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故障检查与技术维护 |
康明斯柴油发电机组“超速”问题分析 |
摘要：发动机超速故障被发电机组行业称之为飞车现象。飞车是指柴油机的转速快速升高，超过最高空转转速，并且失去控制，同时发出巨大吼声的故障现象。飞车是柴油机的一种特有故障，柴油机发生“飞车”后，往往引起活塞、连杆、曲轴、气缸盖甚至气缸体等大型机件损坏。由于超速问题通常都是因为设备使用不当造成的，因此，该故障一般不在康明斯发电机组保修范围内，必须对飞车现象严加防范并立即处理。
一、柴油机“飞车”现象的定义
所谓柴油发动机飞车故障，是指发动机突然自行加速运转，转速越来越高，超过柴油发电机额定转速1500r/min以上。此外，排气管冒出大量黑烟或蓝烟，并形成很大的噪声和振动现象。柴油发动机“飞车”有两种表现：
（1）在冷车启动后，发动机的转速猛增，但过几秒钟转速即可稳定，称之为启动“飞车”。
（2）在热车工作中，发动机转速突然失去控制，发动机狂转，转速远远超过规定的转速。
发生“飞车”后，随着柴油机转速的增高，进入缸内的柴油增加，导致其转速再增高，从而形成恶性循环。柴油机转速的不断增高，使汽缸内温度不断上升，活塞的膨胀量增加，活塞连杆组各零件运动加剧，负荷增大，超过其强度极限后，将发生打坏缸体，连杆折断，曲轴断裂，以及活塞、缸套打坏等严重事故。
因此，发动机超速简单来说，就是指发动机的转速超过了其规定的转速的最大值。当发动机处于超高速时，就会损坏发动机的零部件。发动机超速一般会导致凸轮轴齿轮甩出，气阀拍打活塞顶部或者影响气阀的正常工作顺序，对燃油系统的来说，超速一般会损坏飞锤。
气阀拍打活塞一般发生在活塞到达上至点的位置。在超高速时，进气门和排气门不能完全关闭，这种情况一般会导致“气门浮动”。当活塞撞击到一个开启的气阀时，气门浮动就会导致发动机的损坏。气阀拍打活塞会损坏推杆，挺杆体，气门弹簧，气阀，活塞，气缸盖，更有甚者会导致气缸体，增压器以及其他过热件的损坏；同时在发动机高速运转下，气阀高频率的运动会破坏其工作顺序，从而会影响与气阀工作顺序相关的零部件的负荷能力，最终有可能会损坏推杆，凸轮轴的凸轮，挺杆体表面，甚至会使气阀锁夹破裂。
二、超速“飞车”产生的原因分析
柴油机“飞车”的实质，是油料（柴油或机油）过量且无节制地进入气缸内燃烧。在大多数情况下，这是由于调速器性能失常、燃油泵柱塞调节齿杆卡清在最大供油位置、喷油器的针阀卡死在开启位置等原因引起的，但是也有不少例外，即故障原因不在调速器和燃油供给系统，而是柴油或润滑油通过非正常途径（即从喷油器以外）进入气缸内，并且参与燃烧的结果。归纳起来，引起“飞车”的特殊原因大致有以下几种：
1、预热器损坏
若柴油机进气管上安装了预热器，预热器的阀芯与阀座关闭不严，在非预热状态下，预热柴油经过阀座孔进入进气管，并且随气流源源不断地进入气缸燃烧。
2、油底壳内机油过多
柴油机运转时，机油在曲轴、连杆等零件的强烈搅拌和激溅下，从气缸壁与活塞环的间隙处大量进入气缸参与燃烧。
3、活塞环“对口”
油底壳内的机油从“对口”处比较顺畅地进入燃烧室，这种情况在卧式柴油机上比较容易发生。
4、曲轴箱通气装置堵塞
当该通气装置堵塞后，从气缸壁与活塞环的间隙处泄漏的废气越积越多，曲轴箱内的气压越来越高，迫使油底壳内的机油窜入气缸参与燃烧。
5、空气滤清器油面过高
对于油浴式空气滤清器，由于在油盘内加注的机油过多，或因为空气滤清器吸入了嘴水，使油盘内的油平面升高，机油被强气流吸入气缸。
