导读

随着近年来国家推出“碳达峰、碳中和”战略，节能减排成为了现代船舶的必然趋势。

轴带发电机，利用主机推进的余能进行发电，在现代船舶中应用越来越广泛。

因此，对轴带发电机的管理、维护与故障处理能力就显得尤为重要[1]。

从 20 世纪 70 年代轴带发电机系统的初步装船，经历几十年的发展至今，轴带发电机以其节能、稳定可靠得到了广泛应用。

目前，轴带发电装置主要有变矩桨轴带发电机、定矩桨定速轴带发电机、定矩桨恒频轴带发电机三种形式[2]，如图1所示。

变矩桨船舶主机转速恒定，轴带发电机输出电能频率亦恒定；

定矩桨船舶主机转速会受海况及油门影响，主机转速存在一定波动，为使轴带发电机输出电能频率恒定，定矩桨定速轴带发电机是在主机推进轴与轴带发电机之间装有机械控制的定速装置，当主机推进轴转速发生变化时，轴带发电机的转速基本保持恒定；

定矩桨恒频轴带发电机是利用大功率晶闸管变流技术，对轴带发电机输出电能进行整流和逆变来实现恒频控制[3]。

一、某轮轴带发电装置简介

本轮轴带发电装置采用定矩桨定速轴带发电形式，安装于主机中间轴上，包括 OMEGA离合器和发电机两部分。

OMEGA 离合器作用在于，通过增速齿轮和离合器，使轴带发电机转速保持恒定，不受主机转速影响，来实现发电机频率恒定作用。

轴带发电机具体参数如表1所示。

1）轴带发电机工作背景

当船舶离泊主机定速后，且转速超过 65 rpm 时，就满足了轴带发电机的使用条件。

在主配电板轴带发电机控制屏上，按下离合器接入按钮，活塞将在液压油的作用下，移向离合盘，以将主机主轴的能量传递给离合器驱动齿轮，离合器将主机转速通过三级齿轮加速至恒定转速1200rpm,用于驱动发电机发电。

当按下离合器脱开按钮时，液压油压消失，活塞在弹簧的作用下，返回至初试位置，离合器脱开，发电机停止。

2）轴带发电机恒频控制原理

当主机转速受海况等条件影响发生波动时，为防止轴带发电机频率随之波动，需控制离合器输出转速恒定，使发电机转速维持在1200rpm 恒定。

控制原理图如图2所示，包括 PID 控制器，主机转速传感器和发电机转速发电机传感器，Omega控制阀和Omega阀组成。

转速控制是通过改变Omega阀⑦的油压实现的，而Omega阀⑦前有两个Omega控制阀④和⑤，Omega 控制阀④带有比例电磁阀，可以实时通过控制比例电磁阀的电流，来改变Omega控制阀④的油压，进而控制 Omega 阀⑦油压和轴带发电机转速；

而Omega 控制阀⑤仅为简单的减压阀。

图2 轴带发电机控制原理图

（①主机转速传感器 ②发电机转速传感器 ③PID 控制器 ④带比例电磁阀的 OMEGA 控制阀⑤OMEGA 控制阀 ⑥正常/应急转换电磁阀 ⑦OMEGA 控制阀）

轴带发电机有正常和应急两种工作模式，可在主配电板内通过选择开关来控制正常/应急转换电磁阀⑥实现转换。

选择应急模式下，液压油通过 Omega 控制阀⑤送往 Omega 阀⑦，不具备实时调节油压和转速的作用，发电机频率将随电网负荷和主机转速变化而变化。

并且当主机转速低于 65 rpm 时，将触发跳闸信号使离合器脱开，发电机跳闸。

选择正常模式下，主机转速在65～83 rpm 范围时，由 PID 控制器控制轴带发电机转速在恒定1200 rpm，可以实现恒频 60 Hz。

具体控制是通过检测主机转速和轴带发电机转速，由PID控制器比较转速偏差，计算后输出DC50～700mA 电流信号至比例电磁阀，将电信号转变为液压信号，实时调节Omega控制阀④、Omega 阀⑦油压，实现轴带发电机转速调节。

