油液分析技術(shù)在船用設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷中的應(yīng)用

陳賢沖，許 斌，婁 飛，周榮源

(1.92337部隊(duì)，遼寧大連 116023;2.91315部隊(duì)，遼寧大連 116041)

船用設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是指采用油液分析、振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。潤(rùn)滑油在設(shè)備各摩擦副間形成了10 μm厚的油膜，不僅保證設(shè)備順暢運(yùn)轉(zhuǎn)，也決定了設(shè)備壽命和可靠性。設(shè)備摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量金屬磨損顆粒，以不相容的分散形式懸浮于潤(rùn)滑油中，加之外界進(jìn)入的粉塵等也懸浮于潤(rùn)滑油中，這些磨損顆粒和污染顆粒攜帶了有關(guān)摩擦副運(yùn)行特征的大量信息，通過(guò)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑油中各種微粒的測(cè)試分析，我們能了解設(shè)備的潤(rùn)滑與磨損情況，并能評(píng)估船用設(shè)備的運(yùn)行狀況。

1 油液分析技術(shù)的主要監(jiān)測(cè)設(shè)備、作用及工作原理

1.1 主要監(jiān)測(cè)設(shè)備

油液分析技術(shù)主要監(jiān)測(cè)設(shè)備有:原子發(fā)射光譜儀、傅里葉紅外光譜儀、分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、顆粒計(jì)數(shù)儀、簡(jiǎn)易油質(zhì)分析儀、運(yùn)動(dòng)粘度分析儀、水分檢測(cè)儀、閃點(diǎn)分析儀和燃點(diǎn)分析儀等。

1.2 油液分析儀的主要作用

原子發(fā)射光譜儀可以有效的測(cè)定潤(rùn)滑系統(tǒng)中潤(rùn)滑油所含磨損顆粒的成分及含量［1］，也可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中添加劑狀況以及監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油污染程度和衰變過(guò)程;分析式鐵譜儀可以獲得磨損顆粒的數(shù)量、尺寸、形態(tài)、形貌和成分等信息，根據(jù)這些信息能夠全面地評(píng)價(jià)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的磨損形式、磨損程度和磨損部位;傅里葉紅外光譜儀既能分析出油液中積碳、氧化物、硝化物、硫化物、含水量、乙二醇和燃油稀釋等圖譜，又可以根據(jù)圖譜預(yù)測(cè)油液所具備的潛力，來(lái)判斷是否需要換油;顆粒計(jì)數(shù)儀檢測(cè)在用油液的污染度;水分儀檢測(cè)在用油液的含水量;閃點(diǎn)分析儀檢測(cè)在用油液的閃點(diǎn);燃點(diǎn)分析儀檢測(cè)在用油液的燃點(diǎn);運(yùn)動(dòng)粘度儀檢測(cè)油液在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度值。

1.3 原子發(fā)射光譜儀原理

在原子與外界沒有能量交換的情況下，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)原子受到外界能量的激發(fā)時(shí)，其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)就發(fā)生變化，發(fā)生能量輻射或能量吸收的宏觀表現(xiàn)。當(dāng)有外來(lái)能量加到原子上時(shí)，較低能量級(jí)軌道上的電子會(huì)吸收能量，躍遷至高能量級(jí)的軌道上去。此時(shí)原子的能量狀態(tài)極不穩(wěn)定，電子釋放所吸收的能量并返回基態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)以發(fā)射光譜的形式把它吸收的能量再輻射出去，即發(fā)光。發(fā)射光譜利用每個(gè)元素發(fā)出特有波長(zhǎng)的光或顏色，來(lái)分辬不同的元素。發(fā)射光譜線的亮度與對(duì)應(yīng)的元素在油樣中的數(shù)量成正比，這樣可以確定元素的濃度。如果在樣品中存在不止一種元素，則對(duì)應(yīng)每個(gè)元素將分別會(huì)出現(xiàn)明顯不同波長(zhǎng)的光譜線。為了辨別和定量分析在樣品中出現(xiàn)的元素，必須分開這些譜線。通常在許多可能的選擇中只有一條光譜線被選來(lái)決定某一元素的濃度。被選譜線一般亮度較大，并能免受其它元素光譜線的干擾。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要一套光學(xué)系統(tǒng)。所有的發(fā)射光譜儀都由激發(fā)源、光學(xué)系統(tǒng)、讀出系統(tǒng)3個(gè)主要部分組成。激發(fā)源供給樣品能量，光學(xué)系統(tǒng)將激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)射光區(qū)分為各個(gè)波長(zhǎng)，讀出系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)定由光學(xué)系統(tǒng)區(qū)分的各元素波長(zhǎng)的強(qiáng)度并用一適當(dāng)方式將此信息顯示給操作員。

