直讀鐵譜在艦船機械狀態監測上的應用

杜柱石，何 雷

（海軍91202 部隊，遼寧 葫蘆島 125004）

現代艦船種類型號多樣，艦船上需要使用潤滑油的機械設備更是多種多樣，包括主機、副機、齒輪箱等設備，在這些艦船機械發生的故障類型里，磨損類故障占機械設備總故障率的60%～70%。因此，利用潤滑油分析技術對磨損類故障診斷，是非常有效的手段。

鐵譜技術是利用高梯度的強磁場，將機械潤滑油中所含的產生于磨損或其他的機理磨粒，按其粒度大小依序分離出來，并通過對磨粒的形貌、大小、成分以及粒度分布等，進行定性和定量觀測，獲得有關摩擦副和潤滑系統工作狀態的重要信息。直讀式鐵譜儀主要用來進行定量分析，即監測油液中的粒度分布情況，進而得出油液的污染度和機械的磨損度。通過對分析油樣的快速測試和定量數據的趨勢評估，回答設備“是否有問題”。

鐵譜技術可分析潤滑油中所含鐵磁性金屬磨損顆粒，其中分析鐵譜可進行定性分析，直讀鐵譜可進行定量分析。通過對磨粒的定性、定量分析，可達到監測機械設備用油部位磨損狀態及故障診斷的目的。直讀鐵譜儀操作迅速、簡便，且價格低廉，可應用于油潤滑的機器中，作為防止零件失效的判斷（預測）方法，它對于零件磨損加劇的征兆—磨屑濃度和尺寸分布的變化是很敏感的，特別是針對艦船的傳動系統、液壓系統的軸承等易磨損部位。

本文采用ZTP-X2 型直讀鐵譜儀，對某型船用齒輪箱在用潤滑油進行了跟蹤監測。

1 直讀鐵譜儀分析方法

直讀鐵譜儀能夠定量地分析油樣中大小磨粒的濃度，是一種定量分析的鐵譜儀，具有結構簡單、制譜與讀譜合二為一、分析過程簡便迅速并且價格便宜的優點。

1.1 常用定量分析判據

直讀鐵譜儀以DL和DS為基本定量分析參數，即每mL 分析油液中，存在的磨粒相對含量百分數，單位為%/mL，其中DL表征大磨粒（＞5 μm），DS表征小磨粒（1～2 μm）。

DL和DS可以粗線條地表征油樣中磨粒的粒度分布特點，但如果要全面、靈敏地反映油樣中磨粒量的變化，還需要其他定量分析判據。

（1）LPC 為磨損烈度。定義：LPC=DL- DS，為大、小磨粒讀數之差。其含義為在總磨損量中，嚴重磨損的大顆粒所占比重的大小。它是不正常磨損的一個重要標志，對大磨粒的變化比較敏感。

（2）IS為磨損烈度指數。定義：IS= DL×（DL-DS），它同時敏感于油樣中的磨?？偭亢痛竽チ５臐舛?，綜合地反映了磨損速率和磨損量。

（3）WPC 為磨粒濃度。定義：WPC=（DL+DS）/N，N 為分析油樣的體積分數稀釋度，常用于需要經常調整油樣量或磨粒濃度需要稀釋的場合。

（4）PLP 為大磨粒百分數。定義：PLP= [(DL–DS)/（DL+DS）]×100%，PLP 主要反映大磨粒量占總量的份額，對于機器的嚴重磨損十分敏感。

（5）∑（DL+DS）和∑（DL - DS）為磨粒濃度和磨損烈度累加值。

這是兩個同時使用的判據。在穩定的正常磨損階段，兩指標在對時間的曲線圖上，都應是斜率不變、平行走向的直線。一旦斜率陡增，而且突然相互靠攏，則表明出現異常磨損。

選擇哪一項指標作為定量分析的判據，要根據應用場合的具體情況而定，并非越復雜越好。對于粒度分布差異較小的船用機械設備油樣，因為DL與DS值十分接近，為了提高判據的靈敏度，就可以選擇IS（磨損烈度指數）判據，IS同時敏感于油樣中的磨?？偭亢痛竽チ５臐舛龋C合反映磨損速率和磨損量，比較適用分析磨粒濃度值偏小的潤滑油。