6、空气滤清器滤芯清洗不当
在用柴油，煤油甚至汽油清洗空气滤清器的滤芯后，未甩净滤芯上粘附的残油就装上了，工作中这部分燃油被强气流吸入燃烧室。
7、调速装置失效
以康明斯发电机组为例，其转速传感器信号传输原理如图1所示，电子调速器电路如图2所示。在开机运行情况下，电子调速器最高设置为1800r/min，超速值为1725r/min，常规值是1475-1575r/min为正常范围，停机报警功能是自由设定。当调速装置中的电子调速器或转速传感器因故障而失效时，会造成柴油发电机超速误报警现象。此种情况下，并非设备真实在超速状态，只是由于调速装置传输错误的数据给主控器，误导致其下达停机命令。
要判断一台发动机是否超速，一般要从相关的零部件的损坏状态来判断。如果一个零件的损坏状况符合发动机超速的症状，但发动机本身显示没有超速的异相，那么该零件的损坏就不是因为超速而引起的。发动机超速的极端情况就会导致发动机抖动，发动机抖动时间过长，减震器和飞轮上的螺栓就会松动，这种故障模式一般发生在发动机的高速运转下。如果是因为超速引起了减震器和飞轮的松动，那么不久就会有更多的故障呈现出来。
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图1 柴油机转速信号传输原理图 |
图2 柴油机速度控制器电路图 |
三、超速飞车现象的征兆和检查步骤
1、出现“飞车”现象的征兆检测
这一部分用零部件举例说明发动机超速的原因和影响，以此来帮助分析诊断因发动机超速引起的故障，讲述从发动机的基本构成零件表现出来的症状来判断发动机是否超速。
（1）检查活塞顶部，看是否有气阀拍过的痕迹。
（2）检查气阀锁夹是否破裂，破裂后，会导致气门弹簧下沉。
（2）检查气门锁夹是否脱落或丢失，超速也会导致单个的锁夹头部的珠面磨损。
（3）检查气门锁夹头部的珠面是否过度磨损或变形。
（4）如果发现发动机有一个气阀已经弯曲或断裂，那就要检查所有的活塞，看其活塞顶部是否有气阀拍的痕迹，还要检查所有的气门锁夹，看有没有磨损。
（5）如果检查发现气门已经弯曲或者断裂，锁夹损坏，就表明该发动机超速了。如果发现气门已经损坏，还应该检查气阀杆上面（装锁夹端）的凹槽是否被损坏。如果有一个锁夹已经损坏，那么弹簧就要受到其他锁夹的不均衡的力，最终就会在气阀杆的凹槽部位留有损坏的痕迹；
（6）检查气门弹簧座是否有裂纹，如果气门弹簧座承载的负荷过大，就会导致其破裂；
（7）检查推杆或连杆是否弯曲或有裂痕；注意：推杆或连杆即使有了裂纹，也会在短时间内保持原来的状态继续工作。断裂的推杆可以进入缸体和缸盖之间狭小的缝隙，所以一定要仔细检查所有的推杆。
2、检查步骤
（1）减震器和飞轮检查
检查减震器和飞轮是否松动。超速时发动机振动幅度过大，会使减震器和飞轮的固定螺栓松动，最终会导致其安装螺栓的平面磨损，螺栓孔破裂，螺栓断裂。这种状况只会发生在发动机处于超长时间的超速状态下或者是一些极端情况下。如果是由超速引起的，其他的因超速导致零件损坏的表象也能证明这一点。
（2）凸轮轴检查
① 检查凸轮轴齿轮的位置。如果发动机是超速，凸轮轴的斜齿轮就因轴向压力而向外突出，引起凸轮轴异响。
② 检查各个凸轮呈现出来的状态。
③ 检查挺杆体表面是否剥落，如果凸轮轴上面的凸轮承受的压力过大，也会损坏喷油器和导管等相关件。
④ 超速不可能导致挺杆体和导管的独立损坏，所以还必须要检查其他会因超速而损坏的关联零部件的状态。
