1、船机故障与维修船机故障与维修笫一章 船机故障与维修 船舶机械、设备在长期的运转使用过程中，由于受其内在因素(如设计、材料、制造和安装工艺等)和外部工作条件(如负荷、维护管理、环境等)的影响，使机械零部件的尺寸精度、几何形状和相互位置精度、配合精度及表面质量逐渐发生变化，或者产生腐蚀、裂纹等破坏，机械的技术状态和使用性能不断下降，甚至发生故障，便船舶机械的功能部分或全部丧失，以致造成船舶停航。 轮机员在船上工作时，经常会遇到船机零件失效和各种船机设备的这样或那样的故障。轮机员除了日常的和定期的维护管理工作外，还需进行失效零件更换、故障排除等检修工作及不可避免的进厂修理。因此，提高对故障与维修的认
2、识及维修水平是现代船舶对轮机员的要求，也是做好现代船舶轮机管理的基础。 第一节 船机故障 故障是指船舶系统、设备、机械或其零部件原有功能的丧失。它是一个广义的丧失功能或功能障碍的状态。故障是可靠性与可维修性研究的对象，是维修科学研究的内容。 一、故障分类 船机故障复杂多样，研究时从不同角度将其分类，可以清晰地显示出故障的原因、性质和对船舶营运的影响，有助于轮机员分析、认识故障和排除故障，也便于进行故障统计，为改进船舶机械的设计、制造和良好的维修提供重要的信息资料。 1、按故障对船舶营运的影响分类 (1)船舶不停航的局部故障 因局部故障导致船机设备的功能部分丧失，不需停航修理，可在航行中进行故障
3、处理。例如，更换主机某缸的喷油泵。 (2)船舶短时间停航的重大故障 由于严重的故障便船机设备的功能丧失，必须停航，争取短时间内通过船员自修或采用更换备件等措施排除故障。例如，主机某缸发生严重的拉缸故障，停机检修或实施封缸措施，修后继续航行。 有的国家对停航时间规定：货船不超过6h，客船不超过2h。 (3)船舶长时间停航的全局性故障 异常严重的故障导致船机设备的功能丧失，造成船舶丧失航行能力，需要进厂进行长时间的修理。例如，主机曲轴折断、尾轴或中间轴折断、螺旋桨损坏和船舶搁浅、船体破损等。 2.按故障发生和演变过程的特点分类 (1)渐进性故障 船机设备长时间运转，配合件的损耗(如磨损、腐蚀、疲劳
4、和材料老化等)累积使其性能逐渐变坏而发生的故障。这类故障通过连续的状态监测可有效地防止故障发生。柴油机活塞环气缸套的磨损和曲轴轴承的磨损以及管子腐蚀穿孔等均属此类故障。 (2)突发性故障 因外界随机因素或材料内部的潜在缺陷引起的故障，且无故障先兆，难以预测。例如，主机自动停车、螺旋桨桨叶折断等。 (3)波及性故障 或称二次故障，是由于船机的某种故障引发的更大的故障，无法预测和防止。例如，发电柴油机连杆螺栓脱落或断裂引起连杆、活塞、气缸套和气缸盖甚至机体的破坏，俗称连杆伸腿。 (4)断续性故障 设备在某一时间呈故障状态，而在另一时间功能又自行恢复的故障，即故障反复发生。 3.按故障的原因分类 (
5、1)结构性故障 船机设备因结构设计上的缺陷、计算上的错误或选材不当等导致的故障。如柴油机气缸套上部凸缘根部因设计上受力不当和制造工艺不良引起的凸缘根部多发性裂纹，甚至缸套断裂。 (2)工艺性故障 由于制造、安装质量不佳或质量检验不严等引发的故障。例如，轴系校中安装质量不良引起的轴系振动、轴承发热或过度磨损等。 (3)磨损性故障 在正常工作条件下长期运转产生的故障。由于长期运转，船机零件磨损使其性能参数逐渐达到极限值，船机性能变坏而发生故障。例如，由于过度磨损活塞气缸间隙过大而产生敲缸、窜气等故障。 (4)管理性故障 由于维护保养不良或违章操作等造成的故障。例如，滑油长期不化验、不更换，变质滑油
