MEC电喷主机测速和曲柄转角系统及实例解读
本文根据MANB&W7S8OMEC-9.2型主机结构、构造以及工作原理,重点介绍 TACHO系统在ME型主机正常运转过程中起到的关键作用,并结合实船管理中遇到的问题和故障,简析该系统在日常管理中的要点和注意事项
一、MANB&WME型主机 TACHO系统简介
近几年随着航运市场的快速发展,外部环境对船用柴油机的排放要求越来越严格。为了达到低排放和大幅降低燃油消耗的目的,电控低速二冲程柴油机应运而生。目前被广泛应用的电控低速二冲程主机主要以MANB&WME(简称ME主机)和 WARTSILA RT-FLEX两种型式为主。这里仅就ME主机在实际使用中因为 TACHO系统故障导致其不能正常工作的问题进行探讨。
1. TACHO系统组成
ME主机有两套互为备用的转速采集系统,分别为 System A和 System B。它的标准配置是安装在自由端的 Angle Encoder A、 Angle Encoder B、转速系统放大器TSA-A/B,以及安装在飞轮端的Semi-circular marking ring和 Pick up Sensor,其中AngleEncode B不配置 Pick up Sensor
2. TACHO系统工作原理
图1 Marker 标记位信号编码分区
ME主机的 Angle Encoder传感器采用磁脉冲式信号输出方式进行工作,共有8个磁感应探头,分别为MMA、MSA、MMB、MSB、Q1AQ2A、Q1B、Q2B,其中A组中的2个为检测转速和方向的,另2个为标记位检测:1个为NO.1CYL TDC零位触发,1个为90°时触发;B组中也有2个探头检测转速和方向,另2个为标记位,但与A组中的标记位相差45°:1个为45°触发,1个为135°触发。飞轮端 Pick up Sensor以MSA形式在飞轮角度90°时触发,作为 Angle EncoderA的校验信号。 System A系统由ECUA供电,所产生的信号经由TSA-A处理后传输给ECU和各CCU; System B由ECUB供电,所产生的信号经由TSA-B处理后传输给ECU和各CCU。 SystemA和 System B都可以测定柴油机的转速和曲轴位置,经由ECU同步判断柴油机的各种动作,并根据相关指令准确地控制柴油机的运行,实现主机換向、启动、排气、停车等一系列动作。 TACHO系统通过 Marker标记位信号编码把一转360°分为8个区域(见图1)。主机ECS断电重启后,根据 Marker信号编码估算飞轮角度,以分区中间角度开启相应的气缸启动阀供气,最大偏差不超过22.5°,可以保证主机正常启动。如果仅仅是TACHO A/B系统中的个报警或故障,系统就会自动采用系统中正常的信号运行,不影响主机的正常使用。
二、实船故障分析
某轮完货后离泊期间因主机未按要求及时启动,遭到引航员的投诉。
1.故障经过
机舱接驾驶台备车离港通知后进行备车操作,并一切顺利。主机集控位冲活车后,操车位置转为WH控制并进行驾试车;试车一切正常,记录车备要,主机处于随时可用状态;引航员登船。所有缆清、拖轮解离后,引航员给出“ Dead slhead”车令,主机按照程序“ Slow turr”完成,但启动结果失败。集控室联系驾驶台后,果断采取措施将主机操作位置转为ECR控制,并再次启动主机,结果成功。主机ECR启动成功后再次转为WH控制,操车顺利并安全离泊。因为受航道、海况等因素限制,船舶离泊后不能立即停车检查,只好继续海上航行。
事后根据MOP板警报信息和故障现象以及主机服务商的分析,判定为曲轴角度编码器失灵导致ECU不能正常判断发火缸而使主机启动失败。两天后外部环境允许主机停车时,对主机 TACHO系统进行了检查,发现 Angle Encoder A的固定螺栓松动,导致系统不能正常输出标记位信号,从而使主机启动失败,出现上述的紧张局面。
2.故障分析
上述故障描述,乍一看各种操作及问题出现后的故障判断、处理似乎并无不妥之处。但是根据 TACHO系统的工作原理,ECU、ECS系统在控制主机各种动作时必须依赖 System A和 SystenB来测定柴油机的转速和曲轴位置,并经由ECU