1.2 磨損定量趨勢分析

設備在運轉期內，其磨損過程分為3個階段：磨合階段、正常磨損階段和急劇磨損階段。

設備工作狀態正常時，鐵譜定量分析判據隨著時間的變化趨勢平緩，通過對大量的樣本測試數據求平均值，可以得出設備運轉正常的磨損基線值，從而定出3 條控制線，以便從時間上把握設備的工況和磨損狀態，3 條控制線包括：基準線、警告線和危險線，如圖1 所示。

圖1 三線值法示意圖

1.3 控制線數值的計算方法

3 條控制線數值計算方法如下：

（1）基準值Vb。Vb=0.8（D+2 S），式中，D 為“正常”樣本{Di }(i =1，2，…，n)的數學期望值，即算術平均值。

（2）警告值VW。VW=D+S2。以樣本{Di}的統計量標準方差S2作為隨機方差б2的估計量，其中，S即樣本標準差。

（3）危險值Vc。Vc=D+3S。

1.4 判斷結論

在建立3個閾值之后，對于一個己測出直讀數DL和DS，并計算出IS值的油樣，在判斷其是否正常時，按以下幾種情況，分別得出各自的結論：

（1）當監測的特征參數IS＜Vb時，磨損狀態處于正常區域，設備能夠安全可靠地工作；

（2）當Vb＜IS＜VW時，是發展為異常磨損的前兆，有必要引起注意，應加強對設備的監測，一旦發現問題可及早處理；

（3）當VW＜IS＜Vc 時，磨損狀態處于警告區域，此時設備的磨損處于異常狀態。由異常磨損達到失效需要經歷一個過程，在這一過程中磨粒的IS值將以較快速率增大，雖然發生了不正常磨損，但還不至于立即發生故障失效，因此，稱VW為警告線，可據此立即采取措施，避免狀況的惡化；

（4）當監測的特征參數IS＞Vc 時，磨損狀態處于危險區域，磨損量的增長速度很高，機械將發生故障失效。

實際操作時，如果有了基線，就可以將某一次檢測值與3 條線相比較，判斷出這臺設備的狀態優劣。

2 監測控制線的建立

2.1 分析參數的測定

以從現場取得的一批某船齒輪箱潤滑油作為測定對象，利用ZTP-X2 型直讀鐵譜儀測定DL和Ds值，然后計算出IS，測定和計算值見表1 所示(由于數據量過大，只列出部分數據)。

表1 某船齒輪箱潤滑油直讀鐵譜試驗數據

2.2 控制線的建立

對表1 中所得試驗數據，可得IS的標準差S 為2.28，按前述公式計算可得

Vb=6.26，VW=7.83，Vc=10.11。

綜上所述，得出該齒輪箱直讀鐵譜監測數據預測方法，見表2 所列。

表2 某齒輪箱直讀鐵譜監測數據預測方法

3 監測實例

為檢驗直讀鐵譜控制線的實效性,繼續監測該設備10個油樣,監測數據如表3 所示。

表3 某齒輪箱潤滑油直讀鐵譜監測數據

如表3 所列，該齒輪箱累計工作188 h 時，潤滑油直讀鐵譜監測特征參數

Is（14.75）＞Vc（10.11）。

表明該齒輪箱油潤部件磨損狀態處于危險區域，并且磨損量的增長速度很高，機械可能將發生故障。

經對潤滑系統檢查發現，油箱油量正常；潤滑油中有金屬屑，磁塞有較多金屬屑，潤滑油濾上有較多金屬屑，最大一塊為2 mm×3 mm 薄片，多為屑末狀；轉子前部，有異常磨損噪聲。

進一步檢查發現，存在軸承破損，金屬屑隨潤滑油流動，大量金屬屑將油濾堵住，安全活門打開，沒有經過油濾的潤滑油直接進入主機和外置機匣。

4 結束語

對于船用機械磨損狀態潤滑油監測而言，直讀鐵譜監測特征參數Is 的選擇是合理準確的，由于發現及時，從而避免了一起事故。

該設備潤滑系統經更換部件、整體清洗換油后，Is 值恢復為基準值Vb以下，說明該設備油潤部件處于正常磨損狀態，該設備實際運行過程中，也未出現異常狀況，保證了安全。