收稿日期：2022—07—27
第一作者简介：李金明（1977— ），男，轮机长
第一作者简介：李金明（1977— ），男，轮机长
一起MANB&WME主机角度编码器故障原因分析及排除
1.山东省海丰船舶管理有限公司，山东 青岛266100;2.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛266427
A Case of Analysis and Troubleshooting of Angle Encoder Failure about MAN B&W ME Engine
LI Jin—ming1，LI Fu—hai2
1.SITC Ships Mangement Co.LTD，Qingdao266100, China;2.Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao266427, China
备注
摘要
全文
图/表
参考文献
MANB&WME系列电喷柴油机利用曲轴角度编码器实现燃油喷射、排气阀开关定时等精准控制。本文复盘了一起ME主机角度编码器的故障排除过程，提出了加强角度编码器日常管理维护的措施，为船舶轮机部管理人员提供参考。
MAN B&W ME series EFI diesel engines use crankshaft angle encoder to achieve precise control of fuel injection, exhaust valve opening and closing timing, etc.This paper reviews the troubleshooting process of an angle encoder of ME engine, puts forward the daily management precautions for the angle encoder, which provides a reference for the managers of the marine engine department.
引言
1 故障经过
某 轮 主 机 型 号 HYUNDAI MAN B&W 6S60ME-C8.2，主机最大服务转速105RPM，最大功率12050KW。某日从青岛开往温州港途中，21：00左右主机突然出现TACHO SET A FAILURE（编码器故障）、Delta TACHO B too big（角度编码器A与B偏差过大）、TACHO Alignment Err（角度编码器对中错误）等一系列报警，复位后恢复正常。但是过一两个小时又出现了报警。在观察一段时间后确认此报警不影响主机正常运转，将报警临时锁闭。航行两天靠泊温州港前，将报警点解锁，并进行观察，发现主机转速在HALF及以下转速运转时一切正常，但主机加速至FULL以后报警再次断续出现。
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2 故障原因分析及排除过程
2.1角度编码器工作原理角度编码器是电喷柴油机控制系统的一部分。电控柴油机的燃油精准喷射、排气阀开关定时，都是通过角度编码器传输过来的曲轴角度信号来实现的。可以说角度编码器是电喷主机控制系统的核心部件之一。
为保证电喷柴油机的可靠运转，MAN B&W ME系列电喷柴油机安装了两套相互冗余的角度编码器（Angle Encoder），即Angle Encoder-A和 Angle Encoder-B。每个Angle Encoder系统各有4个固定的探头：Q1A、Q2A、MMA、MSA和Q1B、Q2B、MMB、MSB（如图1所示），另外在飞轮端NO.1缸正车方向上止点后90°的位置还有一个机械固定的参考探头MSA。信号放大器A上MSA的接线接在了飞轮端MSA上，而Angle Encoder-A内部的MSA探头没有接线。Angle Encoder-B内部4个探头都接在了TSA-B上。以Angle Encoder-A为例介绍其工作原理。Q1A、Q2A探头检测主机转速、转向和曲轴的运转角度；MMA是标记探头，标记No.1缸的上止点位置；MSA是参考探头。角度编码器内部有一个随空心轴转动的带有360个齿的圆盘。当主机运转时圆盘同主机曲轴一起转动， 每通过一个齿Q1A、Q2A探头就得到一个脉冲信号，TSA-A内部的计数器就记录一个数，通过记录脉冲次数计算出主机曲轴的运转(已经转过的)角度值（360个齿，精确到1度）。