1.4 鐵譜儀原理

鐵譜技術(shù)是利用高梯度的強(qiáng)磁場(chǎng)將潤(rùn)滑油中所含的磨粒按其粒度大小依序分離出來(lái)，并通過(guò)對(duì)磨粒的形貌、大小、成分以及粒度分布等定性和定量觀測(cè)，獲得有關(guān)摩擦副和潤(rùn)滑系統(tǒng)等工作狀態(tài)的重要信息。我們主要使用分析式鐵譜儀和直讀式鐵譜儀進(jìn)行分析，分析式鐵譜儀，主要根據(jù)機(jī)械設(shè)備磨損顆粒形貌和顏色，可以識(shí)別正常磨損顆粒、切削磨損顆粒、疲勞顆粒、片狀顆粒、球狀顆粒、腐蝕顆粒、暗金屬氧化物、紅色氧化物、非鐵磁性金屬、非金屬無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、非金屬晶體、摩擦聚合物、纖維等。直讀式鐵譜儀，分別分析油液中大顆粒含量和小顆粒含量以及機(jī)械設(shè)備磨損程度。通常直讀鐵譜儀和分析式鐵譜儀系統(tǒng)聯(lián)合使用，直讀式鐵譜儀通過(guò)對(duì)分析油樣的快速測(cè)試和定量數(shù)據(jù)的趨勢(shì)評(píng)估，回答設(shè)備“是否有問(wèn)題”，而分析式鐵譜儀通過(guò)直讀式鐵譜儀確定有問(wèn)題的油樣進(jìn)行磨粒的分離和觀測(cè)，回答“是什么問(wèn)題”和“在何處發(fā)生了問(wèn)題”［2］。兩種儀器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，組成完整的鐵譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析式鐵譜儀原理如圖1所示。

圖1 分析式鐵譜儀原理示意圖

2 油液監(jiān)測(cè)診斷的實(shí)際應(yīng)用

2.1 高速柴油機(jī)嚴(yán)重?zé)龘p事故

某船主機(jī)是TBD234V8型高速柴油機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速范圍是1 500～2 300 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 300 r/min，潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑油的最高溫度為120℃，潤(rùn)滑油使用品牌要求是CD40潤(rùn)滑油。主柴油機(jī)在不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高到2 100 r/min時(shí)，柴油機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重拉缸、主軸瓦燒毀、連桿瓦燒毀、主軸承嚴(yán)重拉傷等重大事故。事故發(fā)生后經(jīng)過(guò)對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)在用潤(rùn)滑油的粘度進(jìn)行分析得知，故障的主要原因是使用管理人員選擇使用潤(rùn)滑油品牌出現(xiàn)錯(cuò)誤而造成的。表1是模擬故障發(fā)生過(guò)程中，柴油機(jī)不斷提速，潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的溫度不斷上升，監(jiān)測(cè)出不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的不同溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度值，并參考2005年《石油產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編》中的CC30和CD40兩種潤(rùn)滑油在不同溫度下各自的界限值，得出在用潤(rùn)滑油在不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的不同溫度下的潤(rùn)滑結(jié)論。

