。