6、引起轴瓦合金熔化的故障。 4.按故障的性质分类 (1)人为故障 由于操作人员管理不良或行为过失引起的故障。这是不容忽视的故障，目前在船上它已占80%以上，成为故障的主要原因。 (2)自然故障 由于船舶机械工作环境变坏，使用条件恶劣，结构和材料缺陷，制造和安装不良等造成的故障。例如，上述各类故障。 除此之外，还可按船舶机械在使用过程中故障发生的时间分为早期故障、使用期故障(随机故障)和晚期故障(老化期故障)。 二、故障发生前的征兆 除突发故障外，任何一种故障在发生前均会有不同形式的信息显示，即故障先兆，它是故障初期的表现形式。在机舱的管理工作中，轮机员注意观察并及时采取措施可以防止故障的发生。故
7、障先兆主要有下列表现： 1.船机性能方面 (1)功能异常 表现为起动困难，功率不足，转速不稳，自动停车，剧烈振动等。 (2)温度异常 表现为油、水温度过高或过低，排烟温度过高，轴承发热等。 (3)压力异常 表现为燃油、滑油、冷却水压力失常，扫气压力、压缩压力和爆发压力不正常等。 (4)示功图异常 柴油机作功不正常，测试出的示功图图形异常，计算出的气缸功率不符 合要求。 2.船机外观显示方面 (1)外观反常 船机运转中油、水、气等有跑、冒、滴、漏等现象。排烟异常，如冒黑烟、蓝烟或白烟等。 (2)消耗反常 运转中燃油、滑油和冷却水的消耗量过多，或不但不消耗反而增加。例如曲柄箱油位增高。 (3)气味
8、反常 在机舱内嗅到橡胶、绝缘材料的“烧焦味”，变质滑油的刺激性气味等。 (4)声音异常 在机舱听到异常的敲击声。如柴油机的敲缸声、拉缸声，增压器喘振声。此外还有螺旋桨鸣音及各种工作不正常的声音等。 以上各种故障先兆是提供给轮机人员的故障信息，帮助轮机人员及早发现事故苗子，以防患于未然。 三、故障模式 故障模式是指妨碍产品完成规定任务的某种可能方式，即产品的故障或失效的表现形式。例如，船舶机械的故障模式有磨损、腐蚀、疲劳破坏等；电器的故障模式有短路、漏电、电路不通等。 产品的故障模式可能是单一的，也可能是综合的。并且产品的故障模式也并非固定不变，它随工作环境、使用条件、运转时间以及产品的内在因素
9、等的变化而异，还与产品的设计、材料、制造等因素密切相关。 在实际生产中，通过对产品故障模式的调查、统计和计算分析，便可评价和鉴定产品的可靠性。在维修管理工作中，可依产品(如船机设备)的各种故障模式发生时间来确定早期故障期和故障率的变化规律，从而可以采取预防措施，减少或防止故障的发生。关于船机故障模式(磨损、腐蚀和疲劳破坏)的机理将在以下各章分别介绍。 四、故障规律 船舶机械及其零部件自投入使用到损坏不能运转的全部使用过程中，不同时期的故障几率不同。实践和实验表明，故障率与时间呈“浴盆曲线”关系，称故障率规律曲线，如图1-1所示。 图1-1 故障率规律曲线(浴盆曲线) 图中横坐标表示时间t，纵坐
10、标表示故障率(t)。故障率(t)是反映系统、设备、机械或零部件在给定工作时间内由完好状态转向故障状态的概率。故障率规律曲线按故障发生的时间分为三个阶段： 1.早期故障期 又称磨合期，是船机投入使用的初期。特点是故障率较高，但随使用时间的延长而迅速下降。主要是由于设计、制造的缺陷及操作不熟练、不准确和使用条件不适等造成的。通过调试、磨合、修理和更换有缺陷的零件等使故障率很快降低，运转趋向稳定。 2.随机故障期 或称偶然故障期，是指早期故障期之后磨损故障期之前的一段时间。特点是： (1)运转稳定，故障率低，近于恒定，与使用时间关系不大。 (2)出现的故障为偶然因素引起的随机故障，主要是设计、制造中
