許 斌,遲立杰

(91315部隊(duì),遼寧大連 116041)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是指在船用動力設(shè)備運(yùn)行中或者基本不拆卸動力設(shè)備的情況下,定期或者視情獲取船用動力設(shè)備技術(shù)狀態(tài)信息,并進(jìn)行相關(guān)分析,判定船用動力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障的部位、原因,預(yù)測可能發(fā)生的故障。因此,設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù),在對船用動力系統(tǒng)主要設(shè)備的保障中,將起著越來越重要的作用,做好設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作是保證輪船在運(yùn)輸作業(yè)中的安全、提高遠(yuǎn)洋輪船使用效率的關(guān)鍵。船用動力系統(tǒng)主要包括設(shè)備潤滑系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)、泵和推力軸承系統(tǒng)等。各系統(tǒng)中的主要設(shè)備有柴油機(jī)、空壓機(jī)、電機(jī)、泵、軸承、齒輪箱等。本文從對各旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動分析技術(shù)和對各動力系統(tǒng)潤滑油、液壓油、燃油的油液分析技術(shù)兩個方面,來探討船用動力系統(tǒng)主要設(shè)備的運(yùn)行安全。

1 油液分析技術(shù)在船用動力系統(tǒng)運(yùn)行安全中的應(yīng)用

在油液分析技術(shù)中,主要是對船用動力系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行油液光譜、鐵譜和理化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測分析。油液的光譜和鐵譜分析技術(shù)更適用于開展船用動力設(shè)備狀態(tài)跟蹤監(jiān)測工作。一般的做法是先由它完成同一臺船用動力系統(tǒng)的主要設(shè)備,在不同換油時間里大量油樣的磨粒濃度測定,建立監(jiān)測基準(zhǔn)線。一旦在以后的監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)磨粒數(shù)量異常增加,則結(jié)合磨粒成分的識別技術(shù),探明磨損機(jī)理,判斷動力系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備失效類型。油液的理化指標(biāo)監(jiān)測是保證船用設(shè)備運(yùn)行安全的關(guān)鍵。

1.1 運(yùn)用油液的鐵譜和光譜分析技術(shù),確保船用設(shè)備的運(yùn)行安全

油液鐵譜分析技術(shù)是利用高梯度的強(qiáng)磁場將油樣中所含的機(jī)械磨損磨屑 (鐵磁性)按其粒度大小有序地分離出來,通過對磨屑進(jìn)行形狀、大小、成分、數(shù)量、粒度分布方面的定性和定量觀測,以判斷設(shè)備的磨損狀況和趨勢,檢測設(shè)備狀態(tài),預(yù)測或診斷故障。油液光譜分析技術(shù)是應(yīng)用原子吸收光譜儀 (AAS)、原子發(fā)射光譜儀 (AES)和感應(yīng)耦合電離發(fā)射光譜儀 (ICPES)等對油液進(jìn)行光譜分析,通過分析油液中金屬磨粒、添加劑、污染物化學(xué)元素的成分、含量和對比不同時期油液中金屬含量的增加速度,了解設(shè)備摩擦副的磨損情況。

1)監(jiān)測診斷某船柴油機(jī)連桿軸瓦鍍層異常磨損故障。自 2005年 4月我們開始對某運(yùn)輸船柴油機(jī)進(jìn)行潤滑油油樣采集,到 2008年 4月,該船柴油機(jī)在3年的時間里共工作約 5 860 h,我們采集到該船柴油機(jī)的在用潤滑油油樣 57個,共做了 57次光譜分析,表 1為該船柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)第 55次、56次、57次油樣光譜分析數(shù)據(jù)。從表中 3次油樣光譜分析發(fā)現(xiàn),鐵、鉛、銅元素含量明顯大于其它磨損金屬元素含量,其中鐵最大值為 195.2μg/g、鉛最大值為178.4μg/g、銅最大值為 159.7μg/g,而且油樣中鐵、鉛、銅元素含量有明顯的繼續(xù)上升趨勢。

