1、第一节 船机故障及船舶维修体系主讲 杨界11/26/20221一、船机故障(一)船机故障分类、故障原因及征兆机械故障:机械系统(零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合)因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。引起系统立即丧失其功能的破坏性故障。与设备性能降低有关的性能上的故障。设备正常运转时，操作者无意或蓄意使设备脱离正常运转时的故障。11/26/20222故障的表现形式:主机起动不起来拉缸曲轴折断 1.船机故障分类常见的故障分类方法11/26/20223(2)按故障原因分类:1)结构性故障。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
2、断裂。2)工艺性故障。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。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。例如，滑油长期不化验、不更换，变质滑油引起轴承合金熔化的故废。11/26/20224(1)按故障的技术性原因分类磨损性故障：运动部件磨损，在某一时刻使其性能参数超过极限值所引起的故障。磨损:机械在工作过程中，互相接触做相互运动的对偶表面，在摩擦作用下发生尺寸、形状和表面质量变化的现象。例如：由于过度磨损使气缸套与活塞之间间隙过大而产生敲缸、窜气；轴与轴承之间过度磨损导致的轴承间隙过大等故障。11/26/20225腐蚀性
3、故障：由于化学腐蚀、电化学腐蚀或者物理腐蚀使零件失去原有尺寸精度或者几何形状发生变化而产生的故障。例如：柴油机气缸套和活塞冷却水腔的电化学腐蚀；排气阀的高温化学腐蚀等。11/26/20226断裂性故障：船机设备因材料性质不均匀、加工工艺处理不当、承受过载或者撞击而导致的故障。例如：地脚螺栓因紧固程度不够而产生的断裂；气缸盖因热应力和机械应力周期作用引起热疲劳或机械疲劳或高温疲劳而产生的裂纹等。老化性故障：因腐蚀、磨损、疲劳等综合因素作用于船机设备，使其性能老化所引起的故障。例如：机座活动垫块的老化等。11/26/20227(2)按故障的性质分类人为故障:管理、操作人员的行为过失或制造和安装不良
4、引起的故障。在船上它已占80以上，为故障的主要原因。例如：在没有开启主机滑油泵的情况下，起动主机，导致的轴瓦烧蚀；轴系校中不良引发的轴系振动、断轴等事故。11/26/20228(2)按故障的性质分类自然故障:船舶机械工作环境变坏，使用条件恶劣，结构和材料的缺陷造成的故障。分为正常自然故障和异常自然故障，正常自然故障：一般具有规律性，如设备的正常磨损，老化导致的故障；异常自然故障：一般具有偶然性，如结构和材料的缺陷造成引起的故障，如船用柴油机中的热应力问题等。11/26/20229(3)按故障发生、发展的进程分类突发性故障:各种不利因素和偶然外界影响的共同作用超出了设备所能承受的限度而突然发生的
5、故障。这类故障一般无明显征兆，依靠事前检查或监视不能预知的故障。例如：螺旋桨桨叶折断、主机自动停车、舵机转舵突然失灵等。11/26/202210渐进性故障:在长时间的运转过程中，由于设备中某些零件的技术指标逐渐恶化，最终超出允许范围或极限而引发的故障。这类故障的发生与设备零件的磨损、腐蚀、疲劳等密切相关，可通过连续的状态检测来有效地防止故障发生。一般发生在设备零件有效寿命的后期；有规律，可预防；故障发生的概率与设备运转时间有关。例如：柴油机气缸套与活塞环之问的磨损；管路的腐蚀穿孔；密封橡胶因老化漏气、漏油等。11/26/202211波及性故障(二次故障):船机设备的某种故障引发的更大的故障，无
6、法预测和防止。例如：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，俗称连杆蹬腿等。断续性故障:设备在某一时间成故障状态，而在另一时间功能又自行恢复的故障，故障反复发生。例如船上电气设备开关接触不良等。11/26/202212(4)按故障对船舶的营运和影响程度分类船舶不停航的局部故障局部故障导致船机设备的功能部分丧失，或船机附属系统设备故障，不需要停航修理，航行中进行故障处理。例如：更换主机某缸的喷油泵；对主机备用滑油泵或者淡水泵的拆卸、修理等。11/26/202213船舶短时间停航的重大事故严重的故障使船机设备的功能丧失，必须停航争取短时间内船员自修，采用更换备件等措施排