11、的潜在缺陷、操作差错、维护不良和环境因素等引起的故障。不能通过调试消除，也不能用定期更换零部件来预防，所以随机故障是难以预料的。 (3)随机故障期较长，是船舶机械的主要使用期，也是进行可靠性评估的时期。 3.磨损故障期 或称晚期故障期，在船舶机械寿命的后期出现。特点是故障率随时间的延长而迅速升高，是由于磨损、腐蚀、疲劳和老化造成的。如果在磨损故障期开始前进行修理或更换备件，则可延长随机故障期，推迟磨损故障期。 统计分析表明，并非所有的机械、设备等产品的故障率规律都是呈浴盆曲线关系，有些产品呈如图1-2所示的五种故障率曲线。 图1-2 各种故障率规律曲线 曲线A、B有明显的磨损故障期，通常显示机
12、械设备发生磨损、疲劳和材料老化等故障，可采用定时维修方式延长使用寿命期。往复式发动机的气缸、轴承，船体和飞机机体等大量单体部件具有此种故障规律。 曲线C无明显的磨损故障期，故障率随时间延长缓慢增加。航空涡轮发动机等机械设备具有此种故障率规律，可依设备的技术状态确定检修时间。 曲线D、E、F显示产品在整个寿命期中故障率为常数，无需进行定时维修。复杂的电子设备等具有这类故障率规律。 五、故障的人为因素 船舶是机械设备和船员一体化的典型人机系统，人机功能的充分发挥和彼此良好的配合将会使船舶安全可靠地航行，船舶营运获得更大的经济效益和延长船舶的使用寿命。因此，船舶的综合可靠度取决于船体、船机固有的可靠
13、度和船员的工作可靠度。目前船舶动力装置的可靠度大大提高，出现了自动化无人机舱等现代化的船舶，但船机故障仍是不断，每年因海损和机损事故造成重大损失。 统计资料表明，船舶海损、机损等事故的原因，约80%是人为因素造成的。船员素质低，不具备适任资格或操作错误等致使船舶机械和设备维护、保养不良而发生故障。20世纪80年代以来频繁发生的海难事故及其严重损失引起国际上的空前关注，国际海事组织(IMO)把海上事故中人为因素的作用列为重要的审议问题，制订出国际安全管理规则、修订了STCW公约(海员培训、发证和值班标准国际公约)，以公约的形式强制实施，以减少和防止海上事故的发生。因此，船员加强学习，提高专业知识
14、和技术水平，取得适任资格是做好轮机管理工作时基本条件。 第二节 现代船舶维修 维修是对船舶机械和设备维护与修理的统称。维护或称技术保养，是为了保持船舶机械和设备的技术性能正常发挥所采取的技术措施；船舶修理或称修船，是当船舶机械和设备的性能下降、状态不良或发生故障而失效时，为了保持或恢复其原有的技术性能所采取的技术措施。所以，船舶维修是船舶正常航行重要的技术保障工作。 长期以来，维修从属于制造，是一个落后的行业；维修停留在机械设备的使用阶段，对使用中发生的损坏进行修修补补，采取使用维修再使用再维修，直至淘汰的对策。船上的维修也只是对船舶机械设备的日常维护、定期检修和排除故障的自修，进厂修理那些危
15、及安全航行的机械设备或船舶检验机构要求的项目。 随着科学技术的发展，船舶机械设备日趋先进、复杂，船舶电气化、自动化程度日益提高，对维修技术和维修质量要求也相应提高。落后的维修思想和修修补补的维修方式已不适应现代船舶的维修要求。新的、科学的现代维修理论以其先进的维修思想和维修方式来满足现代的船舶维修。 一、维修科学 维修科学是以现代科学技术为基础，由多门学科综合而成的维修理论，适用于各行业机械设备维修的通用科学。现代维修是对机械设备或零部件进行全寿命维修。机械设备和零件的全寿命包括：论证、设计、制造、使用和淘汰五个阶段。前三个阶段为研制过程，后两个阶段为使用过程。维修贯穿于全寿命的各个阶段。所以
16、，全寿命维修是由维修论证、可靠性与可维修性设计、可维修性检验、维护与修理、淘汰处理等部分组成的。 维修科学始于20世纪40年代，经历了萌芽、创建、发展和成熟阶段，到70年代才形成完整的学科体系。船舶机械的故障与维修是船舶维修中对立与统一的矛盾，是船舶维修理论与实践发展的基础，并且决定着船舶维修事业发展进程。对于故障与维修的研究形成了维修科学，即与故障作斗争的科学。 维修科学是以可靠性理论与可维修性理论作为重要的理论基础。可靠性理论是研究故障规律的理论；可维修性理论是研究如何易于发现和排除故障的理论。这两种理论分别从不同的侧面研究维修。 系统工程理论在维修工作中的应用丰富了维修科学的理论。系统的
