周新聰，孫 斌 ，張月雷，孫爭兵

（1．武漢理工大學能源與動力工程學院可靠性工程研究所，湖北 武 漢 4 30063；2．船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武 漢 4 30063；3．長江武漢航道局，湖北 武 漢 4 30010）

現(xiàn)代船舶機械日趨高性能化和結(jié)構(gòu)復雜化，人員配備趨于減少，加之世界范圍的能源緊張，船舶機械設備的監(jiān)測和維護便成為營運船舶技術(shù)管理的重要內(nèi)容。及時、準確和動態(tài)地掌握船舶機械的運行狀態(tài)和預測潛在故障，已成為船舶技術(shù)管理追求的目標，這促使現(xiàn)代船舶機械設備狀態(tài)監(jiān)測及標準的不斷更新和發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，世界上60%的船舶營運故障源于機艙，為了保障船舶機械的安全運行，世界各國積極開展了船舶機械設備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究，動態(tài)地獲取船舶機械設備的各種信息，分析其運行狀態(tài)、診斷潛在故障并預測發(fā)展趨勢。

一、船舶機械設備故障特點及類型

船舶動力機械工況復雜多樣、結(jié)構(gòu)復雜，且船舶機械工作環(huán)境和工作狀態(tài)大都比較惡劣，這就要求船舶機械設備具有較高的可靠性。伴隨科學技術(shù)發(fā)展雖然船舶動力裝置的自動化、智能化程度不斷提高，可靠性也大有提高，但船機故障仍不可避免，每年因機損故障造成的損失很大。

據(jù)某國海難廳對600例機損故障的分析表明，在船機損傷中，船舶主、輔機都可能發(fā)生故障，其中以柴油機的故障為主，約占全部機損事故的85%，其次是軸系占9.3%。在主機故障中，活塞、缸套、曲軸、氣閥故障86例，占主機故障的45.7%；燃油噴射系統(tǒng)故障36例，占19.1%；增壓器故障28例；啟動和換向系統(tǒng)故障28例；調(diào)速器故障10例。在電站故障中，發(fā)電柴油機故障51例，占電站故障的64.6%，電機故障23例，配電板故障3例。在輔助機械故障中，潤滑系統(tǒng)故障29例，冷卻系統(tǒng)故障28例，燃油系統(tǒng)故障9例，壓縮空氣和進化系統(tǒng)故障4例。這些故障多為磨損、疲勞、老化、破裂或破損、斷裂、變形和錯位、銹蝕或咬著、松動、卡死、松脫或剝落、缺水和缺油、燒損和短路、轉(zhuǎn)子失衡、漏油漏水漏氣等泄漏、堵塞和臟堵、劣質(zhì)燃油等造成?？梢?，在船舶機艙設備中主機系統(tǒng)是故障發(fā)生率最高的部位，據(jù)統(tǒng)計，在二沖程柴油機中，活塞的損傷占全部損傷的30%左右，在四沖程柴油機中，曲柄銷軸承以及主軸承的軸瓦磨損及擦傷報告，大多是潤滑油管理不當造成的。通過采用合適的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以有效防止故障的發(fā)生，確保安全。

二、船舶機械設備的監(jiān)測與診斷方法

采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，進行視情維修，不僅可以防止突發(fā)事故，保障船舶安全，而且可以減少維修費用，提高設備利用率，并帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。船舶設備監(jiān)測與診斷的方法很多，目前最常用的有以下分析法。

1．熱力參數(shù)分析法

該方法通過獲取船舶柴油機工作時的汽缸壓力示功圖、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、滑油溫度、冷卻水進出口溫度及排放等熱力參數(shù)的變化來實現(xiàn)其工作狀態(tài)的判斷和故障預測。該方法是目前船舶機械狀態(tài)監(jiān)測診斷中應用最廣最成熟的方法，且該方法易實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，被廣泛應用于船舶動力機械的各種設備。其中示功圖包含的信息量最多，根據(jù)示功圖可以計算指示功、壓力升高率和壓縮壓力，可以判斷燃燒質(zhì)量的好壞及各缸是否功率平衡。

2.振動分析法

該方法利用船舶柴油機在工作時產(chǎn)生的振動信號，經(jīng)測試、數(shù)據(jù)分析及處理來掌握內(nèi)部零部件的狀態(tài)并進行故障趨勢分析和診斷。其方法具有診斷速度快、準確率高和能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷的特點，在船舶動力機械中被廣泛應用。該方法目前主要應用在船舶動力機械以下設備的監(jiān)測診斷。

（1） 活塞—缸套磨損的振動監(jiān)測。根據(jù)活塞—缸套在不同磨損狀態(tài)下機身振動響應，可以用功率譜峰值和總能量作為判別活塞—缸套磨損狀態(tài)的特征參數(shù)。

（2）氣閥漏氣故障的振動監(jiān)測。根據(jù)汽缸蓋振動響應的時域波形圖和氣閥定時規(guī)律和上止點信號，可以從汽缸蓋表面的振動響應中，識別主要激勵源的振動響應?？梢詮钠咨w表面振動響應的功率譜判別氣閥漏氣狀態(tài)。