7、除故障。例如：主机某缸发生较严重的拉缸故障，停机检修或者实施封缸措施，修后继续航行。停航时间规定：货船不超过6 h；客船不超过2 h。11/26/202214船舶长时间停航全局性异常严重的故障导致船机设备的功能丧失，造成船舶丧失航行的能力，需要进厂进行长时间的维修。例如：主机曲轴断裂；艉轴或者中间轴断裂；船舶搁浅；船体破坏等。按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)；按故障的损伤程度分为允许故障和不允许故障等。11/26/2022152.故障原因及征兆故障原因分内因和外因两种，故障的外因:工作应力、环境应力、人为因素和时间。故障的内因（故障机理）:导致机械故
8、障的物理、化学或机械过程。一般情况下故障的原因可分为四个部分：自然损坏，使用维护不当，修理质量不高和设计、制造方面的缺陷。11/26/202216(1)自然损坏磨损、腐蚀、疲劳等因素而使设备零部件尺寸、形状和质量发生的变化，破坏设备原有的工作状态而导致的故障。11/26/202217(2)使用维护不当在使用中，未严格按照操作规程进行操作，甚至违章操作；维护不当或缺少维护而造成设备零部件的损坏，引起的船舶故障。例如：在主机备车时，对主机的预润滑不够；未及时地检查、添加或更换机油，造成机油数量不符合标准、机油变质；不及时清洗滑油冷却器、空气滤器等，使其流通阻力增大引发故障等。11/26/20221
9、8(3)修理质量不高船用设备的零部件在维修时，从分解、清洗、检验、维修到装配等各个环节，均有严格的技术标准和要求。如不注重维修质量，则会造成设备工作中出现故障，浪费物力、财力。常见的有：主机气阀间隙过大，敲缸严重，喷油泵针阀的研磨等。提高维修质量的有效途径：严格修理规范、改进维修设备、提高维修技能、加强对维修的检查和验收等方法。11/26/202219(4)设计、制造方面的缺陷零部件在设计、制造方面存在缺陷，在使用过程中突然或逐渐暴露出来，造成设备的故障。例如：主要铸件(气缸盖、气缸体等)存在砂眼、细小裂纹；运动件(连杆、曲轴等)的强度和刚度过小，11/26/202220船用设备产生故障的征兆
10、:工作状态突变。设备的工作状态突然出现不正常现象。例如：主机转速突然增加或减少；主机熄火后不能起动；滑油泵出口压力突然降低等。11/26/202221异常响声设备在运转过程中出现非正常声响，故障的“报警器”，船上管理人员应该降速或者停车检查，切不可让设备“带病作业”。例如:主机在运转过程中出现“铛、铛”的异常响声，则有可能敲缸；泵出现“哗啦、哗啦的响声，则有可能轴套松动；增压器出现刺耳的呜叫声等。11/26/202222排气颜色不正常排烟的颜色变黑、变蓝或变白，排烟不正常。润滑油上窜到气缸时，尾气呈蓝色；燃烧不完全时尾气呈黑色；油中有水时，尾气呈白色。11/26/202223过热高温通常出现在
11、主机排烟管或者油泵、水泵的壳体上。例如：主机排烟温度过高，排温表温度单缸过高；轴承温度过高，可能是冷却不良等。11/26/202224渗漏发动机的燃油、滑油以及压缩空气等的渗漏现象。燃油泄漏:主机机体上有漏油的痕迹或机舱滑铁板上有滩状的油迹；压缩空气漏泄时，明显地听到“嘶嘶”的漏气声音。有特殊的气味在主机或设备运转过程中，闻到一股特殊的气味，例如：离心泵填料烧焦的味道；电路短路时的焦糊味。11/26/202225(二)故障模式、故障规律1.故障模式磨损、变形、断裂(特别是疲劳断裂)和腐蚀。船机零件的磨损。固体摩擦表面上物质不断损耗的过程。表现：物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。磨损的形式：