17、观点、系统的分析方法和系统工程技术为研究维修提供了科学的手段，尤其是数学方法使许多维修问题得以定量化，从而使维修科学更加完善。 维修科学是一门独立的综合性的通用科学。独立性表现在它具有独特的研究对象和独特的理论基础；综合性表现在它吸收了相关的科学知识和技术并应用到维修工作中；通用性则在于它的基本理论能为各个行业的各类设备服务，并结合其专业知识与维修特征开展维修工作。维修科学应用于船舶维修，并结合船舶机械和设备的专业知识和维修特征而形成了船舶维修科学。 二、现代预防维修 预防维修是指为了防止机械设备发生故障，在故障发生前有计划地进行一系列的维修工作。现代预防维修是基于图1-2的六种故障率规律曲线
18、，采用以下三种维修方式： 1.定时维修方式 定时维修是按照规定的时限(或期限)对机械、设备进行拆卸、检验和维修，以防止故障的发生。定时(或定期)维修的机械、设备应具备以下条件： (1)故障率曲线有明显的磨损故障期，如图1-2中A、B型故障率曲线，不适于发生偶然性故障的设备； (2)设备的无故障生存期要足够大，即正常使用期较长，否则无维修的必要； (3)采用其他任何维修方式均不适宜的设备。 定时维修对防止某些机械、设备或零部件的故障发生有着重要的作用，是现代预防维修中不可缺少的维修方式。但是定时维修的缺点也不容忽视，如：针对性和准确性不高，有时不仅无效，甚至有害，可靠性不很高和维修工作量大、费用
19、高。由于所规定的检修时间不一定符合设备的实际情况，当机械设备运转良好、距磨损故障期的出现甚远时进行定期维修不仅无益反而有害，这是因为它破坏了设备的良好技术状态，检修后的设备精度可能低于检修前以致易于发生故障。从对设备状态监控的角度来看，定时维修对设备的监控是阶段性的和不连续的。 2.视情维修方式 视情维修或称按状态维修，是指对机械、设备不确定维修期，而是通过不断地监控设备的运转状况和定量分析其状态资料，按照实际情况来确定维修时间，从而避免故障发生。 采用视情维修的设备应具备如下条件： (1)设备的故障率曲线应具有进展缓慢的磨损故障期，以便监测到故障信息后来得及采取防止故障发生的措施； (2)具
20、有能够反映设备技术状态的参数、参数标准或标准图谱，以便准确地诊断设备的故障； (3)具有视情设计的设备结构，为进行视情维修提供必要的条件，如设备上有安装传感器的孔、口等； (4)视情维修是以现代化的监控手段和故障诊断技术为基础，因此需具备先进的原位无损检测装置及与电子计算机相连的终端显示装置等，以进行保护、预警，防止故障发生。 视情维修对设备不确定维修期，而是根据实际情况确定最佳维修时间，因此维修的针对性强。又由于是在设备功能性故障发生前采取措施，因而可有效地预防故障和充分地利用设备的工作寿命。此外，维修工作量和费用均少。所以视情维修是理想的预防维修方式。 3.事后维修方式 事后维修是在设备发
21、生故障后才进行的维修。某些复杂设备虽有故障，但其许多零部件仍保持良好的基本功能以致无法预测故障的发生；某些复杂设备缺乏适用的检测手段、参数和临界参数；某些设备不具备实施检测的条件，所以只能在故障发生后再进行维修。 然而事后维修也绝非等待故障的发生，而是在设备故障发生前后均连续不断地进行状态监控，搜集和分析设备的使用、维修的资料，以便评定和改进设备的可靠性和安全性。事后维修是一种非预防性的维修方式，但仍进行经常性的检查和保养工作。 事后维修适用于故障不直接危害使用安全且仍保持基本功能的设备，或采用预防维修不经济的耗损性设备。 船舶机械和设备一般应选用视情维修方式或定时维修方式，当其发生不危及安全