同步判断柴油机的各种动作,然后根据相关指令准确地控制柴油机运行。从这一操作模式来看,上述故障处理方式就存在很大的安全隐患:轻则会因为ECU不能正确判断曲轴角度而使喷油定时改变,导致主机各缸燃烧状况恶化,进而“Slow down”“ Shut dow”(非保护性):重则会使主机缸头抬起一一这并非危言耸听,而是从理论分析以及实际案例中总结而来的。要想搞明白这个问题,我们应该从以下几方面来分析:
(1)导致 TACHO故障的原因很多,但无外乎是 Angle Encoder电缆接线松动、 Pick up Sensor i故障(仅影响 TACHO Set A)、 Angle Encoder本身损坏、Angle Encoder放大器板TSA故障、 Angle Encoder传动轴存在过大的轴向以及周向跳动、 Angle Encoder电源故障、配有触发环的机型触发环损坏或者是触发标记位 Sensor损坏这几种。
(2)为保证稳定可靠运行,电控主机均配有两套互为备用的 Angle Encoder,其中 AngleEncoder A配有 Pick up Sensor,并始终进行比较判断,主机正常运行时采用 Angle Encoder A信号;Angle Encoder B不配备 Pick up Sensor,在 AngleEncoder A出现故障时采用 Angle Encoder B信号。如果 Sensor Set A/B故障同时出现在一个CCU上面,该缸就会停止喷油、气缸压缩压力通过排气阀的开关受到限制、气缸注油器停止注油等。如果出现此种状况,主机还要持续运行30分钟以上,就必须连接电缆并从ECUA或者ECUB的J52号接线端子引出一路接线到受影响的气缸注油器上面。这样,该缸就可随机注油而不受时序以及定时的影响。如果所有的ECU和CCU均报警显示TACHO系统故障、主机不能正常操作,就只能在停车的状态下检查调整,然后对 TACHO系统进行功能测试（路径为：Maintenance-Function test-TACHO ,按照运行向导提示逐步完成功能测试)。如果 TACHO A的检测角度与 TACHOB的检测角度出现较大偏差,系统就会显示“ TACHOAlignment Err”或者“ Delta TACHO B Too0e”。该信息表示,单个或者两个Angle Encoder位置失中或者 Sensor Set A/B之间的标记位角度信号偏差过大。这会导致主机的爆压等工况发生明显变化,应密切关注。一旦有合适的机会,就要立即停车检查 Angle Encoder的机械连接情况,并在静态的环境下对其重新调整、标定(具体步骤下文会详细介绍),并进行 Function Test测试(路径为Maintenance→ Function Test→ TACHO,按照提示逐步完成功能测试)。静态调试完成后,需要对Angle Encoder进行动态测试(具体步骤下文会详细介绍)。
(3)以上介绍的几种故障形式,虽在一定程度上会影响主机的正常操作,但却不会有严重的后果。下面介绍的 TACHO系统故障,稍有不慎就会导致严重的后果。如ECU接受到错误的曲轴角度而使喷油定时改变,轻则会导致主机各缸燃烧状况恶化,进而“ Slow down” Shut down重则会使主机缸头抬起一一这一故障的警报是“ Marker a Input Slip”。当主机MOP警报信息出现“Marker a Input Slip”时,表明 Marker a On/Of角度与 Angle Encoder B的指示不一致。如果是单纯的 Angle Encoder A或 Angle Encoder B中的一个出现滑动,不会有大的影响,系统能自动地切换选取正常的 Angle Encoder信号作为EICU、ECU、CCU的信息处理依据,主机可以正常地运行。