12、黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、浸蚀磨损和微动磨损等。11/26/202226磨粒磨损：物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失。粘着磨损：摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属损耗。表面疲劳磨损：两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失。腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。微动磨损：两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（小于100m），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损11/26/202
13、227船机零件的变形。机械设备由于工况条件恶劣，经常满载或超载工作，零件产生变形。零件形状简单，变形的检查和校正较容易。最典型的例子：曲轴和连杆。气缸体、变速箱体、机架等形状复杂、相互位置精度高、测量检查及校正均比较困难的基础件，11/26/202228船机零件的断裂断裂是指物体在机械力、热、腐蚀等单独或联合作用下，使其本身连续性遭到破坏，从而发生局部开裂或分成几部分的现象。疲劳断裂：机械零件在循环应力作用下会发生；蠕变断裂：在高温持久应力作用下出现；腐蚀或腐蚀疲劳：在腐蚀环境下产生应力。断裂是零件失效的重要原因之一。11/26/202229船机零件的腐蚀。腐蚀是金属受周围介质的作用而引起损伤
14、的现象。腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里深入，并使表面的外形发生变化，出现不规则形状的凹洞、斑点、溃疡等破坏区域。破坏的金属变为氧化物或氢氧化物，形成腐蚀产物并部分地附着在表面上。钢铁零件生锈就是最明显的例子。11/26/2022302.故障规律故障率曲线：一般机械设备的故障率与时间相对应的寿命特征曲线。浴盆曲线：多数零件的故障率曲线具有浴盆形状。三个阶段与三种基本故障类型相对应。第一阶段为早期故障期，相当于故障率减小型。磨合期：开始的故障率高，但随着时间的推移，故障率迅速下降。此期间发生的故障主要是设计、制造上的缺陷11/26/202231图图7-1 7-1 常见船机零件的故障
15、率曲线常见船机零件的故障率曲线11/26/202232第二阶段为偶然故障期，相当于故障率恒定型。设备的故障率最低，处于最佳工作状态。偶然故障期时间的长短，反映了设备有效寿命的长短，故障多为设计、使用不当及维修不力产生的。第三阶段为损耗故障期，相当于故障率增加型。设备的某些零部件已老化损耗，故障率上升。拐点P的位置：及时修复或更换，使故障率降下来，延长其有效寿命。11/26/202233图图7-1 7-1 常见船机零件的故障率曲线常见船机零件的故障率曲线11/26/202234其他故障率曲线图7-2(a)恒定的或者略增的故障率，有明显的磨损期。图7-2(b)缓慢增长的故障率，但没有明显的磨损期。
16、图7-2(c)新设备从刚出厂的低故障率，急剧地增长到一个恒定的故障率。图7-2(d)设备的故障率为恒定值，出现的故障常常是偶然因素造成的。图7-2(e)设备开始有高的初期故障率，然后急剧下降到一个恒定的或者是增长极为缓慢的故障率。11/26/202235图图7_2五种故障率曲线图五种故障率曲线图11/26/202236设备的故障率应该是图7-2所示的五种曲线中的一种或者几种的合成，浴盆曲线则可看做图7-2(a)、图7-2(d)和图7-2(e)的合成。设备故障率取决于设备的复杂性，设备越复杂，其故障率越是接近于图7-2(d)和7-2(e)。11/26/202237图图7_2五种故障率曲线图五种故
