佘 婷 ， 張 建， 程小亮， 劉德峰 ， 王競(jìng)翔

(1.航空工業(yè)北京長城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測(cè)特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111；3.中科信工程咨詢(北京)有限責(zé)任公司，北京 100039； 4.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置是船舶的核心設(shè)備，它是否正常運(yùn)行直接影響船舶的運(yùn)行狀態(tài)。由于船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障種類繁多，往往容易產(chǎn)生錯(cuò)判或漏判，常規(guī)的故障檢查方法不僅可靠性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、診斷周期長，對(duì)于一個(gè)故障，往往需要反復(fù)停機(jī)、多次拆裝，才能找到原因。這種方法是基于故障已經(jīng)發(fā)展到直觀可見的程度，或已經(jīng)形成破壞性故障時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，增加了船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置的維護(hù)費(fèi)用，降低了船舶系統(tǒng)的安全性和可靠性。據(jù)美國麻省理工學(xué)院的有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械設(shè)備的故障中，70%是由于摩擦副表面磨損或腐蝕造成的[1]。而潤滑油在船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置中循環(huán)流動(dòng)，滑油品質(zhì)的變化和所含雜質(zhì)狀況可以提示零部件磨損的部位、類型和程度。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)定，油液監(jiān)測(cè)可以比振動(dòng)監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確有效地判別和預(yù)測(cè)故障[2]。因而，利用滑油狀態(tài)信息開展船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)起源于國防軍工領(lǐng)域，美國在1941年就成功地采用油液分析技術(shù)檢測(cè)出了柴油機(jī)的磨損失效。1976年美軍在國防部領(lǐng)導(dǎo)下成立了三軍聯(lián)合油料分析機(jī)構(gòu)(JOAP)，該機(jī)構(gòu)現(xiàn)已成為世界上最著名的油料分析機(jī)構(gòu)。Kongsberg開發(fā)的用于監(jiān)測(cè)大型二沖程柴油機(jī)的軸承磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過運(yùn)用油液磨粒與水分分析，監(jiān)測(cè)十字頭軸承、曲柄銷軸承和主軸承的磨損情況。Kittiwake開發(fā)的一款推進(jìn)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)——ThrusterSCAN，用于監(jiān)測(cè)定位推進(jìn)器狀況，以優(yōu)化推進(jìn)器的檢修工作和預(yù)測(cè)推進(jìn)器潛在的故障，可監(jiān)測(cè)艦船滑油系統(tǒng)的品質(zhì)變化情況和磨損顆粒情況。美國海軍在艦船上運(yùn)用的TELAS系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)船用渦輪燃?xì)鈾C(jī)滑油的磨粒數(shù)量、濃度、水分含量及添加劑等多種參數(shù)，而AUTOlab系統(tǒng)用于柴油機(jī)滑油黏度、磨粒及污染物等參數(shù)監(jiān)測(cè)。

在國內(nèi)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓設(shè)備、傳動(dòng)裝置、大型機(jī)械設(shè)備等高端精密裝備，油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來越來越受到相關(guān)設(shè)計(jì)研制單位的重視，但由于缺乏關(guān)鍵的在線監(jiān)測(cè)傳感器，其實(shí)際應(yīng)用受到一定限制，對(duì)比國外仍有差距。

1 滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

油液污染是造成船舶動(dòng)力系統(tǒng)磨損的主要故障源。油液污染包括顆粒污染、水分、氣體、熱量和微生物等，其中尤其以顆粒污染和水分污染影響最為嚴(yán)重。油液中混入一定量的水分后，會(huì)使?jié)櫥腿榛拾诐釥顟B(tài)。這種白濁的乳化油進(jìn)入油液系統(tǒng)內(nèi)部，不僅使元件內(nèi)部生銹，同時(shí)降低其潤滑性能，使零件的磨損加劇。潤滑系統(tǒng)內(nèi)的鐵系金屬生銹后，剝落的鐵銹在潤滑系統(tǒng)管道和元件內(nèi)流動(dòng)，蔓延擴(kuò)散下去，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部生銹，產(chǎn)生更多的剝落鐵銹和氧化物[3]。對(duì)潤滑油來講，黏度是衡量潤滑能力的一個(gè)重要指標(biāo)，黏度值升高或降低均造成潤滑性能下降，這些性能變化又可能會(huì)進(jìn)一步引發(fā)各種設(shè)備故障。因此，船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置潤滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)油品本身性能和理化指標(biāo)(即黏度)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)油液污染度(即含水量與金屬磨粒)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.1 油液黏度檢測(cè)原理