22、的故障，即偶然性故障时采用事后维修方式。对于一些经过精确计算有规定使用寿命的零部件或设备仍然采用定时维修，而大多数设备和零部件逐步采用视情维修与定时维修相结合的方式预防故障。一个复杂设备中的不同项目，可依具体情况分别选用不同维修方式；同一项目可采用一种或多种维修方式。 三、可靠性与可维修性概念 1.可靠性概念 可靠性理论是研究设备故障的宏观与微观规律，提高设备可靠性的学科，是现代维修科学的重要基础理论。可靠性理论为设计出不易发生或较少发生故障的机械和设备奠定了基础，机械和设备的可靠寿命为确定维修中的最佳维修间隔期、备件数量等提供可靠的依据，故障机理和故障分析技术为修复故障做了充分的准备。 1)
23、可靠性定义 可靠性是反映产品耐用和可靠程度的一种性能。产品的可靠性是指产品在规定的时间、规定的条件下完成规定的功能的能力。可靠性是产品固有的特性之一，是产品的功能随时间的延长保持稳定的程度。产品是指船舶机械、设备、系统和零部件等。 定义中规定的时间是指产品的使用期和贮存期；规定的条件是指产品的环境条件、使用条件、维修条件和工作方式等；规定的功能是指产品设计时所赋予的工作性能。能力是“三个规定”的综合体现和度量可靠性的总体指标。可靠性的指标可用数学形式表达，以便定量分析产品的可靠性。 船舶机械、设备和系统的可靠性是一个综合性能，反映了设计、材料、制造和安装工艺等的质量。其中在设计时所赋予的内在可
24、靠性是固有可靠性，而在制造和使用过程中由于材料、工艺、环境、操作和维修方式等因素的影响，则具有实际的可靠性，即使用可靠性。使用可靠性难于达到固有可靠性。所以，应不断提高使用可靠性。 2)可靠性研究的内容 对可靠性的研究是从理论、技术和管理三方面进行的，具体内容包括： 可靠性理论 主要研究可靠性指标的定量化、可靠性分析方法、可靠性准则及提高可靠性的方法等； 可靠性技术 主要包括可靠性设计、可靠性制造与工艺、可靠性试验、评估与标准等，主要研究故障的机理、形式及进行危害性分析，确定寿命和试验方法等； 可靠性管理 主要包括制订有关可靠性计划、制度、规范及进行情报资料、信息、数据的搜集和处理等。 3)研
25、究可靠性的意义 研究船舶机械、设备和系统的可靠性具有重要的意义。研究可靠性不仅是减少故障和维修工作，延长设备的使用寿命，而且可以很好地解决对设备可靠性要求高与现代化复杂设备的可靠性下降之间的矛盾。任何机械、设备越先进，其结构越复杂，所需的组成零部件也越多，这就必然导致机械、设备的可靠性下降。为了确保机械、设备的可靠性，就要求提高组成零部件的可靠性。通过研究可靠性可以使人们很好地掌握故障机理和故障规律，全寿命地提高设备的可靠性和经济效益，解决好设备的可靠性与经济性之间的矛盾。研究可靠性对于船舶的意义尤其重要，因为海船营运的特点和海洋运输的条件等决定船舶可靠性越高，越能保证船舶安全可靠地营运。 4
26、)可靠性指标 利用数学的方法对可靠性各个方面的特征进行定量计算，以便了解设备的可靠性，预测设备的故障。衡量设备可靠性的指标主要有：可靠度、不可靠度、故障密度、故障率、平均寿命等。 2.可维修性概念 可维修性理论是研究维修的宏观和微观规律，为设计出容易维修保养的机械和设备提供科学依据，是现代维修科学的重要基础理论。 1)可维修性定义 可维修性是指已发生故障的产品，在规定的时间内通过维修使之保持或恢复到规定使用条件下完成规定功能的能力。可维修性是产品的一种固有特性，是由设计、制造等决定的。 定义中规定的时间是指限定的维修时间；规定的条件和规定功能均指产品原有的使用条件和技术性能。 产品良好的维修性