但是,如果 Angle Encoder A和 Angle Encoder B同时滑动,则会使喷油和排气阀的开关定时与实际需要出现较大偏差,而且系统不会因为该警报而触发保护性的Slow down”或“ Shut down”,从而导致上面提到的严重机损后果的发生。为此建议,一旦出现该警报信息,就立即停车检查、调整,确认无误后再操作主机运行。通过以上 TACHO系统警报信息、故障类型的分析可以看到,部分 TACHO系统警报不会对主机的运行造成太大的影响,ECS系统也会第一时间自动选取正确的 TACHO信号同步判断柴油机的各种动作。但对其中的个别警报,轮机管理人员必须重视,尤其是当“ Marker a Input Slip”'警报出现时,应第一时间停车确认处理,以防后续更大的机损事故发生。
三、 TACHO系统日常管理、注意事项
作为电控主机ECU、ECS和各CCU单元主要的信息来源, TACHO系统在日常管理中必须受到轮机管理人员的重视。然而,现实中部分轮机管理人员往往因为 TACHO系统的重要性及其操作特性而不敢轻易动手调节、定期测试维保。其实,在弄明白该系统的工作原理、MOP板特定区域的参数意义及其提示后,主管轮机人员大可放心地对系统进行调整、标定及功能测试。只有这样,才能保证TACHO更精准地为电控主机提供状态信息,确保其稳定可靠运行。
为了便于轮机管理人员实时掌握 TACHO系统的工作状况,MOP板上有几个特定的区域实时显示系统的状态。在停车或者盘车时,在Engine- Status界面上点击 Detail键,就会显示AngleEncoder A和 Angle Encoder B实时测得的曲轴角度(见图2中的红色标示区域)。如果发现这两个角度的偏差大于1°,就应该引起注意,并第一时间重新调整、标定。如在上文提到的主机故障事件中,当 Angle Encoder A紧固螺栓松动并影响主机启动时, Angle Encoder A和 Angle Encoder B所显示的数值肯定有明显的变化。如果当时的轮机管理人员在备车的过程中能够及时地注意到数值偏差信息,并及时调整 Angle Encoder A的紧固螺栓,那么,应急事件就不会发生。值得注意的是,主机在运行时,该界面不能显示 Angle Encoder A和Angle Encoder B测量的曲轴角度信息。
图2 Angle Encoder A Angle EncoderB信号显示
除了上述 Engine-Status界面在主机停车时会显示 Angle Encoder A和 Angle Encoder B测得的曲轴角度状态外,我们还可以从另一个界面来监控
TACHO系统 Angle Encoder A和 AngleEncoder B之间的偏差。在MOP板 Maintenance→ FunctionTest→ TACHO中的 Delta TACHO-B数值(见图3)也可以实时显示 AngleEncoder A和 Angle EncoderB之间的偏差(无论主机运行与否,该参数均实时显示)。如果该数值在±1°以内,则无需特殊处理;如果该数值超过±1°,说明 Angle Encoder A和 Angle Encoder B中的一个或者两个发生位置滑移,导致数值偏差过大,需要尽快对 TACHO系统进行静态和动态调试。
图3 TACHO功能测试界面
四、 TACHO系统静态与动态调试
1. TACHO系统静态调试
(1)盘车机啮合,示功考克打开,松掉Angle Encoder A的锁紧螺母,盘车至飞轮0°位置,手动正车方向旋转Angle Encoder A,直到TSA-A的LED指示灯由灰刚刚转亮,锁紧 Angle EncoderA,前后盘车确认TSA-ALED状态(09~180°亮)。(2)盘车至飞轮45°,松掉 Angle Encoder B的锁紧螺母,手动正车方向旋转 Angle Encoder B,直到TSA-B的LED指示灯由灰刚刚转亮,锁紧Angle Encoder B,前后盘车确认TSA-BLED状态(45°~225°亮)。