從表1知，通過(guò)對(duì)在用潤(rùn)滑油在不同工況下運(yùn)動(dòng)粘度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、CC30潤(rùn)滑油在不同溫度下運(yùn)動(dòng)粘度的界限值、CD40潤(rùn)滑油在不同溫度下運(yùn)動(dòng)粘度的界限值3者之間進(jìn)行比較可以看出，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min以前，即進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速之前，柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果是良好的，其運(yùn)動(dòng)粘度分別是:38.7 mm2/s、22.9 mm2/s、18.6 mm2/s，運(yùn)動(dòng)粘度值符合CC30、CD40潤(rùn)滑油界限值范圍，證明該柴油機(jī)在達(dá)到1500r/min額定轉(zhuǎn)速以前的低速運(yùn)行是正常的。但是，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1 700 r/min、1 900 r/min時(shí)，其運(yùn)動(dòng)粘度分別是:14.1 mm2/s、11.3 mm2/s，這2個(gè)運(yùn)動(dòng)粘度值只符合CC30潤(rùn)滑油界限值范圍，略低于CD40潤(rùn)滑油界限值范圍，此時(shí)，柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油已經(jīng)出現(xiàn)了潤(rùn)滑效果不良的跡象。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高到2 100 r/min時(shí)，其運(yùn)動(dòng)粘度是7.4 mm2/s，符合CC30潤(rùn)滑油界限值范圍，明顯低于CD40潤(rùn)滑油界限值范圍。因此，可以判斷使用管理人員錯(cuò)誤地選擇了CC30潤(rùn)滑油，而不是按要求選擇CD40潤(rùn)滑油。這樣，當(dāng)柴油機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，因潤(rùn)滑嚴(yán)重不良而造成了柴油機(jī)燒毀的重大事故。

表1 TBD234V8型高速柴油機(jī)不同工況下潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 某船水泵軸承嚴(yán)重磨損事故

某船水泵在正常工作過(guò)程中突然出現(xiàn)了周期性的異常響聲，船員停機(jī)后，立即報(bào)給公司的質(zhì)量監(jiān)測(cè)保障部門，監(jiān)測(cè)保障人員上船后采集水泵軸承在用潤(rùn)滑油油樣后，進(jìn)行了油樣理化指標(biāo)化驗(yàn)，得知油樣的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)粘度、含水量、污染度等理化指標(biāo)均正常，后來(lái)又采用光譜分析技術(shù)和鐵譜分析技術(shù)對(duì)水泵軸承在用潤(rùn)滑油進(jìn)行光譜、鐵譜分析，其分析過(guò)程與得出的結(jié)論如下。

1)原子發(fā)射光譜分析。監(jiān)測(cè)保障人員對(duì)采集到的水泵軸承在用潤(rùn)滑油的每個(gè)油樣分別做了3次原子發(fā)射光譜分析，同時(shí)，對(duì)在用油的新油也做了一次原子發(fā)射光譜分析。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于監(jiān)測(cè)人員對(duì)該船水泵軸承進(jìn)行了周期性監(jiān)測(cè)，并建立了監(jiān)測(cè)檔案，從該軸承原子發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)檔案中可查知，該軸承油樣光譜分析Fe、Cr元素濃度上限值分別為 35 μg/ml、0.6 μg/ml。由光譜分析結(jié)果可知，新油油樣中各元素濃度值都很低，而在用潤(rùn)滑油油樣中的Fe和Cr元素濃度值含量較高，3次監(jiān)測(cè)平均值分別為359 μg/ml、2.1 μg/ml，說(shuō)明該水泵軸承滾動(dòng)元件 (其材料都是高鉻軸承鋼)發(fā)生嚴(yán)重磨損。

