船舶機械設備狀態監測及標準應用探討

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．船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武 漢 4 30063；3．長江武漢航道局，湖北 武 漢 4 30010）

現代船舶機械日趨高性能化和結構復雜化，人員配備趨于減少，加之世界范圍的能源緊張，船舶機械設備的監測和維護便成為營運船舶技術管理的重要內容。及時、準確和動態地掌握船舶機械的運行狀態和預測潛在故障，已成為船舶技術管理追求的目標，這促使現代船舶機械設備狀態監測及標準的不斷更新和發展。據有關資料統計，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監測技術的研究，動態地獲取船舶機械設備的各種信息，分析其運行狀態、診斷潛在故障并預測發展趨勢。

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、結構復雜，且船舶機械工作環境和工作狀態大都比較惡劣，這就要求船舶機械設備具有較高的可靠性。伴隨科學技術發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%；燃油噴射系統故障36例，占19.1%；增壓器故障28例；啟動和換向系統故障28例；調速器故障10例。在電站故障中，發電柴油機故障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，潤滑系統故障29例，冷卻系統故障28例，燃油系統故障9例，壓縮空氣和進化系統故障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、轉子失衡、漏油漏水漏氣等泄漏、堵塞和臟堵、劣質燃油等造成。可見，在船舶機艙設備中主機系統是故障發生率最高的部位，據統計，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監測技術可以有效防止故障的發生，確保安全。

二、船舶機械設備的監測與診斷方法

采用狀態監測技術可以及早發現故障征兆，進行視情維修，不僅可以防止突發事故，保障船舶安全，而且可以減少維修費用，提高設備利用率，并帶來巨大的經濟效益和社會效益。船舶設備監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、轉速、滑油溫度、冷卻水進出口溫度及排放等熱力參數的變化來實現其工作狀態的判斷和故障預測。該方法是目前船舶機械狀態監測診斷中應用最廣最成熟的方法，且該方法易實現在線實時監測，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生的振動信號，經測試、數據分析及處理來掌握內部零部件的狀態并進行故障趨勢分析和診斷。其方法具有診斷速度快、準確率高和能夠實現在線診斷的特點，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測診斷。

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

（2）氣閥漏氣故障的振動監測。根據汽缸蓋振動響應的時域波形圖和氣閥定時規律和上止點信號，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。可以從汽缸蓋表面振動響應的功率譜判別氣閥漏氣狀態。

（3）柴油機主軸承磨損故障的振動監測。可以對振動信號經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。

3.油液分析法

油液分析法監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、油質的變化、含鐵量的變化，來實現對設備整體磨損狀態的分析，進而來判斷設備的磨損狀態及故障狀態。目前已構成鐵譜分析、光譜分析、理化試驗、污染度分析等油液監測方法，并形成了在線、離線和在線離線相結合的模式。為了推動油液監測技術在船舶機械中的應用，中國船級社先后編寫了《螺旋槳軸狀態監控系統指南》和《柴油機滑油狀態監控系統指南》等指導性文件。詳細規定了采用油液分析方法監測螺旋槳軸、柴油機狀態的具體要求。

4.綜合分析法

該方法是指將熱力參數分析法、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分析，來確定設備狀態和判斷預測故障，從而有效地提高監測與診斷的準確性的方法。該方法也是當前各國科研機構和企業研究的難點和熱點。

總之各種狀態監測技術和診斷方法得到了快速發展和推廣應用，各船級社相繼開展了與狀態監測技術有關的規范研究。現已形成螺旋槳軸狀態監控系統指南 (SCM)、柴油機滑油狀態監控系統指南、船舶機械計劃保養系統檢驗指南 (PMS)等規范。

三、船舶維修保養體系

船舶維修保養體系（CWBT）是將傳統的船舶設備管理和國際上插卡式船舶設備管理相結合，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監測技術各種標準制定的重要基礎和內容組成部分，是實現各種狀態監測技術數據標準化的基礎，是數據交流和融合的平臺。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、信息管理系統及計算機的應用等進行了規定，形成了系列標準。這些都為狀態監測技術所獲取的數據格式的標準化存儲和數據之間的關聯性奠定了基礎條件。目前船舶維修保養體系雖已在船舶領域得到推廣和應用，但編碼體系未得到充分應用發揮。

四、液壓油污染度控制標準

油液分析技術作為機械設備狀態監測和故障診斷的一項主要技術被廣泛應用在船舶機械設備中，實施液壓系統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，一直受到國內外有關工業部門的高度重視。伴隨油液監測技術的快速發展和廣泛推廣應用，作為油液污染分析技術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組織和標準化機構都成立了污染控制技術委員會，負責液壓污染控制技術的推廣、應用及有關標準和規范的制定和實施。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，我國現行的污染度標準即等效采用此標準。ISO4406：1999規定，顆粒計數儀采用≥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和組織，并且與國際標準化組織相應技術委員會聯系開展工作，結合我國各工業部門的需要，也制訂了有關液壓污染控制的行業標準，主要是應用在航空液壓系統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。目前國內船舶行業尚未制定相應的污染度控制標準。

五、結束語

針對船舶機械設備故障特點和故障類型，為適應現代化智能化船舶發展的需要，要大力推廣狀態監測技術和故障診斷技術的應用，加緊制定相關的規范標準，推進狀態監測技術的快速發展。

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

第二，開展CWBT體系的推廣和應用，建立各種狀態監測技術資料和數據應在同一編碼體系下存儲和傳遞的機制，更大限度地便于數據的傳遞和對比。

第三，加強船舶機械狀態監測技術標準體系的建立，盡快形成各種監測技術的數據采集、傳遞和存儲標準，推進狀態監測技術又好又快發展。

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