17、障率曲线图11/26/202238(三)故障的影响因素1.影响磨损的因素零件材料、运转条件、几何因素、环境因素等，防止或减少磨损方法：选择合适的润滑剂，选择正确的使用材料，在制造零件时进行表面处理和合理的结构设计，改善其工作条件，正确的使用和维护。11/26/202239表表7-1 7-1 影响磨损的因素影响磨损的因素材料材料运转条件运转条件几何因素几何因素环境因素环境因素成分成分载荷压力载荷压力面积面积总的润滑剂量总的润滑剂量组织结构组织结构速度速度形状形状污染情况污染情况弹性模量弹性模量滑动距离滑动距离尺寸大小尺寸大小外界温度外界温度硬度硬度滑动时间滑动时间表面粗糙度表面粗糙度外界压力外界
18、压力润滑剂类型润滑剂类型循环次数循环次数间隙间隙湿度湿度润滑剂黏度润滑剂黏度表面温升表面温升对中性对中性空气成分空气成分工作表面物理和化学性工作表面物理和化学性质质润滑膜厚度润滑膜厚度刀痕刀痕11/26/2022402.影响变形的因素主要是零件的应力超过材料的屈服强度所致，影响因素：(1)外载荷当外载荷产生的应力超过材料的屈服强度时，则零件将产生过应力永久变形。这种现象在工况条件恶劣、经常满载或超载工作、频繁制动、停车和起动，有振动和冲击、结构布置不合理等情况下很容易出现。11/26/202241(2)温度温度升高，材料屈服强度降低；当温度超过一定程度时，在一定温度和应力作用下，随着时间的增加
19、，金属材料将缓慢地发生塑性变形(蠕变)；零件受热不均，各处温差较大，会产生较大的热应力和内应力而引起零件变形。11/26/202242(3)内应力有些零件的毛坯为铸件、锻件或焊接件，它们都有一个从高温冷却下来的过程，必然会产生很大的内应力。在切削加工过程中，因装夹、切削力、切削热的作用，零件表层会发生塑性变形和冷作硬化，因而产生内应力，也会引起变形。11/26/202243(4)结晶缺陷产生变形的内在原因是材料内部缺陷，如位错、空位等，特别是位错及其移动和扩散，构成影响变形的主要内在因素。零件变形实际上是多次变形累积的结果。减少变形的相应对策：设计、加工、修理和使用等方面。特别是在机械设备大修
20、时，不能只检查配合面的磨损情况，对于相互位置精度也必须认真检查，以便修复。11/26/2022443.影响断裂的因素(1)局部应力集中绝大部分疲劳断裂都起源于应力集中严重的部位。(2)残余应力影响加工或处理时的塑性变形、热胀冷缩以及组织转变造成残余应力的。残余拉应力是有害的，残余压应力是有益的。渗碳、渗氮、喷丸和滚压等工艺均可以产生残余压应力，减小断裂可能性。11/26/202245渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900-950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表
21、层高碳，心部仍保持原有成分。渗碳是指使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。11/26/202246渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。11/26/2022
22、47(3)附加载荷的影响载荷对裂纹的产生和扩展有直接的影响。11/26/2022484.影响腐蚀的因素腐蚀的机理是化学反应或电化学作用。金属腐蚀：化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀：金属与外部电解质作用直接产生化学反应的结果，腐蚀过程中不产生电流。外部电介质多数为非电解质物质，如干燥空气、高温气体、有机液体、汽油、润滑油等。11/26/202249电化学腐蚀：金属与电解质物质接触时产生的腐蚀。腐蚀过程中有电流产生。按照所接触环境的不同，可把电化学腐蚀分为：大气腐蚀、土壤腐蚀、在电解质溶液中的腐蚀、在熔融盐中的腐蚀。金属腐蚀造成的损失大多数是电化学腐蚀引起的。11/26/202250(1)金属的
23、特性标准电位越低，化学活性就越高，越容易腐蚀。(2)金属的成分金属中的杂质越多，抗腐蚀性愈差(3)零件表面状况零件的外表形状越复杂，表面粗糙度就越大，抗腐蚀性也就越差。(4)环境11/26/202251二、可靠性与可维修性：可靠性：产品在规定的时间、规定的条件下完成规定的功能的能力。可靠性是设计时赋予产品固有的特性11/26/202252可维修性：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。维修的目的：是通过维修迅速而经济地保持或恢复产品的原有功能。11/26/202253三、船舶维修方式和体系(