黏度是衡量油品潤滑能力的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)油品黏度監(jiān)測(cè)，是判斷設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)以及確定是否換油的重要依據(jù)。目前，具有代表性的是美國劍橋公司生產(chǎn)的在線式工業(yè)用黏度傳感器[4]。

該傳感器采用了活塞型黏度計(jì)技術(shù)，檢測(cè)方法源于傳統(tǒng)的落體法。按照斯托克斯黏性阻力定律，在流體緩慢流過靜止的物體或者物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)各部分流動(dòng)的速度不同，存在黏滯阻力。黏滯阻力的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。流體的黏度愈高，黏滯阻力愈大，物體通過某一定距離的時(shí)間就愈長[5]。通過測(cè)量物體經(jīng)過流體中某一定距離的時(shí)間，即可計(jì)算出流體的黏度。

該傳感器由活塞和套筒組件構(gòu)成的黏度檢測(cè)頭、儀表和溫度補(bǔ)償裝置組成。黏度傳感器工作原理圖如圖1所示。檢測(cè)頭內(nèi)置2個(gè)磁性線圈。當(dāng)傳感器插入到管路中，被測(cè)液體樣品流入測(cè)量室中，磁化的活塞周圍充滿液體樣品。傳感器中內(nèi)置的2個(gè)線圈通過磁力，以一個(gè)恒力將活塞在預(yù)定的距離(大約0.2 in)內(nèi)來回推送。同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定循環(huán)時(shí)間。活塞循環(huán)周期長則說明油品黏度高。根據(jù)活塞完成一次雙向循環(huán)所需的時(shí)間就可精確測(cè)量樣品的黏度值。流轉(zhuǎn)格柵不停地將新鮮樣品導(dǎo)入測(cè)量室中。

圖1 黏度傳感器工作原理圖

如果傳感器配置的測(cè)量范圍是5～100 cP，24 cP的周期時(shí)間一般是6 s，全量程校正時(shí)間(與測(cè)量范圍無關(guān))為大約26 s。圖2為黏度傳感器外形圖。

圖2 黏度傳感器外形圖

1.2 油液水分檢測(cè)原理

水分是指油品中的水含量。實(shí)驗(yàn)表明，隨著含水量逐漸增加，潤滑油的抗磨性逐漸下降，當(dāng)含水量超過0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，達(dá)到1%甚至更高的時(shí)候，抗磨性急劇下降，潤滑油的潤滑性喪失[6]。

國內(nèi)外開發(fā)的油液在線水分監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)主要采用電學(xué)方法。其原理就是利用油液的電化學(xué)性能如介電常數(shù)來反映油品的污染狀況[7]。油液是一種復(fù)雜的混合物，可以看作是弱極性液體電介質(zhì)，介電常數(shù)大約為2.0左右。介電常數(shù)的大小只與物質(zhì)的種類有關(guān)，不同物質(zhì)介電常數(shù)差別較大，如水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于油的介電常數(shù)[8]。當(dāng)有水進(jìn)入油液后，由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于油液的介電常數(shù)，作為電介質(zhì)的油液其介電常數(shù)將發(fā)生變化，通過設(shè)計(jì)特殊的電容結(jié)構(gòu)檢測(cè)介電常數(shù)的變化，可以得到油液中的含水量。

航空工業(yè)北控所開發(fā)了油液水分在線檢測(cè)傳感器，如圖3所示。其探頭結(jié)構(gòu)采用了同軸圓柱形電容結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3 水分傳感器外形圖

