加強(qiáng)監(jiān)測(cè)診斷,確保船用動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行安全

許 斌,遲立杰

(91315部隊(duì),遼寧大連 116041)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是指在船用動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行中或者基本不拆卸動(dòng)力設(shè)備的情況下,定期或者視情獲取船用動(dòng)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(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及故障的部位、原因,預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障。因此,設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù),在對(duì)船用動(dòng)力系統(tǒng)主要設(shè)備的保障中,將起著越來(lái)越重要的作用,做好設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)力系統(tǒng)主要包括設(shè)備潤(rùn)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(duì)各旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)分析技術(shù)和對(duì)各動(dòng)力系統(tǒng)潤(rùn)滑油、液壓油、燃油的油液分析技術(shù)兩個(gè)方面,來(lái)探討船用動(dòng)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(dòng)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(duì)船用動(dòng)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(cè)分析。油液的光譜和鐵譜分析技術(shù)更適用于開展船用動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)工作。一般的做法是先由它完成同一臺(tái)船用動(dòng)力系統(tǒng)的主要設(shè)備,在不同換油時(shí)間里大量油樣的磨粒濃度測(cè)定,建立監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線。一旦在以后的監(jiān)測(cè)過(guò)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(shí)別技術(shù),探明磨損機(jī)理,判斷動(dòng)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(cè)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(chǎng)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(lái),通過(guò)對(duì)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(cè),以判斷設(shè)備的磨損狀況和趨勢(shì),檢測(cè)設(shè)備狀態(tài),預(yù)測(cè)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(duì)油液進(jìn)行光譜分析,通過(guò)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(duì)比不同時(shí)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(cè)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(duì)某運(yùn)輸船柴油機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑油油樣采集,到 2008年 4月,該船柴油機(jī)在3年的時(shí)間里共工作約 5 860 h,我們采集到該船柴油機(jī)的在用潤(rùn)滑油油樣 57個(gè),共做了 57次光譜分析,表 1為該船柴油機(jī)潤(rùn)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(shì)。

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

我們又對(duì)這 3個(gè)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(gè)油樣中存在數(shù)量較多的大金屬磨粒,最大的磨粒為長(zhǎng)達(dá) 100μm非鐵磁性磨粒,而且磨粒表面有嚴(yán)重的滑動(dòng)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(gè)油樣直讀式鐵譜分析數(shù)據(jù)中可以看出:3個(gè)油樣中所含金屬磨損大磨粒 “DL” (大于5μm)、小磨粒 “DS” (1～2μm)、磨粒總數(shù) WPC=DL+DS、磨損嚴(yán)重度指數(shù) IS=(DL+DS)×(DL-DS),4個(gè)磨損指標(biāo)不但較高,而且都出現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)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(duì)柴油機(jī)進(jìn)行 W5級(jí)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(wèn)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(cè)診斷某船柴油機(jī)潤(rùn)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(duì)設(shè)備的一次取樣雖不能判斷其將來(lái)的磨損發(fā)展趨勢(shì),但是如果一次油樣中某種金屬元素的濃度絕對(duì)值較大,就可以初步確定設(shè)備存在故障隱患。如:在一次對(duì)某運(yùn)輸船柴油機(jī)進(jìn)行滑油光譜檢測(cè)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(rùn)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(duì)該油樣做了水分含量檢測(cè),其油樣的水分含量為 3.603 8%,嚴(yán)重超出潤(rùn)滑油正常水分含量不超過(guò) 0.3%的標(biāo)準(zhǔn),驗(yàn)證了柴油機(jī)潤(rùn)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(rùn)滑油系統(tǒng)中。

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

對(duì)潤(rùn)滑油的理化指標(biāo)檢測(cè)分析,主要是保證輪船在用潤(rùn)滑油的油質(zhì),并通過(guò)潤(rùn)滑油指標(biāo)綜合檢測(cè)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(rùn)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(cè),從分析結(jié)果得知該船柴油機(jī)循環(huán)油柜潤(rùn)滑油的 40℃粘度為 10.03×10-6m2/s,閃點(diǎn)為 218℃,而在用潤(rùn)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(duì)比在用油的檢測(cè)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(rùn)滑油的 40℃粘度低于新油(24～31)×10-6m2/s左右,在用潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)低于新油的閃點(diǎn) 7℃左右,說(shuō)明該船柴油機(jī)循環(huán)油柜中的潤(rùn)滑油遭到了嚴(yán)重的燃料稀釋,也就是說(shuō)柴油機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)中進(jìn)入了柴油,導(dǎo)致油柜中的潤(rùn)滑油失去潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油粘度下降,致使柴油機(jī)第 4、5、6道軸承潤(rùn)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(cè)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(cè)工作的關(guān)鍵,由于油樣采集不當(dāng),造成了油液監(jiān)測(cè)中的不確定數(shù)據(jù),對(duì)于這些數(shù)據(jù)應(yīng)該進(jìn)行重新采樣重新監(jiān)測(cè),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(gè)設(shè)備的潤(rùn)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(guò)濾器之前,避免油樣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾,更不能將取樣點(diǎn)選擇在潤(rùn)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(gè)油樣公用一個(gè)取油管、取油瓶,使用不干凈的器皿存裝油樣,傳送油樣過(guò)程中,沒有密封儲(chǔ)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(dòng)力設(shè)備滾動(dòng)軸承運(yùn)行安全中的應(yīng)用

