段旭陽(yáng)

（海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033）

工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技巧分析

段旭陽(yáng)

（海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033）

船舶航行中，動(dòng)力裝置為“心臟”，一旦出現(xiàn)故障會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。本文首先對(duì)當(dāng)前工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的常見(jiàn)診斷方法及診斷技巧進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多種診斷方法建立工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保運(yùn)行安全。

工程船舶；動(dòng)力機(jī)械；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷

船舶航行中，動(dòng)力裝置為運(yùn)行“心臟”，一旦出現(xiàn)故障會(huì)給整個(gè)船舶帶來(lái)嚴(yán)重后果。而狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷（CMFD）為一種綜合性技術(shù)，這種技術(shù)融合多學(xué)科知識(shí)，將模式識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)還有信號(hào)處理決策等技術(shù)融合為一體，能夠?qū)?dòng)力機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行在線分析，對(duì)機(jī)械狀態(tài)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析故障類型與程度，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力機(jī)械進(jìn)行針對(duì)性維修保養(yǎng)。

1 工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法

1.1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)診斷

船舶正常航行中，柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在較小范圍內(nèi)規(guī)律性變化。但是柴油機(jī)出現(xiàn)故障，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的規(guī)律性變化就會(huì)被破壞，柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)出現(xiàn)圖1的變化。

圖1 柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率峰值的變化圖

圖1所示的是MANB＆W 6L16/24柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)圖，這些柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的尺寸大，軸系激勵(lì)復(fù)雜，軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大影響。當(dāng)柴油機(jī)第2缸及第4缸工況正常的時(shí)候，如果做工能力的下降幅度分別達(dá)到10%還有20%，則能得到圖1所示瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)率計(jì)算結(jié)果。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)峰值同各個(gè)缸運(yùn)行中的平衡性是相關(guān)的，因此能利用這一特性對(duì)柴油機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及診斷，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通常會(huì)用到轉(zhuǎn)矩估計(jì)監(jiān)測(cè)法、波形分析監(jiān)測(cè)法還有多特征綜合監(jiān)測(cè)法這三種瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)方法。

1.2 熱力參數(shù)監(jiān)測(cè)診斷

熱力參數(shù)監(jiān)測(cè)診斷屬于一種常見(jiàn)的船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷方法，其監(jiān)測(cè)時(shí)通過(guò)對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程中的熱力參數(shù)變化情況來(lái)對(duì)船舶工作狀態(tài)進(jìn)行判斷的一種方法。監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要對(duì)柴油機(jī)主要熱力參數(shù)（氣缸壓力、排氣溫度、滑油溫度、進(jìn)出口溫度、轉(zhuǎn)速等）進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄分析，并在系統(tǒng)中錄入正常參數(shù)，將船舶運(yùn)行參數(shù)同正常參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，一旦變化幅度超出正常范圍，系統(tǒng)會(huì)做出預(yù)警，并根據(jù)參數(shù)變化給出柴油機(jī)性能，并給出具體的解決方法。

1.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷

振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷指的是對(duì)船舶正常工作時(shí)柴油機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析，處理后對(duì)運(yùn)動(dòng)件工作狀態(tài)進(jìn)行有效診斷。這種診斷方法能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)狀態(tài)快速在線診斷。但是診斷過(guò)程中存在如下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：（1）運(yùn)動(dòng)件眾多，形狀各異，激勵(lì)力傳播途徑會(huì)對(duì)機(jī)體表面產(chǎn)生大小不一的貢獻(xiàn)。（2）激勵(lì)力眾多，頻率不一，信號(hào)識(shí)別困難。（3）激勵(lì)力間相互干擾耦合，敏感測(cè)點(diǎn)選擇困難。（4）柴油機(jī)的振動(dòng)還有受到其他因素影響（如工況、溫度、潤(rùn)滑油的黏度等）。鑒于上述技術(shù)難點(diǎn)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要掌握各種激勵(lì)源信號(hào)識(shí)別技術(shù)，能夠?qū)π盘?hào)干擾進(jìn)行有效處理，并能根據(jù)信號(hào)對(duì)柴油機(jī)工作狀態(tài)的特征參數(shù)進(jìn)行有效提取，建立判據(jù)。

1.4 聲發(fā)射診斷

聲發(fā)射診斷指的是在遭到內(nèi)力或者外力作用時(shí)，材料會(huì)通過(guò)彈性波形式將應(yīng)變能釋放出來(lái)的一種現(xiàn)象。固體材料在內(nèi)部如出現(xiàn)缺陷，外力作用下會(huì)出現(xiàn)聲反射，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射信號(hào)中蘊(yùn)含著材料缺陷的全部信息。而聲發(fā)射監(jiān)測(cè)則是對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過(guò)信號(hào)分析對(duì)材料內(nèi)部具體狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)前這種監(jiān)測(cè)方法在機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)中應(yīng)用比較廣泛。