圖4 同軸圓柱形電容結(jié)構(gòu)

其中實(shí)心銅柱作為電容的一極，外壁的圓筒作為電容的另一極。油液從圓柱筒中流過時(shí)，圓柱形電容傳感器的電容值的變化反映了油液作為電介質(zhì)發(fā)生的介電常數(shù)的變化。

設(shè)定長度為L的同軸圓柱形電容器，其半徑分別為a和b(b>a)，L>(b-a)，傳感器的靈敏度與極板的長度L成正比，與In(b/a)成反比。

1.3 油液金屬磨粒檢測(cè)原理

磨損顆粒在線監(jiān)測(cè)是采用安裝在設(shè)備潤滑系統(tǒng)上的監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)采集流經(jīng)摩擦副后的油液中所含磨損顆粒量信息并提供超限報(bào)警功能的一門油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

針對(duì)磨損金屬顆粒具有鐵磁性的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)磁塞傳感器的基礎(chǔ)上對(duì)傳感器探頭進(jìn)行改進(jìn)，增加了燒蝕電路，可以半定量地實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性金屬磨粒的監(jiān)測(cè)?；驹淼刃D如圖5所示。

圖5 基本原理等效圖

傳感器探頭兩極等效于開關(guān)J1兩端。當(dāng)沒有金屬屑末搭在探頭兩極時(shí)等效于J1斷開，此時(shí)電源為電容C1進(jìn)行充電；設(shè)備正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的微小鐵磁性金屬屑末堆積到一定程度時(shí)，探頭兩極短路，相當(dāng)于J1閉合，此時(shí)電容C1將在微小鐵磁性金屬屑末堆積處放電，將金屬屑末擊飛，等效于J1斷開；此時(shí)大電容C1充電，準(zhǔn)備下一次燒蝕；大的鐵磁性金屬屑末搭載在探頭兩極時(shí)，等效于J1閉合，電容C1放電燒蝕大金屬屑末，但無法使電極斷開，燒蝕電路識(shí)別該信號(hào)，通過RS485總線將報(bào)警信號(hào)上傳給監(jiān)控終端，提示用戶異常狀態(tài)。

油液磨粒傳感器由鐵磁性探頭、快插自閉閥、燒蝕系統(tǒng)和通信電纜組成。燒蝕系統(tǒng)包括燒蝕電路以及單片機(jī)控制模塊兩部分組成。傳感器探頭旋入自閉閥中的部分主要由環(huán)狀永磁體和2個(gè)放電電極組成，信號(hào)調(diào)理電路安裝于傳感器探頭尾部，磨粒在線檢測(cè)傳感器外形如圖6所示。

圖6 磨粒傳感器結(jié)外形圖

2 滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

在船舶動(dòng)力系統(tǒng)其中的一個(gè)動(dòng)力單元，共計(jì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)處安裝了9臺(tái)油液在線檢測(cè)傳感器。其中在滑油總管處安裝了1臺(tái)如圖2所示的美國劍橋Viscopro2100型黏度傳感器，在3臺(tái)動(dòng)力設(shè)備回油管路處分別安裝了3臺(tái)如圖3所示的北控所研制的Csf-dr-1型水分傳感器，在滑油總管與動(dòng)力設(shè)備回油管路處分別安裝了5臺(tái)如圖6所示的北控所研制的Cxm-dd-1型磨粒傳感器。滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 油液黏度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

被測(cè)潤滑油為68號(hào)汽輪機(jī)油，溫度40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為68 mm2/s。通過動(dòng)力黏度與運(yùn)動(dòng)黏度關(guān)系換算，滑油40 ℃時(shí)的動(dòng)力黏度約為59.16 cP。潤滑油黏度隨著溫度的變化而變化，溫度升高，黏度值下降。經(jīng)過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，滑油溫度變化范圍為37.3～39.2 ℃，黏度變化范圍為60.9～67.9 cP，如圖8所示，滿足黏度與溫度的變化關(guān)系。