表1 柴油機(jī)潤滑系統(tǒng) 3次油樣光譜分析數(shù)據(jù) μg/g

我們又對這 3個油樣分別作了分析式鐵譜分析和直讀式鐵譜分析,從分析式鐵譜的 3張譜片上可以看出,3個油樣中存在數(shù)量較多的大金屬磨粒,最大的磨粒為長達(dá) 100μm非鐵磁性磨粒,而且磨粒表面有嚴(yán)重的滑動磨損跡象,油樣的直讀式鐵譜分析數(shù)據(jù)見表 2。

表2 油樣直讀式鐵譜分析數(shù)據(jù)

從這 3個油樣直讀式鐵譜分析數(shù)據(jù)中可以看出:3個油樣中所含金屬磨損大磨粒 “DL” (大于5μm)、小磨粒 “DS” (1～2μm)、磨?？倲?shù) WPC=DL+DS、磨損嚴(yán)重度指數(shù) IS=(DL+DS)×(DL-DS),4個磨損指標(biāo)不但較高,而且都出現(xiàn)不斷升高的趨勢。通過對油樣進(jìn)行分析式鐵譜的譜片分析、直讀式鐵譜的數(shù)據(jù)分析和油液光譜分析技術(shù)的數(shù)據(jù)分析,可以初步斷定該船柴油機(jī)內(nèi)部存在異常磨損。建議該船盡快進(jìn)廠檢驗(yàn)修理,并建議重點(diǎn)檢查該船柴油機(jī)含鉛軸瓦狀況。在塢修中,船廠對柴油機(jī)進(jìn)行 W5級拆檢維修,抽檢發(fā)現(xiàn)連桿大端下軸瓦出現(xiàn)若干處 5～15 mm2范圍鉛銅減磨鍍層異常剝落。這一問題引起維修部門的高度重視,決定擴(kuò)大拆檢范圍,結(jié)果發(fā)現(xiàn)柴油機(jī) 42副連桿軸瓦共有 29片下軸瓦鍍層存在不同程度的涂層剝落現(xiàn)象,經(jīng)專家鑒定剝落磨粒是鉛銅合金的黃銅磨粒,屬于嚴(yán)重異常磨損。

2)監(jiān)測診斷某船柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)進(jìn)入海水造成的故障隱患。在油液分析技術(shù)中,對設(shè)備的一次取樣雖不能判斷其將來的磨損發(fā)展趨勢,但是如果一次油樣中某種金屬元素的濃度絕對值較大,就可以初步確定設(shè)備存在故障隱患。如:在一次對某運(yùn)輸船柴油機(jī)進(jìn)行滑油光譜檢測中,我們發(fā)現(xiàn)油樣中Na、Mg元素含量分別是 901μg/g、180μg/g,初步判斷柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)中進(jìn)入海水,為了進(jìn)一步確定故障隱患,我們又對該油樣做了水分含量檢測,其油樣的水分含量為 3.603 8%,嚴(yán)重超出潤滑油正常水分含量不超過 0.3%的標(biāo)準(zhǔn),驗(yàn)證了柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)進(jìn)海水的故障隱患,后經(jīng)拆修,發(fā)現(xiàn)由于海水泵泄漏,海水經(jīng)齒輪箱進(jìn)入到柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)中。