（3）柴油機主軸承磨損故障的振動監(jiān)測?？梢詫φ駝有盘柦?jīng)過功率譜分析后再進行倒頻譜分析，從而判別柴油機主軸承磨損狀態(tài)。

3.油液分析法

油液分析法監(jiān)測與診斷是通過獲取船舶機械設備潤滑油中的磨粒濃度、磨粒形狀及大小的變化、油質(zhì)的變化、含鐵量的變化，來實現(xiàn)對設備整體磨損狀態(tài)的分析，進而來判斷設備的磨損狀態(tài)及故障狀態(tài)。目前已構(gòu)成鐵譜分析、光譜分析、理化試驗、污染度分析等油液監(jiān)測方法，并形成了在線、離線和在線離線相結(jié)合的模式。為了推動油液監(jiān)測技術(shù)在船舶機械中的應用，中國船級社先后編寫了《螺旋槳軸狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南》和《柴油機滑油狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南》等指導性文件。詳細規(guī)定了采用油液分析方法監(jiān)測螺旋槳軸、柴油機狀態(tài)的具體要求。

4.綜合分析法

該方法是指將熱力參數(shù)分析法、油液分析法和振動分析法等多種診斷方法綜合應用，在大量積累診斷知識的基礎上，采用融合的思想通過計算機系統(tǒng)分析，來確定設備狀態(tài)和判斷預測故障，從而有效地提高監(jiān)測與診斷的準確性的方法。該方法也是當前各國科研機構(gòu)和企業(yè)研究的難點和熱點。

總之各種狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和診斷方法得到了快速發(fā)展和推廣應用，各船級社相繼開展了與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有關(guān)的規(guī)范研究?，F(xiàn)已形成螺旋槳軸狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南 (SCM)、柴油機滑油狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南、船舶機械計劃保養(yǎng)系統(tǒng)檢驗指南 (PMS)等規(guī)范。

三、船舶維修保養(yǎng)體系

船舶維修保養(yǎng)體系（CWBT）是將傳統(tǒng)的船舶設備管理和國際上插卡式船舶設備管理相結(jié)合，形成集計劃、管理、指導于一體的一種新穎、科學、實用的船舶設備管理模式。該體系是船舶動力機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)各種標準制定的重要基礎和內(nèi)容組成部分，是實現(xiàn)各種狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)標準化的基礎，是數(shù)據(jù)交流和融合的平臺。目前由GB/T16558.1-1996（總則）、GB/T16558.2-1996（船舶設備分類及代碼）、GB/T16558.3-1996（船舶維修保養(yǎng)的分級、標準周期代碼及周期允差）、GB/T16558.4-1996（工作卡的格式及其欄目）、GB/T16558.5-1996（工作卡的首排及其表示方法）、GB/T16558.6-1996（船舶維修計劃營運管理方法）、GB/T16558.7-1996（表格樣式）標準組成，它們對船舶各個設備進行了分類和編碼，對維修手冊、工作卡格式及其欄目、信息管理系統(tǒng)及計算機的應用等進行了規(guī)定，形成了系列標準。這些都為狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)格式的標準化存儲和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性奠定了基礎條件。目前船舶維修保養(yǎng)體系雖已在船舶領(lǐng)域得到推廣和應用，但編碼體系未得到充分應用發(fā)揮。

四、液壓油污染度控制標準

油液分析技術(shù)作為機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的一項主要技術(shù)被廣泛應用在船舶機械設備中，實施液壓系統(tǒng)污染控制是提高液壓設備工作可靠性和延長元件壽命的重要手段，一直受到國內(nèi)外有關(guān)工業(yè)部門的高度重視。伴隨油液監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛推廣應用，作為油液污染分析技術(shù)不斷進步和成熟的重要標志油液污染度標準的建設也得到了快速發(fā)展。從最早使用的重量污染度和體積ppm、重量ppm等，逐漸改進為可反映顆粒尺寸及分布的顆粒污染度表示方法。國際標準化組織及一些國家的液壓行業(yè)組織和標準化機構(gòu)都成立了污染控制技術(shù)委員會，負責液壓污染控制技術(shù)的推廣、應用及有關(guān)標準和規(guī)范的制定和實施。ISO4406污染度標準是由國際標準化組織制定的。ISO4406標準已被世界各國普遍采用，我國現(xiàn)行的污染度標準即等效采用此標準。ISO4406：1999規(guī)定，顆粒計數(shù)儀采用≥4μm、≥6μm和≥14μm三個尺寸的顆粒濃度等級代碼表示油液的污染度。我國也設立了相應的機構(gòu)和組織，并且與國際標準化組織相應技術(shù)委員會聯(lián)系開展工作，結(jié)合我國各工業(yè)部門的需要，也制訂了有關(guān)液壓污染控制的行業(yè)標準，主要是應用在航空液壓系統(tǒng)油液固體顆粒污染度分級標準GJB420和GJB420A，它們分別與NAS1638和AS4059標準等效。目前國內(nèi)船舶行業(yè)尚未制定相應的污染度控制標準。

五、結(jié)束語

針對船舶機械設備故障特點和故障類型，為適應現(xiàn)代化智能化船舶發(fā)展的需要，要大力推廣狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷技術(shù)的應用，加緊制定相關(guān)的規(guī)范標準，推進狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展。

第一，推進各種狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的工程化應用和實施，以及在線監(jiān)測、離線監(jiān)測和混合監(jiān)測模式的應用，開展多種監(jiān)測技術(shù)綜合分析方法的研究。

第二，開展CWBT體系的推廣和應用，建立各種狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)資料和數(shù)據(jù)應在同一編碼體系下存儲和傳遞的機制，更大限度地便于數(shù)據(jù)的傳遞和對比。

第三，加強船舶機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)標準體系的建立，盡快形成各種監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、傳遞和存儲標準，推進狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)又好又快發(fā)展。

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