当转速在 62～65 rpm 范围时，也能实现恒转差控制，对应输出频率为57～60 Hz，而不会触发离合器脱开信号。

二、故障分析及解决措施

1、故障现象

某日，船舶在定速航行途中，主机转速 68rpm，轴带发电机单机运行向电网供电。

突然出现全船失电，主机停车，伴随 S/G LOW ALARM REV 和S/G LOW TRIP REV 报警。

值班轮机员第一时间启动 NO.1 柴油发电机合闸，恢复主配电板供电。

轮机长也迅速赶到机舱，大家按照备车程序启动NO.2 柴油发电机并网，然后陆续恢复为主机服务的各种泵。

轮机长带着轮机员一起检查主机无问题，尝试启动主机，一切都很顺利，主机慢慢再次加速到海速68rpm。

定速两小时后，主机无异常，转速稳定，此时尝试启动轴带发电机，却发现主配电板轴带发电机控制屏上，指示灯127OMEGA clutch engage possible 与指示灯 126 M/E revolution possible 均不亮，轴带发电机无法启动。

2、故障分析

由于指示灯127OMEGA clutch engage possible 与指示灯 126 M/E revolution possible 同时不亮，且主机转速已达到轴带发电机启动允许转速 65 rpm，首先考虑是转速信号未能到达轴带发电机启动电路所致。

于是查阅图纸，检修轴带发电机启动故障。

▲图3 指示灯信号电气逻辑图

控制电路如图3 所示，指示灯127 OMEGA clutch engage possible 受继电器 X23 控制，继电器 X23 受轴带发电机一系列启动联锁控制，具体包括 X18(无主机倒车信号)、X20T（无主机完车信号）、X22（无离合器跳闸信号）、X26（无轴发滑油低压报警信号）、X10（无离合油低压信号）、X16（无 ME low revolution 信号）。

其中，X22（离合器跳闸信号）又受TM7（SG low rev.trip）、X17（SG 转速高）、X19（主机应急停）、X27（PID 发出检测异常）、X29（PID 发出直接耦合）控制。

TM7 受继电器 X15 控制，X15 受TB33 端子排上 EC1 与 EC6 开关信号控制。

指示灯 126 M/E revolution possible 受继电器 X16(SGlow rev. alarm)控制，X16 受 TB33 端子排上 EC1与 EC7 开关信号控制。

3、临时处理措施

根据图纸，通过检测，证实故障确实为时间继电器 TM7 和继电器 X16 动作异常所致，而 TM7和继电器 X16 控制信号分别来自接线端子 TB33上EC1 与EC6(SG low rev. trip)、EC1与EC7(SG low rev. alarm),测量进一步发现，TM7 和继电器X16 动作异常，是由于EC1与EC6和EC1 与EC7这两路信号均为断开，而当前主机转速为 68 rpm，正常应该闭合。

▲图 4 接线端子排

为了进一步验证，在轴发控制屏后面找到接线端子排，如图4所示，分别在EC1与 EC6 和EC1与EC7之间各外接一个开关，先后手动将两个开关接通短接两路信号，然后发现配电屏上指示灯126M/E revolution possible与指示灯127 OMEGA clutch engage possible 均点亮，恢复正常，尝试启动轴带发电机，离合器电磁阀等均正常动作，电压频率也正常。

临时用两个外接开关，模拟转速信号，消除轴带发电机启动故障。

4、故障根源

根据上述，已查明轴带发电机无法启动故障原因在于EC1与EC6(SG low rev. trip)、EC1与EC7(SSG low rev. alarm)两路信号不正常。

于是，进一步查阅接线图，如图 5 所示。

▲图5 FV 转速信号处理电路与电压比较器接线

沿着接线端子TB33往上查，EC6与EC7 接至主机遥控接线端子 CN 5 的 CN 522 和 CN 523，公共端 EC1 连至CN517。

查阅主机遥控接线图知，CN522和CN523 分别由主机遥控电路板B4上 Z162和Z144，公共端连至Z161、Z143，最终查出 Z161、Z162和Z143、Z144 两路信号分别是由主机遥控一块数字量输出电路板 B4 的 CH47、CH48 两个通道输出控制继电器 IR50 和 IR49 的常开触点。