24、一)现代船舶维修方式维修是对船舶机械和设备维护与修理的统称。维护(技术保养):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(修船):船舶机械和设备保持或恢复其原有的技术性能所采取的技术措施。11/26/202254现代船舶维修大多以预防维修为主。预防维修:防止机械和设备发生故障，在故障发生前有计划地进行一系列的维修工作。20世纪3050年代中期是英、美等西方国家广泛地应用传统预防维修的阶段。20世纪50年代后期采用状态监控的手段防止故障的发生。自50年代中后期至今是采用现代预防维修的阶段11/26/202255设备的维修主要的几种方式1.事后维修事后维修是在设备发生故障后才进
25、行的维修。在故障发生前后均连续不断地进行状态监控，收集和分析设备的使用、维修的材料，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。11/26/202256事后维修适用于:故障不直接危害使用安全仍保持基本性能的设备采取预防维修不经济的损耗设备。事后维修特点:不具备预防性，且只限于修复故障。事后处理不应当是一种消极和被动的办法，而应当主动地加以监控。11/26/2022572.定期(计划)维修定期维修是按照规定的时限对机械、设备进行拆卸检验和维修，以防止故障的发生。定时维修的机械、设备应具有以下的条件：故障率曲线有明显的磨损故障期，不适于发生偶然性故障设备。设备的无故障生存
26、期要足够大，即正常使用期较长；否则无维修的必要。采用其他任何维修方式均不适宜的设备。11/26/202258定期维修是现代预防维修中不可缺少的维修方式。定期维修的缺点：针对性和准确性不高，有时不仅无效甚至有害，可靠性不高和维修工作量大、费用高。定期维修对设备的监控是阶段性的、不连续的。11/26/202259定期维修的依据是浴盆曲线，当故障率出现上升拐点时进行维修工作。定期维修的特点：针对性和准确性不高，有时不仅无效，甚至有害；存在维修不足或维修过剩。这种维修方式在船舶机械中应用较多。11/26/2022603.视情(状态)维修视情维修(状态维修):对机械、设备不确定维修期，而是通过不断地监控
27、设备的运转状况和定量分析其状态的资料，按照实际情况来确定维修时间，从而避免故障的发生。11/26/202261采用视情维修的设备应具有的条件：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。具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。具有视情设计的设备结构，为进行视情维修提供了必要的条件，如设备上安装传感的：孔、口等。11/26/202262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；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。维修工作量和费用均
28、较少。视情维修是理想的预防维修方式。状态维修是根据船机设备的实际状态确定是否进行维修工作。11/26/202263其特点是：具有预防性。通过设备状态监(检)测确定设备状态是否正常，从而确定是否需要进行维修工作。具有针对性。不确定维修周期，根据实际情况确定最佳维修时间。维修工作量和费用均少。其缺点是需要以监控手段和故障诊断技术为基础，一般只对渐进性故障有效。11/26/2022644.主动维护对导致设备损伤的根源性参数进行修复，从而有效防止失效的发生，延长设备的使用寿命。设备的维修费用降低100倍以上。11/26/202265在维修方式上重点选用视情维修方式或定期维修方式；对不危及安全的故障，即偶然性故障可采用事后维修方式；对于一些经过精确计算有规定使用寿命的零部件或设备采用定时维修，大多数设备和零部件逐步采用视情维修与定期维修相结合的方式预防故障。同一项目可采取一种或多种维修方式。11/26/202266