2)分析式鐵譜分析。監(jiān)測(cè)保障人員利用分析式鐵譜儀，對(duì)采集到的在用油油樣和新油油樣分別制備了鐵譜譜片，其中給在用潤(rùn)滑油油樣制備了2張鐵譜譜片，給新油油樣制備了1張鐵譜譜片，用鐵譜顯微鏡觀察分析在用油和新油鐵譜譜片上磨粒的形態(tài)、尺寸、紋理和色澤等。具體在鐵譜顯微鏡下觀察到的圖像可見圖2和圖3所示。

圖2 在用油鐵譜分析譜片

圖3 新油鐵譜分析譜片

圖2為軸承在用油油樣譜片上的切削磨粒(放大倍數(shù)為500倍)，譜片已經(jīng)過(guò)加熱處理，切削磨粒呈藍(lán)色，表明它的材料是軸承鋼;圖3為未使用過(guò)的新潤(rùn)滑油油樣的微粒照片 (放大倍數(shù)為100倍)，由圖3可見該油樣中只有很少微粒，并且都不是金屬磨粒。判斷水泵在工作過(guò)程中突然出現(xiàn)了周期性的異常響聲的原因是軸承滾動(dòng)元件發(fā)生嚴(yán)重磨損。后來(lái)經(jīng)過(guò)維修部門拆卸維修，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)保障人員的監(jiān)測(cè)診斷結(jié)論。

2.3 某船管路嚴(yán)重腐蝕的故障隱患

在對(duì)某船主要機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)保障過(guò)程中，利用原子發(fā)射光譜儀和水分儀通過(guò)定期檢測(cè)全船的在用潤(rùn)滑油，并根據(jù)潤(rùn)滑油的水分含量和金屬磨粒含量變化情況，分析判斷因管路腐蝕嚴(yán)重引起的潤(rùn)滑系統(tǒng)泄漏隱患。在一次檢測(cè)中，我們分別采集到該船主柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的油底殼前、油底殼后、滑油循環(huán)油柜3個(gè)部位潤(rùn)滑油油樣，我們對(duì)油樣分別進(jìn)行水分檢測(cè)和原子發(fā)射光譜分析，水分檢測(cè)結(jié)果分別是3.843 6%、3.757 9%、5.688 9%;原子發(fā)射光譜分析中鈉、鎂元素含量分別為:主柴油機(jī)油底殼前部油樣的鈉、鎂元素含量分別為554 μg/g、85.2 μg/g;主柴油機(jī)油底殼后部油樣的鈉、鎂元素含量分別為519 μg/g、77.1 μg/g;主柴油機(jī)滑油循環(huán)油柜油樣的鈉、鎂元素含量分別為603 μg/g、85.0 μg/g。結(jié)合以上分析結(jié)果，初步判斷該船主柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中進(jìn)入海水。經(jīng)修理工廠拆檢得知，該船主柴油機(jī)海水冷卻系統(tǒng)的冷卻器因冷卻管路腐蝕嚴(yán)重而發(fā)生泄漏，海水冷卻系統(tǒng)的海水進(jìn)入到主柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)之中，導(dǎo)致主柴油機(jī)產(chǎn)生異常磨損，后經(jīng)工廠維修工人精心維修，及時(shí)消除了主柴油機(jī)異常磨損的隱患。之后，我們對(duì)主柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑油進(jìn)行了油樣采集，監(jiān)測(cè)結(jié)果是其水分含量為0.164 5%，達(dá)到了不超過(guò)0.3%標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)油樣進(jìn)行原子發(fā)射光譜分析，油樣中的鈉、鎂元素含量分別為 31.3 μg/g、10.4 μg/g，符合潤(rùn)滑油中鈉、鎂元素含量要求標(biāo)準(zhǔn)。

3 油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1)研究機(jī)器潤(rùn)滑系統(tǒng)中磨粒濃度的適用數(shù)學(xué)模型。這里包括磨粒生成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)軌跡、工況變化時(shí)磨粒生成與損耗的動(dòng)態(tài)過(guò)程等。