测量发现，这块数字量输出电路板 CH47、CH48 这两个通道损坏，无正确数字量输出去控制相应继电器。

因此，找到信号故障根源，是由主机遥控数字量输出电路板故障引起。

5、最终解决措施

在 TB33 端子排处接两个外接开关的临时处理措施，虽能消除轴带发电机启动故障，但并非长久之计。

原因在于，首先每次启动轴带发电机之前需要依次接通两个开关，较为麻烦。

更重要是，短接后失去了轴带发电机的低转速报警和保护作用。

但船上缺乏主机遥控数字量输出电路板备件，亦无法更换，且咨询岸基，备件采购周期较长。

经过船上继续研究，查阅图纸，从主机转速探头着手，本轮共有五个主机转速探头，为接近开关式，其中探头1、2 为一组，探头 3 和 4 为一组，两组信号分别送往集控台的两个转速信号处理电路板 FV1 和 FV2，将两组转速脉冲信号成比例变换为 DC -10～10V 电压信号，且转速 0 rpm对应电压 0V，转速 100 rpm 对应电压 10 V，两个探头为一组是为了根据两个探头脉冲信号的相位关系，来判断主机旋转方向。

FV1 的输出用于驾驶台和集控室所有转速表，用于转速指示，FV2的输出送往主机遥控做转速闭环控制。

第五个探头是主机超速保护，送往主机遥控安保系统。

既然转速信号被处理成-10～10 V 电压信号，那么仅仅需要两个简单的电压比较器，让 FV 输出的转速电压信号分别与 6.5 V电压和6.2 V电压进行比较，比较结果控制相应继电器动作，比如FV 电压信号大于 6.5 V 时，继电器动作，常开点闭合。

再把两个继电器的常开点分别接至 Z161、Z162 和 Z143、Z144，即可实现原有功能，而且FV 控制电路距离主机遥控 Z161、Z162、Z143、Z144 距离较近，操作起来方便。

电压比较器属于最基本的模拟电路板，随便电子器件供应商均能提供，甚至淘宝上都能轻易够得，且价格及其低廉。

于是，联系供应商提供了一个电压比较器电路板，包括 4 个通道的电压比较器，开始实施。

从 FV 电路板处引出 DC24V电源作为电压比较器电源，将 FV2 转速电压信号接至两个比较器同相输入端，将 24 V 电源经过两个可调电位器后分别接至两个反相输入端，并通过调节电位器，分别将两个反相输入端电压电压调制 6.5 V 和 6.2 V，两个继电器的常开点分别接至 Z161、Z162 和 Z143、Z144。

接线完毕，如图5所示，拆除原外接两个开关，在离泊时，启动主机试验和调试，在不同转速下观察，电压比较器输出继电器动作都正确。

经过反复测试，功能均正常。

轴带发电机启动投入使用，也都无异常，故障彻底消除。

三、总 结

此次故障引发了船舶管理人员的思考。

本轮主机定速时通常航行在 68rpm，航行中如有遇到风浪时，主机转速会在65～68 rpm波动，风浪再大时，主机转速甚至会频繁低于 62 rpm，此时，一般都会启动柴油发电机替换轴带发电机。

但是主配电板上指示灯126与127会频繁闪烁，以往由于轴带发电机已停掉，未引起管理人员重视，实际上转速频繁在65 rpm左右波动时，指示灯频繁闪烁，就意味着主机遥控电路板 CH47、CH48 两个数字量输出通道会频繁动作，继电器IR50 和 IR49 也会频繁动作，将会影响其电寿命。

因此吸取教训，在今后的使用管理中，如遇大风浪转速波动厉害时，停掉轴带发电机后，可切断电压比较器的电源或酌情加油门，防止继电器在临界点频繁动作。

绝大多数故障，都是维护管理疏忽所致。

针对本轮轴带发电机，日常需要加强从电气到液压系统的维护管理，包括油位、滤器、轴承、油温、OMEGA 阀清洁、OMEGA 控制阀、各电磁阀、压力开关、转速探头、PID 控制器等等。

参考文献：

[1] 郝广君. 轴带发电机在二冲程主机上的发展介绍及应用[J]. 造船技术, 2019(4): 1-4, 34.

[2] 殷宗学, 周海涛, 王远, 等. 船舶轴带发电机选型及节能分析[J]. 船电技术, 2021, 41(10): 20-23.

[3] 苏国强, 胡伟. 某船轴带发电机频率波动过大分析及处理[J]. 航海技术, 2023(1): 29-32.

原创作者系：

广东粤电船舶管理有限公司    王世振

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