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

2.1 沖擊脈沖法的基本原理

滾動(dòng)軸承中有缺陷時(shí),如有疲勞剝落、裂紋、磨損和混有雜物時(shí),滾動(dòng)體與內(nèi)外環(huán)的不規(guī)則面相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)引起脈沖性振動(dòng),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(dòng)。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(gè)原理。船用的主要?jiǎng)恿υO(shè)備中,處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的滾動(dòng)軸承,承受著轉(zhuǎn)子的動(dòng)、靜負(fù)荷,工況比較復(fù)雜。因此,對(duì)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(shí)都能夠在軸承振動(dòng)信號(hào)中反映出來(lái),滾動(dòng)體的沖擊會(huì)產(chǎn)生寬帶高頻沖擊脈沖振動(dòng),沖擊脈沖形成壓縮波在金屬內(nèi)傳遞給軸承座,在對(duì)軸承檢測(cè)時(shí)通過(guò)儀器傳感器采集振動(dòng)信號(hào),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(cè)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(duì)輸出信號(hào)的處理與其它振動(dòng)法有一定的區(qū)別。它對(duì)信號(hào)不作寬測(cè)量,而只是在傳感器的固有頻率上測(cè)量,軸承的沖擊振動(dòng)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(gè)振動(dòng)的幅度與軸承的故障嚴(yán)重程度成正比。軸承故障檢測(cè)儀測(cè)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(guò)反映沖擊脈沖的高頻部分。其高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)可調(diào)衰減器和放大器,再經(jīng)過(guò)保絡(luò)減波得到解調(diào)后的信號(hào),由電壓比較器與預(yù)先設(shè)定的電壓作比較,當(dāng)超過(guò)此電壓時(shí),就使多諧振蕩器產(chǎn)生 1.5 kHz的高頻信號(hào),顯示出相應(yīng)的沖擊脈沖值。通過(guò)軸承故障檢測(cè)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(hào)的滾動(dòng)軸承,只要測(cè)定地毯值 dBc和標(biāo)準(zhǔn)沖擊水平值 dBn兩個(gè)值,就可以判斷被測(cè)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(cè)量點(diǎn)。為了準(zhǔn)確判斷軸承狀態(tài),必須采集可靠的信號(hào),因此,在選擇軸承測(cè)點(diǎn)時(shí),應(yīng)該遵循:測(cè)點(diǎn)選在軸承的承載區(qū),傳感器對(duì)著軸的轉(zhuǎn)向位置。軸承故障檢測(cè)儀的傳感器在軸承座選擇測(cè)點(diǎn)不同,其檢測(cè)的靈敏度相差很大;在軸承與測(cè)量點(diǎn)之間的信號(hào)傳遞路徑應(yīng)盡可能地選擇直線最短路徑,測(cè)點(diǎn)與軸承外圈的距離盡可能要短,一般不應(yīng)超過(guò) 75 mm;信號(hào)的傳播路徑只應(yīng)包括唯一一個(gè)接觸面,即軸承和軸承座之間的接觸面。由于軸承沖擊振動(dòng)的頻率很高,振動(dòng)信號(hào)每通過(guò)一次零件界面,其能量損失達(dá) 80%,測(cè)點(diǎn)與軸承外圈之間信號(hào)傳遞過(guò)程中通過(guò)的界面越多,信號(hào)衰減和失真越嚴(yán)重,因此在信號(hào)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(cè)點(diǎn)有良好的接觸。首先,傳感器探頭的球面半徑要小于測(cè)點(diǎn)所在設(shè)備的曲率半徑。其次,測(cè)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(cè)試的設(shè)備工況、測(cè)點(diǎn)位置、儀器都應(yīng)相同,以保證測(cè)試的真實(shí)性和可比性。

2)測(cè)試條件。測(cè)試條件:對(duì)滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)診斷是一項(xiàng)長(zhǎng)期且周期性較強(qiáng)的工作,被測(cè)設(shè)備需要在載荷工況下運(yùn)行,而且每次測(cè)試設(shè)備工況、測(cè)點(diǎn)位置、儀器都應(yīng)相同;軸承以外其它振動(dòng)構(gòu)成軸承振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的干擾源,是實(shí)施沖擊脈沖法診斷的最大障礙,因此要識(shí)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(shí)也表示了損傷的嚴(yán)重程度。目前的沖擊脈沖測(cè)試儀器已經(jīng)對(duì)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(wú)關(guān),僅與軸承狀態(tài)有關(guān)。使用軸承故障檢測(cè)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(shí),軸承狀態(tài)良好;當(dāng) dBc＜dBn≤35 dB時(shí),軸承存在劣化傾向,處于早期損傷;當(dāng)dBn＞50 dB時(shí),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(shí),軸承潤(rùn)滑不良。

2.3 滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例

2008年,我們對(duì)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(cè),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(duì)其跟蹤監(jiān)測(cè) 8次,監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果可知,該泵軸承脈沖峰值和地毯值的變化趨勢(shì),2008年 1月 31日監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)的脈沖峰值和地毯值分別為 43 dB和 32 dB,從跟蹤監(jiān)測(cè)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(duì)該泵軸承十分嚴(yán)重的劣化趨勢(shì),2008年 9月中旬我們建議運(yùn)輸公司對(duì)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(shí)地更換了新的軸承。我們對(duì)該泵新?lián)Q的軸承繼續(xù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),從表 3的監(jiān)測(cè)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(shì),2008年 12月 8日監(jiān)測(cè)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(yǔ)

船用動(dòng)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(dòng)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(cè)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(cè)與故障診斷的專業(yè)技術(shù)人員,應(yīng)該爭(zhēng)取領(lǐng)導(dǎo)的大力支持,視情配置功能齊全的精密監(jiān)測(cè)診斷儀器或系統(tǒng),以堅(jiān)韌不拔的毅力,不辭勞苦地去實(shí)踐,將監(jiān)測(cè)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(lái),確保船用動(dòng)力的運(yùn)行安全。