如果Q1A比Q2A先得到信号，说明主机的运转方向是图1所示的逆时针方向；如果Q2A比Q1A先得到信号，则主机的运转方向是图1所示的顺时针方向，从而得出主机的正倒车方向。圆盘上固定有一个半圆的导磁环（图1所示的深颜色半环）随圆盘一起转动。当半圆环转到MMA位置时，MMA探头得到一个脉冲信号标记主机1号缸的上止点。系统根据Q1A、Q2A和MMA的信号输入，计算出实时的曲轴角度。主机在运转过程中作用在曲轴上的扭转力矩很大，会产生比较大的扭转振动。为防止Angle Encoder-A的空心轴与其连接轴产生滑移而影响Angle Encoder-A的准确性，在主机飞轮上安装了一个机械固定的180°曲轴转角的导磁环。当导磁环到达参考探头MSA位置时，MSA得到一个脉冲信号，持续180°曲轴转角，与系统计算出的主机曲轴转角进行比较来判断Angle Encoder-A的运行状态是否正常。正常情况下主机选择Angle Encoder-A来运转。当两套Angle Encoder系统出现偏差时，系统会以飞轮端参考探头MSA为基准，来判断Angle Encoder-A的准确性。如果系统判断Angle Encoder-A故障，系统会自动选择Angle Encoder-B系统。
图1 角度编码器工作原理图
2.2故障原因分析及排除根据角度编码器工作原理和厂家提供的TACHO 故障分析技术资料分析，当编码器同时出现多个报警时，应该首先解决TACHO SET A FAILURE 这个警报。引起这个报警的原因有：
2.2.1 单缸MPC（Multi Purpose Controller多功能控制器）故障MPC通道损坏会引起角度编码器故障报警，但一般情况下只能引起某个单缸的角度编码器故障报警。本次报警是所有缸的TACHO SET A FAILURE全部报警，可以排除是由单缸MPC通道损坏引起的编码器故障报警。
2.2.2 角度编码器接线松动、固定支架松动、飞轮端MSA探头松动如果角度编码器本身有问题，主机在所有的转速区间运转时都会发出报警。但本次故障现象是低负荷、低转速时角度编码器显示正常。主机只有在高负荷、高转速区运行，振动加剧的时候，才会发生断续报警。可以确定角度编码器本身没有问题。
若角度编码器接线松动造成接触不良或角度编码器固定支架松动或者飞轮端MSA探头松动也会造成传输信号误差加大。若偏差处在临界值，主机高速运转、振动剧烈时会造成断续报警。完车后检查角度编码器和飞轮端探头接线状况及固定螺栓的紧固情况以及Angle Encoder-A、Angle Encoder-B的固定支架和固定螺栓紧固情况，发现一切正常。
2.2.3 角度编码器空心轴滑移主机在高负荷时曲轴扭转力矩大，曲轴会产生扭转变形。如果角度编码器空心轴存在轻微滑移，再加上曲轴扭转变形，可导致角度编码器A测量的数据与飞轮端MSA探头测量的数据之间偏差（一般要求不超过1°）处于临界值，从而引起故障断续报警。
对 Angle Encoder-A 和 Angle Encoder-B 进行检查：正车盘车找到指示灯由熄灭到刚点亮的位置。此时观察飞轮刻度指示，No.1缸已经基本处在上止点位置，存在轻微偏差（正常范围）。打开主机NO.1缸曲轴箱道门，用专用工具校准，查看是否能够对准曲轴和机体上红色的标识点（如图2所示）。此时NO.1缸虽然没有在上止点位置，但偏差没有超限，不会触发TACHO故障报警。考虑到主机高速运转时扭转力矩增大，主机曲轴连接轴扭转变形加剧，如果再加上这个偏差值，可能会导致TACHO系统计算出的曲轴角度与飞轮端参考探头MSA测量出的曲轴角度之间的偏差超限，而引起TACHO系统报警。于是决定重新调整角度编码器。首先校准Angle Encoder-A,盘车将主机NO.1缸正车方向盘车至上止点位置（图2所示专用工具两头刚好对准曲轴和机体上的红色标识点），观察此时主机飞轮端指针实际指示与上止点零点的偏差位置（校准Angle Encoder-B时会用到），对Angle Encoder-A进行调节。松开锁紧环，用直径5mm的钻头或者铁棒转动编码器空心轴（如图3所示），找准LED灯由熄灭到刚点亮的最佳时机。经过多次调整确定最佳位置后上紧锁紧环。校准完Angle Encoder-A后，如果不校准Angle Encoder-B 可能导致Angle Encoder-A和Angle Encoder-B偏差超限，引起Delta TACHO B too big报警。校准Angle Encoder-B：在校准完Angle Encoder-A的基础上，正车方向盘车45° （修正调整角度编码器A时飞轮端指针的实际指示偏差），按照调整A 的方法调整好Angle Encoder-B。调整完毕，在MOP上进行了功能测试，显示一切正常。测试界面如图4.1和4.2所示。