1.2 利用油液理化指標(biāo)綜合檢測分析法,監(jiān)測診斷某船柴油機(jī)軸承燒傷故障

對潤滑油的理化指標(biāo)檢測分析,主要是保證輪船在用潤滑油的油質(zhì),并通過潤滑油指標(biāo)綜合檢測診斷裝備的故障及其原因。2004年 6月 14日,某船員發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)第 4、5、6缸缸頭上有紫銅末狀雜質(zhì)。為此,檢查柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng),在柴油機(jī)曲軸箱里發(fā)現(xiàn)有軸承脫落的合金。查看各道主軸承外部,發(fā)現(xiàn)第 4、5道主軸承有輕度拉毛,第 6道主軸承下瓦后部有輕度拉毛和輕度燒傷痕跡。取出油樣進(jìn)行理化指標(biāo)綜合檢測,從分析結(jié)果得知該船柴油機(jī)循環(huán)油柜潤滑油的 40℃粘度為 10.03×10-6m2/s,閃點(diǎn)為 218℃,而在用潤滑油新油的 40℃粘度應(yīng)該是(34.5～41.5)×10-6m2/s,閃點(diǎn)為 225℃左右,對比在用油的檢測結(jié)果與新油的技術(shù)指標(biāo)可以看出,柴油機(jī)循環(huán)油柜中在用潤滑油的 40℃粘度低于新油(24～31)×10-6m2/s左右,在用潤滑油的閃點(diǎn)低于新油的閃點(diǎn) 7℃左右,說明該船柴油機(jī)循環(huán)油柜中的潤滑油遭到了嚴(yán)重的燃料稀釋,也就是說柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)中進(jìn)入了柴油,導(dǎo)致油柜中的潤滑油失去潤滑作用,致使柴油機(jī)第 4、5、6道主軸承在其表面上沒有潤滑油膜保護(hù)的情況下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),引起主軸承輕度拉毛和輕度燒傷的故障。進(jìn)一步拆卸分析發(fā)現(xiàn):柴油機(jī)潤滑油系統(tǒng)中進(jìn)入的柴油是由于第 5缸油泵噴油器的進(jìn)油管修后安裝位置不正,被氣閥彈簧磨破,使燃油漏入曲軸箱,導(dǎo)致潤滑油粘度下降,致使柴油機(jī)第 4、5、6道軸承潤滑油油膜難以建立,而造成軸承拉毛和燒傷。

1.3 認(rèn)真做好監(jiān)測信息的采集,正確掌握船用設(shè)備的運(yùn)行狀況

油樣采集是做好油液監(jiān)測工作的關(guān)鍵,由于油樣采集不當(dāng),造成了油液監(jiān)測中的不確定數(shù)據(jù),對于這些數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)行重新采樣重新監(jiān)測,造成不確定數(shù)據(jù)油樣采集原因很多,主要有:①油樣采集人員沒有在設(shè)備充分運(yùn)轉(zhuǎn)以后進(jìn)行油樣采集,使得采集到的油樣代表不了整個設(shè)備的潤滑狀態(tài),所以規(guī)定在設(shè)備充分運(yùn)行 30 min以上,設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn) 15 min之內(nèi)采集油樣;②油樣采集位置不正確,造成數(shù)據(jù)不確定,取樣點(diǎn)應(yīng)該選擇在過濾器之前,避免油樣經(jīng)過過濾器過濾,更不能將取樣點(diǎn)選擇在潤滑系統(tǒng)的底部或死角處,應(yīng)該選擇在油位的中上部;③油樣采集人員責(zé)任心不強(qiáng)造成數(shù)據(jù)不確定,如采集多個油樣公用一個取油管、取油瓶,使用不干凈的器皿存裝油樣,傳送油樣過程中,沒有密封儲油瓶,使油樣污染,取樣記錄不詳造成油樣混亂等等。

2 沖擊脈沖技術(shù)在船用動力設(shè)備滾動軸承運(yùn)行安全中的應(yīng)用

在船用主要動力設(shè)備中,滾動軸承的使用十分廣泛,要做好船用主要動力設(shè)備的監(jiān)測診斷工作,就必須做好滾動軸承的故障診斷。滾動軸承故障診斷主要是對地腳固定良好的電動機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測診斷。