(3)调整 Pick up Sensor与飞轮半圆环间隙于1.S~3mm之间,盘车至飞轮90°,确认 PickupSensor与半圆环刚刚对上, Pick up Sensor LED灯亮起(此传感器检测角度90°~2709)。
(4)MOP板 Maintenance→Function Test→TACHO→ Pre Start Test→ Start,按照运行向导准确操作盘车机达到需要的飞轮角度,逐步完成TACHO系统的 Function Test。
2. TACHO系统动态调试
(1)确保主机在50±5%负荷之间稳定运行,在PMI电脑上进行TDC标定(0- Diagram)(路径为:PMI电脑→ Maintenance→ Tools→ PerfornTDC Calibration→ Run Wizard,按运行向导步骤选择自动模式,逐步操作确认)。在标定的过程中,如果喷油提前角太大,爆压太高,PMI将无法找到TDC,运行向导会显示“ Injection TimingFailure”。此时,必须在MOP上将 AtuoTuning功能关闭,然后将整机爆压降低5~10Bar,再按上述步骤重新进行标定。标定顺利结束后,PMI电脑会显示 Trig A offset ahead角度(见图4)。要车记该角度,以便在后续的操作中将其输入MOP电脑中供ECS计算使用。TDC标定,如果选择手动
进行,则同 off Line模式相同,分别测量0- Diagram和E-Load即可,在此不再赘述。
图4 Trig A offset ahead角度
(2)在确认完成TDC标定、取得 Trig Aoffsetahead数值后,在MOP板 Maintenance→ FunctionTest→ TACHO→ Setting of Fine Adjust Parameter点击 Start,系统就会逐步完成运行向导。Delta TACHO-B由ECS自动测试、计算,点击 Accept,在系统提示的相应位置通过箭头输入TDC标定后得到 Trig A offset ahead角度;输入后点击 Enter键,等待几分钟,ECS参数就完成了修改。上述操作结束后, TACHO Alignment Deviation( TACHO对正偏差)接近于“0”(见图4)。
五、 TACHO系统日常管理建议
1.定期开展维保、功能测试、状态标定
TACHO系统是电控主机ECS、ECU、CCU单元信息采集/同步判断柴油机各种动作、根据相关指令准确控制柴油机运行、实现主机换向/启动排气/停车等一系列操作的重要途径,必须引起轮机管理人员的重视,并在平常的管理中根据说明书的相关要求定期对其展开维保、功能测试、状态标定等。
2.定期检查或调整
除上述 TACHO系统的静态、动态调试外,还应定期或视情对系统的一些组成部件进行检查或调整。
(1)确保 Pick up Sensor与半圆环的间距在1.5~3mm之间(主机型号不同间隙不同,以说明书为准),并保证 Sensor的全部触发面被半圆环覆盖、顶端无磨损或脏污、 Pick up Sensor接线良好无破损、信号屏蔽线正确连接。
(2)定期检查确认 Angle Encoder固定支架及螺栓无松动现象、Angle Encoder 3轴周向/轴向对中良好,合理使用干分表并视情测定周向、轴向偏差(保证偏差在0.3mm范围内)。
(3)定期检查确认 Angle Encoder与TSA、TSA与ECU和CCU之间接线状态良好。
六、小结
为了适应现代航运业发展的需要,电控低速二冲程柴油机在实船上得到了广泛应用。作为船舶轮机管理人员,必须重视新的管理方式、方法、理念,不能固步自封。这就需要具有一定的知识水平和管理经验,积极主动地、合理地对各设备加强检查、测试,争取早发现问题,及时解决问题,尽量避免事故的发生。
为了适应现代航运业发展的需要,电控低速二冲程柴油机在实船上得到了广泛应用。作为船舶轮机管理人员,必须重视新的管理方式、方法、理念,不能固步自封。这就需要具有一定的知识水平和管理经验,积极主动地、合理地对各设备加强检查、测试,争取早发现问题,及时解决问题,尽量避免事故的发生。本文作者：李文平轮机长