图2 专用工具标识NO.1缸上止点
图3 编码器转动示意图
图4 2功能测试界面2
2.2.4探头MSA与导磁性半圆环之间的间隙不符合要求或位置发生偏移
若飞轮端探头MSA与导磁性半圆环之间的间隙过大，可能会导致探头MSA不能被触发，系统误认为探头失效，也会引起报警。对此间隙进行测量，因为主轴承间隙磨损等多个因素会导致曲轴角度变化时探头MSA与导磁性半圆环之间的间隙不一样，所以应多测量几个位置。测量数据如表1所示。本设备要求的正常范围为1.5~3.0mm，间隙值符合要求。开始测试探头的功能性，正向盘车当盘车至NO.1缸上止点后90°，导磁性半圆环到达MSA探头下方时，探头指示灯刚好亮；继续盘车，当盘至270°离开半圆环时刚好不亮。从指示灯指示状态来看飞轮端MSA探头正常，探头MSA也处在半圆环的正上方，位置和间隙检查正常。
表1 探头MSA与导磁性半圆环的间隙
图5 放大器TSA-A
2.2.5 飞轮端MSA探头故障主机在完车状况下检查、调试、测试角度编码器一切正常没有报警。离港后，当主机加速至FULL时,又开始断续出现角度编码器故障报警，说明此次故障不是2.2.3和2.2.4原因所致。
从MOP控制屏上检查Angle Encoder-A和Angle Encoder-B的数据正常，怀疑飞轮端MSA探头故障。为确认故障原因，将放大器TSA-A内来自飞轮端探头MSA的接线J4拔下（图5中①），插上来自Angle Encoder-A探头MSA的接线（图5 中②），报警消失。主机正常启动后，在主机从停车到海速多种工况下进行测试，角度编码器没有故障报警，主机运转正常。靠港后将飞轮端MSA探头换新，放大器TSA-A内部接线恢复正常。离港后主机加速到FULL以上后再次出现TACHO故障报警。由于探头刚换新，排除飞轮端MSA探头问题。
2.2.6 飞轮端MSA探头与角度编码器放大器TSA-A之间的连接线路破损最后将故障原因锁定在飞轮端MSA探头与角度编码器放大器TSA-A之间的连接线路上。对这段线路进行彻底检查,发现有一段线路由于固定线卡安装距离过长，造成电缆抖动，长期与机体产生摩擦，造成线缆破损露出铜线。更换电缆后故障消失。
2.2.7 故障原因主机低速运转时振动轻，电缆振幅小，电缆破损处不会触碰机体，没有干扰到信号传输，没有触发报警。当主机高速运转时，主机振动加剧使电缆振幅加大，破损处接触到柴油机本体，影响到信号传输质量，出现主机角度编码器故障报警现象，于是出现了主机低速运转时角度编码器正常，高速运转时报警断续出现的现象。
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3 加强角度编码器日常管理对策
角度编码器的各个探头安装在主机自由端和飞轮端，此处主机振动较大，工作环境恶劣。根据此次编码器故障原因情况，建议：
3.1在角度编码器的固定支架、飞轮端MSA探头支架、探头紧固螺栓、空心轴与传动轴连接处等位置，用醒目的马克笔做好位置标记，在机舱日常巡视时，可以清楚地观察到角度编码器的固定支架及飞轮端的MSA探头支架等连接处有没有异常松动情况；
3.2 平 时 通 过 MOP 观 察 TACHO-A 和TACHO-B数据指示，发现偏差异常及时校准；
3.3在检修探头和放大器后，松开过的线缆要及时固定，避免因为振动而造成电缆磨损，影响信号传输；
3.4每三个月，打开角度编码器的接线盒，检查各接线柱的紧固情况，检查测量飞轮端MSA探头与半圆环之间的间隙；打开主机曲轴室，用专用卡规检查角度编码器的偏差，必要时按照2.2.3步骤重新校准Angle Encoder-A和Angle Encoder-B。
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4 结束语
随着船舶智能化程度的日益提高，船舶轮机管理人员要加强电气自动化方面的培训，熟练掌握电子电器方面的知识，转变故障查找思路。同时船上应制定详细的控制系统维护保养计划，加强电子电器元件的维护，保证设备的正常运转，确保航行安全。
- [1]马川 等. 电喷柴油机曲柄转角系统工作原理与故障处理[J]. 世界海运，2022,45(09):32-36.