2.1 沖擊脈沖法的基本原理

滾動軸承中有缺陷時,如有疲勞剝落、裂紋、磨損和混有雜物時,滾動體與內(nèi)外環(huán)的不規(guī)則面相對運(yùn)動就會引起脈沖性振動,即 “沖擊脈沖”。沖擊脈沖的能量與沖擊的速度、接觸面有關(guān)。由于阻尼的作用,這是一種衰減性振動。沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了故障的程度,并且和軸承的線速度有關(guān)。沖擊脈沖法就是基于這個原理。船用的主要動力設(shè)備中,處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的滾動軸承,承受著轉(zhuǎn)子的動、靜負(fù)荷,工況比較復(fù)雜。因此,對軸承的質(zhì)量、運(yùn)轉(zhuǎn)條件都有很高的要求。軸承上的各種缺陷在工作時都能夠在軸承振動信號中反映出來,滾動體的沖擊會產(chǎn)生寬帶高頻沖擊脈沖振動,沖擊脈沖形成壓縮波在金屬內(nèi)傳遞給軸承座,在對軸承檢測時通過儀器傳感器采集振動信號,并顯示出軸承的高頻沖擊脈沖,據(jù)此可判別軸承狀態(tài)。軸承故障檢測儀是應(yīng)用沖擊脈沖法原理診斷軸承故障的專業(yè)儀器,其加速度傳感器對輸出信號的處理與其它振動法有一定的區(qū)別。它對信號不作寬測量,而只是在傳感器的固有頻率上測量,軸承的沖擊振動經(jīng)軸承座傳遞到傳感器上,激起其固有頻率的減幅振蕩,這個振動的幅度與軸承的故障嚴(yán)重程度成正比。軸承故障檢測儀測量電路中采用了以傳感器頻率為中心頻率的帶通濾波器,濾掉了軸承附近中低頻率的機(jī)械干擾,只通過反映沖擊脈沖的高頻部分。其高頻信號經(jīng)過可調(diào)衰減器和放大器,再經(jīng)過保絡(luò)減波得到解調(diào)后的信號,由電壓比較器與預(yù)先設(shè)定的電壓作比較,當(dāng)超過此電壓時,就使多諧振蕩器產(chǎn)生 1.5 kHz的高頻信號,顯示出相應(yīng)的沖擊脈沖值。通過軸承故障檢測儀的設(shè)定,使得儀器的顯示值僅與軸承的損傷程度有關(guān),不同型號的滾動軸承,只要測定地毯值 dBc和標(biāo)準(zhǔn)沖擊水平值 dBn兩個值,就可以判斷被測軸承是否存在故障以及故障程度。

2.2 沖擊脈沖法的實(shí)施要點(diǎn)

1)選擇測量點(diǎn)。為了準(zhǔn)確判斷軸承狀態(tài),必須采集可靠的信號,因此,在選擇軸承測點(diǎn)時,應(yīng)該遵循:測點(diǎn)選在軸承的承載區(qū),傳感器對著軸的轉(zhuǎn)向位置。軸承故障檢測儀的傳感器在軸承座選擇測點(diǎn)不同,其檢測的靈敏度相差很大;在軸承與測量點(diǎn)之間的信號傳遞路徑應(yīng)盡可能地選擇直線最短路徑,測點(diǎn)與軸承外圈的距離盡可能要短,一般不應(yīng)超過 75 mm;信號的傳播路徑只應(yīng)包括唯一一個接觸面,即軸承和軸承座之間的接觸面。由于軸承沖擊振動的頻率很高,振動信號每通過一次零件界面,其能量損失達(dá) 80%,測點(diǎn)與軸承外圈之間信號傳遞過程中通過的界面越多,信號衰減和失真越嚴(yán)重,因此在信號傳遞中,還應(yīng)盡量避開空腔、水套、填料、螺栓之類的中間介質(zhì)或機(jī)械零件;保證傳感器探頭與測點(diǎn)有良好的接觸。首先,傳感器探頭的球面半徑要小于測點(diǎn)所在設(shè)備的曲率半徑。其次,測點(diǎn)所在部位應(yīng)避免厚實(shí)的油漆表層;盡量做到每次測試的設(shè)備工況、測點(diǎn)位置、儀器都應(yīng)相同,以保證測試的真實(shí)性和可比性。

2)測試條件。測試條件:對滾動軸承的監(jiān)測診斷是一項(xiàng)長期且周期性較強(qiáng)的工作,被測設(shè)備需要在載荷工況下運(yùn)行,而且每次測試設(shè)備工況、測點(diǎn)位置、儀器都應(yīng)相同;軸承以外其它振動構(gòu)成軸承振動信號檢測的干擾源,是實(shí)施沖擊脈沖法診斷的最大障礙,因此要識別和排除干擾因素。