（3）挺杆体
认真检查挺杆体的底座，茎干以及其表面，如果表面磨损严重，同样也会致使气阀拍打到活塞顶部。
（4）燃油系统
这一部分主要讲述在超速状态下，发动机的燃油系统中油泵将会出现的问题：
① 油泵不正常的工作，也会引起发动机的超速。
② 超速可能会损坏油泵调速器中的飞锤。
③ 拆下油泵，送到康明斯柴油机维修厂仔细检查。
四、柴油机“飞车”的紧急应对措施
众所周知，柴油机要能运转，必须同时具备3个条件，一是气缸具有足够大的压缩力；二是定时有雾化的燃油喷入；三是有充足的空气供应。三者缺一不可。根据上述“飞车”形成机理的分析，需要迅速采取如下紧急措施终止“飞车”:
1、断气
切断燃烧室空气的来源。对于进气管设置有阀门的柴油机，可以将该阀门关闭。也可以拆除空气滤清器的上部，用座垫、细密的棉布等物堵死柴油机的进气口，迫使柴油机“室息”而熄火。当然，要达到憋灭柴油机的目的，必须以进气系统不漏气为前提。如果进气系统各接头密封不严，采取断气的方法难以奏效。
2、减压
破坏气缸内燃烧的条件。可以扳下减压手柄，让部分气门一直打开，使气缸内的混合气无法压缩，混合气不能达到高温和高压，最终柴油机停止运转。
3、断油
切断柴油发电机燃油系统的供应。
① 迅速收回油门，并且将手油门拉到“熄火”位置；
② 如果燃油泵的柱塞调节齿杆露在外面，可以用手直接将其拉到熄火位置；
③ 快速拧松或者破坏高压油管。由于曲轴和活塞具有很大的惯性，所以采取断油的方法见效较慢。
4、安装超速保护板
超速报警保护板用于康明斯柴油发电机组仪表控制箱内，以3036453型电路板为例，如图1、图2所示。当转速超过额定转速便报警停车，以达到保护柴油机、防止飞车之目的。
（1）超速保护的目的
超速保护的目的是防护发电机转子导线飞损。发电机飞车设定为＋20%nH，柴油发电机组＋15%nH，即1725rpm（50HZ车）或2070rpm（60HZ车），但柴油机到2200转/分以上仍是允许的。
（2）功能
超速板的正名是“速度开关板”，它为发电机组提供三个转速信号，即：
① 离合器脱开：起动到300转/分，上灯亮，柴油机引爆，升到怠速（600-650转/分），对柴油机预润滑、预热，为高速和加载作准备。
② 并车允许：怠速1～3分钟，开关扳到高速，转速升至1450转/分以上，为并车提供基本条件，中灯亮，调动微调电位器即可和外电同步、并车。
③ 超速：当发电机组故障、失控，发生飞车，超过1725转/分（50HZ发电机组）或2070转/分（60HZ发电机组）时，下灯亮，并停车。但红灯继续亮。必须关电源，灯熄，才能再开车。
自动化发电机组用上了三个功能，通用发电机组只用了最后一个“超速保护”功能，所以常称“超速板”。
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图1 康明斯柴油机超速报警保护板背面图 |
图2 康明斯柴油机超速报警保护板正面图 |
总结：
柴油发电机发生的超速现象俗称“飞车”，是柴油发电机的一种特殊故障。它不仅会造成柴发机组零部件的严重损坏，而且还有可能危及操作员人身安全。因此特别需要注意，一旦柴油或机油通过喷油器之外的渠道进入气缸燃烧而发生“飞车”，采取松开高压油管接头、按熄火开关等断油措施往往无济于事，并且安装的超速保护装置失效情况下，应当采用断气、减压、超载等方法尽快终止“飞车”。
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