2)研究多傳感器信息融合技術(shù)在各油液監(jiān)測(cè)方法之間和油液監(jiān)測(cè)方法與監(jiān)測(cè)方法 (如振動(dòng)、溫度、性能參數(shù)等)之間的應(yīng)用與發(fā)展，以提高油液監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。

3)研發(fā)磨粒自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。努力將信息處理技術(shù)計(jì)算機(jī)軟件硬件技術(shù)、人工智能和視覺工程的最新成果應(yīng)用于磨粒自動(dòng)識(shí)別。針對(duì)磨粒的特征，探索識(shí)別機(jī)制和方法。涉及油液監(jiān)測(cè)智能化方面包括了磨粒定量分析、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像識(shí)別和人工智能診斷等。目前的研究熱點(diǎn)主要集中在磨粒圖像的自動(dòng)識(shí)別和基于磨粒分析智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)。磨粒識(shí)別是鐵譜技術(shù)核心內(nèi)容，是油液監(jiān)測(cè)技術(shù)中鐵譜監(jiān)測(cè)方法有別于其他油液監(jiān)測(cè)方法的突出特點(diǎn)。

4)開發(fā)油液監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。目前已有的油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都存在不完善的地方，難以達(dá)到實(shí)用的程度，主要原因在于知識(shí)庫(kù)的建立不完備，即獲取的領(lǐng)域知識(shí)不夠豐富。目前迫切需要尋求到一種合理的獲取領(lǐng)域知識(shí)和建立知識(shí)庫(kù)的方法。這種方法應(yīng)該立足于原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，既結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，又經(jīng)過(guò)周密的理論推導(dǎo)，這樣建立的知識(shí)庫(kù)才能具備較高的正確性和完備性。

5)研發(fā)實(shí)用、新型、原理集成的在線監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)。“在線”的概念從傳感器相對(duì)油路的關(guān)系劃分，有on-line和in-line 2種，但本質(zhì)上都必須包括在線取樣和在線分析2個(gè)必要的功能。“實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)、智能監(jiān)測(cè)”在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

6)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化。多用戶聯(lián)機(jī)、集中控制是故障診斷系統(tǒng)發(fā)展的第一階段;局域網(wǎng)絡(luò)、集散控制是其發(fā)展的第二階段;而現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三階段，其特征是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程診斷可將種類繁多的油液監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸送到實(shí)驗(yàn)室、制造廠或科研機(jī)構(gòu)，會(huì)同來(lái)自振動(dòng)、溫度和熱工參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的信息融合，作為機(jī)器狀態(tài)的綜合評(píng)定的依據(jù)。

7)建立基于油液監(jiān)測(cè)的設(shè)備維修管理決策支持系統(tǒng)和維修保障優(yōu)化控制系統(tǒng)。把監(jiān)測(cè)、診斷、設(shè)備管理、維修保障相結(jié)合的發(fā)展策略，也是油液監(jiān)測(cè)技術(shù)所努力追求的終極目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)我們連續(xù)多年來(lái)對(duì)船用設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷保障經(jīng)驗(yàn)，深知船用設(shè)備保障工作必須應(yīng)該得到設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的科學(xué)技術(shù)支持，設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷工作又必須得到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和機(jī)關(guān)職能部門的高度重視，并且要充分依靠和發(fā)揮船員使用管理經(jīng)驗(yàn)的重要作用。要及時(shí)的對(duì)船用設(shè)備故障隱患、船上的重點(diǎn)設(shè)備、船上的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行有計(jì)劃性和針對(duì)性的跟蹤監(jiān)測(cè)，為做好船用設(shè)備的使用管理和故障維修提供可靠的科學(xué)技術(shù)依據(jù)，才能更有效地提高經(jīng)濟(jì)效益。

［1］陳云彪.油料光譜分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)磨損監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 ［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2000(1):44-46.

［2］楊其明.磨粒分析 ［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.