27、，可使其便于维修、容易维修，对维修工艺和维修人员的技术水平要求不高，所需维修时间短，维修费用低。 产品的可维修性好坏在日常检修和保养工作中便可判断。例如，损坏的零件是否容易拆卸和更换；是否便于检测和调整；是否便于日常的维修保养等。良好的可维修性可以获得高的维修质量和维修效果，否则会增加维修时间和维修费用，甚至降低产品使用寿命。 2)研究可维修性的意义 维修的目的是通过维修迅速而又经济地保持或恢复产品的原有功能，也就是说，在产品发生故障后，要求维修工作以最佳的质量、最短的时间和最低的费用恢复产品的规定功能。对于船舶维修来说不仅如此，还具有以下意义： (1)良好的可维修性是船舶海上安全航行的重要保
28、证 船舶在复杂的航行条件或恶劣气候条件下，任何机械、设备的损坏都会招致严重的后果，并且往往难于获得外界援助。因此机械、设备的良好维修性和船员自修能力就是船舶安全航行的重要保证，使故障及时排除、设备迅速修复，船舶继续航行完成海上运输任务。 (2)可维修性是可靠性的必要补充 船舶机械和设备随着科技水平的提高也日益先进，电气化、自动化程度不断提高。例如，驾驶台遥控主推进装置、周期性无人机舱等。但是，高度自动化便船舶机械和设备更加复杂，零部件的可靠性虽有很大提高，但机械和设备的可靠性提高则是有限的，甚至有下降的趋势，致使故障率增加。另一方面，随着船舶自动化程度的提高使船员配备数量减少，便船舶机械和设备
29、的维修工作受到影响。因此在船员少、故障增多的情况下提高船舶机械和设备的可维修性，使发生故障后能及时有效地修复，将大大地弥补设备可靠性的不足。 (3)可维修性是船舶机械和设备维修保障工作的基础 船舶进行有效的维修很大程度取决于机械和设备的可维修性。开展全寿命维修就是在船舶机械和设备的设计、制造过程中对其维修性进行全面分析；预测和综合考虑，使维修工作不局限在使用阶段而是贯穿全寿命的各个阶段中，以保证船舶营运中的维修工作优质高效地完成，保证船舶安全运行。 (4)船舶的高度可维修性是实现工业化修船的必要条件 长期以来，修船业一直是单件、小批量生产，造成生产率低、修船周期长、成本高和修理质量差等缺点。工
30、业化修船使修船过程实现机械化和自动化，取消单件、小批生产和手工操作。船舶机械、设备的定型化、系列化、标准化和通用化，维修工作的专业化、定点化等均是实现维修生产工业化的条件。而这些又是船机设备可维修性所包含的内容，只有设备具有高度的可维修性才能促进修船工业化。 3)可维修性指标 衡量可维修性的定量指标有：可修复度、修复率、有效度及平均修复时间等。 第三节 船舶维修工作 一、船舶维修工作内容 船舶维修工作对船舶安全航行起着重要的技术保障作用。船舶维修工作包括船舶维护保养(或称技术保养)和船舶修理。 1.维护保养 维护保养是为了保持船舶机械和设备的技术性能正常发挥所采取的技术措施。船舶航行期间进行适
31、时、充分的维护保养工作是保证船舶机械和设备处于良好技术状态的主要手段，同时也必然减少船舶修理工程及费用。 轮机人员日常管理工作的内容主要是进行维修保养，它对延长船舶寿命，提高营运的经济性和船员的技术水平，保证船舶安全航行等有直接的影响。 轮机人员应按照1978年海员培训、发证和值班标准国际公约、远洋船员职务规则和船舶维修保养体系(即CWBT)等的规定进行工作。主要的维修工作包括： (1)值班时，应巡视机舱中所有机器的运转参数和工作情况。对任何机器的运转失常现象进行分析、判断、处理和记录； (2)值班轮机员应保证将主推进装置和辅助系统置于经常的监管之下，对机舱和舵机房按适当的间隔期进行检查，发现故障应予排除。 (3)应给予一切机器应有的保养和维护，包括机械、电气、液压、空气系统及其控制装置。 (4)维护机炉舱、轴系及各种设备的清洁，按时巡回检查，仔细观察、倾听机电设