圖7 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖8 被測(cè)油液黏度與溫度曲線圖

3.2 油液水分檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)圖7中所有測(cè)點(diǎn)采集油樣，采用SPECTRO便攜式水分測(cè)試儀FluidScan Q1000測(cè)試，所有測(cè)點(diǎn)含水量均在500 ppm以下。通過潤滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)1、3、4、5的含水量均顯示0.05%。測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2的含水量變化曲線如圖9所示。

由于試驗(yàn)中所采用的水分在線檢測(cè)傳感器的量程為0.05%～10%，而實(shí)測(cè)含水量均在0.05%以下，故測(cè)點(diǎn)1、3、4、5的含水量顯示與實(shí)際情況相符。而測(cè)點(diǎn)2的含水量分布不穩(wěn)定，數(shù)值偏大，某些數(shù)值大于10%，與實(shí)際情況不符。通過分析可能由于探頭兩極間存在較多金屬顆粒，使得水分在線檢測(cè)傳感器探頭兩極出現(xiàn)了間歇性短路的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傳感器輸出不穩(wěn)定。設(shè)備停機(jī)期間拆卸測(cè)點(diǎn)2的水分在線檢測(cè)傳感器，發(fā)現(xiàn)探頭兩極間確有一段長度大約為3 mm金屬屑末。對(duì)傳感器探頭進(jìn)行清洗維護(hù)后，輸出正常，含水量一致輸出0.05%，且不隨溫度的變化而變化，如圖10所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2含水量變化曲線圖

圖10 測(cè)點(diǎn)2溫度與含水量變化曲線圖

3.3 油液磨粒檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

磨粒在線檢測(cè)傳感器的輸出值為磨粒增量，表示吸附的鐵磁性顆粒使得傳感器探頭電極短路的累加次數(shù)。吸附的鐵磁性顆粒越多，越容易導(dǎo)致探頭電極短路。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)1、2、4、5的磨粒增量為0，只有測(cè)點(diǎn)3的磨粒增量有變化，大約4 h增加4次，如圖11所示。通過對(duì)測(cè)點(diǎn)工況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)3的用油設(shè)備為減速齒輪裝置，相比其他用油設(shè)備，磨損要?jiǎng)×乙恍?，由于設(shè)備在運(yùn)行初期都會(huì)有段磨合期，該種磨損為正常磨損。潤滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)チz測(cè)結(jié)果與實(shí)際工況相符。

測(cè)點(diǎn)3的磨粒增量劇烈變化，大約11 min增加55次，與正常狀態(tài)下的磨粒增量變化有很大區(qū)別,如圖12所示。后經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況了解后得知，滑油泵電機(jī)出現(xiàn)鎖死故障，導(dǎo)致滑油泵刨軸，使得滑油管路中出現(xiàn)了大量的磨損顆粒。由此可見，對(duì)船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置潤滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以反應(yīng)用油設(shè)備的故障狀態(tài)。

圖11 正常狀態(tài)下的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3的磨粒增量變化曲線圖

圖12 異常狀態(tài)下的磨粒增量變化曲線圖

4 結(jié)束語

通過理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，論述了油液監(jiān)測(cè)技術(shù)在船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性和有效性。通過對(duì)滑油狀態(tài)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，可以提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的安全性和可靠性，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)或故障征兆，以便采取相應(yīng)的有效措施，排除故障隱患。

油液監(jiān)測(cè)在船用領(lǐng)域也需要大量的基礎(chǔ)工作，如通過長時(shí)間連續(xù)的含水量監(jiān)測(cè)獲得管道、閥門的泄露情況，通過長時(shí)間連續(xù)的金屬磨粒監(jiān)測(cè)獲得設(shè)備的磨損情況。主要是摸清不同故障模式下潤滑油性能和理化指標(biāo)與污染度狀況，經(jīng)過長期積累建立船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置滑油監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的確認(rèn)。經(jīng)過長時(shí)間理論與相關(guān)的船舶應(yīng)用的結(jié)合，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)定將在船舶動(dòng)力與傳動(dòng)裝置的狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步保障船舶動(dòng)力系統(tǒng)的安全。