3)建立判斷標(biāo)準(zhǔn)。沖擊脈沖幅值的大小與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸有關(guān),同時也表示了損傷的嚴(yán)重程度。目前的沖擊脈沖測試儀器已經(jīng)對沖擊脈沖幅值進(jìn)行歸一化處理。假設(shè) dBm表示脈沖峰值,則該值與軸承轉(zhuǎn)速和尺寸無關(guān),僅與軸承狀態(tài)有關(guān)。使用軸承故障檢測儀,要建立判別標(biāo)準(zhǔn),以判斷軸承是否存在故障及故障的嚴(yán)重程度。當(dāng) dBc≤10 dB,dBn≤20 dB時,軸承狀態(tài)良好;當(dāng) dBc＜dBn≤35 dB時,軸承存在劣化傾向,處于早期損傷;當(dāng)dBn＞50 dB時,軸承損傷嚴(yán)重,應(yīng)檢查處理;當(dāng)dBc和 dBn數(shù)值接近,一般 dBc＞dBn＞20 dB時,軸承潤滑不良。

2.3 滾動軸承故障診斷實(shí)例

2008年,我們對某運(yùn)輸船海水冷卻泵的運(yùn)行情況進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測,該泵軸承的直徑為 80 mm,轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min,得知 dBi=20 dB,一年共對其跟蹤監(jiān)測 8次,監(jiān)測結(jié)果見表 3。

表3 某船海水冷卻泵運(yùn)行情況 dB

從以上 8次監(jiān)測結(jié)果可知,該泵軸承脈沖峰值和地毯值的變化趨勢,2008年 1月 31日監(jiān)測的脈沖峰值和地毯值分別為 34 dB和 24 dB,根據(jù)軸承故障判斷標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)該泵軸承存在劣化傾向,處于早期損傷。2月 19日跟蹤監(jiān)測的脈沖峰值和地毯值分別為 39 dB和 28 dB,5月 19日跟蹤監(jiān)測的脈沖峰值和地毯值分別為 43 dB和 32 dB,從跟蹤監(jiān)測可以看出該泵軸承脈沖峰值和地毯值在逐漸提高,到 9月 5日該泵軸承脈沖峰值和地毯值為最高,分別為 48 dB和 35 dB。針對該泵軸承十分嚴(yán)重的劣化趨勢,2008年 9月中旬我們建議運(yùn)輸公司對該泵軸承進(jìn)行拆卸維修,經(jīng)拆卸發(fā)現(xiàn),該泵軸承發(fā)生嚴(yán)重的變形,船廠給該泵及時地更換了新的軸承。我們對該泵新?lián)Q的軸承繼續(xù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,從表 3的監(jiān)測結(jié)果可以看到,新?lián)Q的軸承脈沖峰值和地毯值有明顯下降趨勢,2008年 12月 8日監(jiān)測的脈沖峰值和地毯值分別為 18 dB和 14 dB,根據(jù)軸承故障判斷標(biāo)準(zhǔn),該泵運(yùn)行狀態(tài)趨向良好。

3 結(jié)束語

船用動力設(shè)備的運(yùn)行安全是船舶海上運(yùn)行安全的關(guān)鍵,做好船用動力設(shè)備的管理工作,必須加強(qiáng)使用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù),要做到科學(xué)管理船用設(shè)備的運(yùn)行安全,作為從事設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的專業(yè)技術(shù)人員,應(yīng)該爭取領(lǐng)導(dǎo)的大力支持,視情配置功能齊全的精密監(jiān)測診斷儀器或系統(tǒng),以堅韌不拔的毅力,不辭勞苦地去實(shí)踐,將監(jiān)測與診斷的理論、技巧、方法與設(shè)備管理有機(jī)地結(jié)合起來,確保船用動力的運(yùn)行安全。