2 工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技巧

上面對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法進(jìn)行了具體介紹，結(jié)合上述方法，下面對(duì)活塞—缸套磨損還有柴油機(jī)氣閥漏氣的診斷技巧進(jìn)行具體闡述。

2.1 活塞-缸套磨損的診斷技巧

對(duì)于工程船舶來(lái)講，柴油機(jī)活塞-缸套磨損的診斷原理為：不同磨損狀態(tài)之下，活塞會(huì)在側(cè)推力的作用下向氣缸套撞擊，并在撞擊過(guò)程中產(chǎn)生能量及運(yùn)動(dòng)位移的相對(duì)變化；變化過(guò)程中，機(jī)身會(huì)隨激勵(lì)源變化而發(fā)生參數(shù)（振動(dòng)振級(jí)、振動(dòng)信號(hào)的功率譜分布、振動(dòng)能量等）的變化；系統(tǒng)對(duì)機(jī)身表面的振動(dòng)響應(yīng)特征進(jìn)行分析，參照內(nèi)部所保存的磨損狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比就能夠?qū)钊滋椎哪p狀態(tài)進(jìn)行診斷。如果活塞—缸套磨損較大，功率譜會(huì)存在較大差異。

2.2 柴油機(jī)氣閥漏氣的診斷技巧

圖2 工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障綜合診斷系統(tǒng)

船舶航行，柴油機(jī)正常工作，缸蓋需要五個(gè)主要激勵(lì)力，其中進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉沖擊力，排氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉沖擊力，還有缸內(nèi)的氣體壓力，在這五個(gè)激勵(lì)力下，氣閥的工作狀態(tài)能夠通過(guò)缸蓋的振動(dòng)信號(hào)有效表達(dá)出來(lái)。如果將缸蓋系統(tǒng)看作是頻不變系統(tǒng)，那么上述所提到的五種激勵(lì)力之間屬于線性無(wú)關(guān)的關(guān)系，氣閥在不同工作狀態(tài)下，缸蓋的振動(dòng)信號(hào)功率譜圖會(huì)呈現(xiàn)出明顯差異。時(shí)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)柴油機(jī)工作中的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算及分析，通過(guò)對(duì)比分析監(jiān)測(cè)柴油機(jī)動(dòng)力的平衡性能。（3）氣缸壓力功率譜的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)氣缸的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量記錄，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)柴油機(jī)工作性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷。（4）聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而判斷氣閥是否存在漏氣故障。（5）軸系振動(dòng)的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)計(jì)算處理模塊分析處理，獲得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖還有扭振時(shí)域、頻域波形圖，對(duì)柴油機(jī)一階、二階振動(dòng)幅值進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷。（6）軸功率的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)柴油機(jī)軸功率進(jìn)行計(jì)算處理，并獲得平均轉(zhuǎn)速還有輸出扭矩值，通過(guò)對(duì)這些數(shù)值參數(shù)對(duì)比分析，對(duì)柴油機(jī)的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷。（7）工程船舶動(dòng)力機(jī)械性能的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)船舶運(yùn)行中，動(dòng)力機(jī)械在單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合軸功率及航行速度等參數(shù)對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械的總體性能進(jìn)行判斷，并給出工況最佳優(yōu)化方案。

3 工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障綜合診斷系統(tǒng)

結(jié)合上述論述，參照多參數(shù)與綜合診斷方法將柴油機(jī)熱力參數(shù)、氣缸壓力功率譜、聲發(fā)射參數(shù)、活塞—缸套磨損參數(shù)、氣閥狀態(tài)參數(shù)、船舶運(yùn)行性能參數(shù)等進(jìn)行集成，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶動(dòng)力機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷。具體如圖2所示。

工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障綜合診斷系統(tǒng)主要包含下列模塊：（1）柴油機(jī)熱力參數(shù)的監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中燃油、滑油運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)、排氣閥門(mén)運(yùn)行狀態(tài)、冷卻閥門(mén)等工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將這些狀態(tài)通過(guò)工作溫度、功率、壓力等指數(shù)進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)柴油機(jī)主要部件工作中的熱力參數(shù)進(jìn)行提取，從而對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。（2）瞬

4 結(jié)語(yǔ)

工程船舶動(dòng)力機(jī)械故障診斷屬于一門(mén)綜合技術(shù)，需要將多學(xué)科知識(shí)融為一體，利用多種技術(shù)對(duì)柴油機(jī)故障信息進(jìn)行綜合診斷，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷，確保運(yùn)行安全。

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1671-0711（2016）12（上）-0069-02