工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷技巧分析

段旭陽

（海軍工程大學，湖北 武漢 430033）

工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷技巧分析

段旭陽

（海軍工程大學，湖北 武漢 430033）

船舶航行中，動力裝置為“心臟”，一旦出現故障會帶來嚴重后果。本文首先對當前工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷的常見診斷方法及診斷技巧進行了分析，并在此基礎上，結合多種診斷方法建立工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷系統，實現對機械狀態的實時監測，確保運行安全。

工程船舶；動力機械；狀態監測；故障診斷

船舶航行中，動力裝置為運行“心臟”，一旦出現故障會給整個船舶帶來嚴重后果。而狀態監測和故障診斷（CMFD）為一種綜合性技術，這種技術融合多學科知識，將模式識別、狀態監測還有信號處理決策等技術融合為一體，能夠對動力機械的工作狀態進行在線分析，對機械狀態趨勢進行預測，分析故障類型與程度，并根據監測數據對動力機械進行針對性維修保養。

1 工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷方法

1.1 瞬時轉速監測診斷

船舶正常航行中，柴油機瞬時轉速在較小范圍內規律性變化。但是柴油機出現故障，瞬時轉速的規律性變化就會被破壞，柴油機瞬時轉速的波動會出現圖1的變化。

圖1 柴油機瞬時轉速波動率峰值的變化圖

圖1所示的是MANB＆W 6L16/24柴油機瞬時轉速的波動圖，這些柴油機結構的尺寸大，軸系激勵復雜，軸系扭轉振動會對瞬時轉速產生較大影響。當柴油機第2缸及第4缸工況正常的時候，如果做工能力的下降幅度分別達到10%還有20%，則能得到圖1所示瞬時轉速的波動率計算結果。瞬時轉速的波動峰值同各個缸運行中的平衡性是相關的，因此能利用這一特性對柴油機工作狀態進行監測及診斷，在監測過程中，通常會用到轉矩估計監測法、波形分析監測法還有多特征綜合監測法這三種瞬時轉速監測方法。

1.2 熱力參數監測診斷

熱力參數監測診斷屬于一種常見的船舶動力機械狀態監測診斷方法，其監測時通過對柴油機工作過程中的熱力參數變化情況來對船舶工作狀態進行判斷的一種方法。監測過程中需要對柴油機主要熱力參數（氣缸壓力、排氣溫度、滑油溫度、進出口溫度、轉速等）進行實時記錄分析，并在系統中錄入正常參數，將船舶運行參數同正常參數進行對比，一旦變化幅度超出正常范圍，系統會做出預警，并根據參數變化給出柴油機性能，并給出具體的解決方法。

1.3 振動監測診斷

振動監測診斷指的是對船舶正常工作時柴油機的振動信號進行監測診斷，對這些信號進行測試分析，處理后對運動件工作狀態進行有效診斷。這種診斷方法能夠對柴油機狀態快速在線診斷。但是診斷過程中存在如下幾個技術難點：（1）運動件眾多，形狀各異，激勵力傳播途徑會對機體表面產生大小不一的貢獻。（2）激勵力眾多，頻率不一，信號識別困難。（3）激勵力間相互干擾耦合，敏感測點選擇困難。（4）柴油機的振動還有受到其他因素影響（如工況、溫度、潤滑油的黏度等）。鑒于上述技術難點，監測過程中需要掌握各種激勵源信號識別技術，能夠對信號干擾進行有效處理，并能根據信號對柴油機工作狀態的特征參數進行有效提取，建立判據。

1.4 聲發射診斷

聲發射診斷指的是在遭到內力或者外力作用時，材料會通過彈性波形式將應變能釋放出來的一種現象。固體材料在內部如出現缺陷，外力作用下會出現聲反射，從這點來說，聲發射信號中蘊含著材料缺陷的全部信息。而聲發射監測則是對聲信號進行在線監測，對信號進行分析處理，通過信號分析對材料內部具體狀態進行判斷，當前這種監測方法在機械設備故障監測中應用比較廣泛。

2 工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷技巧

上面對工程船舶動力機械狀態監測和故障診斷方法進行了具體介紹，結合上述方法，下面對活塞—缸套磨損還有柴油機氣閥漏氣的診斷技巧進行具體闡述。

2.1 活塞-缸套磨損的診斷技巧

對于工程船舶來講，柴油機活塞-缸套磨損的診斷原理為：不同磨損狀態之下，活塞會在側推力的作用下向氣缸套撞擊，并在撞擊過程中產生能量及運動位移的相對變化；變化過程中，機身會隨激勵源變化而發生參數（振動振級、振動信號的功率譜分布、振動能量等）的變化；系統對機身表面的振動響應特征進行分析，參照內部所保存的磨損狀態參數，通過對比就能夠對活塞—缸套的磨損狀態進行診斷。如果活塞—缸套磨損較大，功率譜會存在較大差異。

2.2 柴油機氣閥漏氣的診斷技巧

圖2 工程船舶動力機械狀態監測和故障綜合診斷系統

船舶航行，柴油機正常工作，缸蓋需要五個主要激勵力，其中進氣門開啟、關閉沖擊力，排氣門開啟、關閉沖擊力，還有缸內的氣體壓力，在這五個激勵力下，氣閥的工作狀態能夠通過缸蓋的振動信號有效表達出來。如果將缸蓋系統看作是頻不變系統，那么上述所提到的五種激勵力之間屬于線性無關的關系，氣閥在不同工作狀態下，缸蓋的振動信號功率譜圖會呈現出明顯差異。時轉速的監測模塊：對柴油機工作中的瞬時轉速進行計算及分析，通過對比分析監測柴油機動力的平衡性能。（3）氣缸壓力功率譜的監測模塊：對氣缸的壓力數據進行測量記錄，通過數據分析對柴油機工作性能進行監測診斷。（4）聲發射的監測模塊：對柴油機缸蓋振動中產生的聲發射信號進行分析處理，從而判斷氣閥是否存在漏氣故障。（5）軸系振動的監測模塊：對柴油機運行數據進行采集，通過計算處理模塊分析處理，獲得瞬時轉速波形圖還有扭振時域、頻域波形圖，對柴油機一階、二階振動幅值進行監測診斷。（6）軸功率的監測模塊：對柴油機軸功率進行計算處理，并獲得平均轉速還有輸出扭矩值，通過對這些數值參數對比分析，對柴油機的性能進行監測診斷。（7）工程船舶動力機械性能的監測模塊：對船舶運行中，動力機械在單位時間內的燃油消耗量進行監測，結合軸功率及航行速度等參數對工程船舶動力機械的總體性能進行判斷，并給出工況最佳優化方案。

3 工程船舶動力機械狀態監測和故障綜合診斷系統

結合上述論述，參照多參數與綜合診斷方法將柴油機熱力參數、氣缸壓力功率譜、聲發射參數、活塞—缸套磨損參數、氣閥狀態參數、船舶運行性能參數等進行集成，最終實現了對船舶動力機械的狀態監測及故障診斷。具體如圖2所示。

工程船舶動力機械狀態監測和故障綜合診斷系統主要包含下列模塊：（1）柴油機熱力參數的監測模塊：對柴油機運行過程中燃油、滑油運行狀態，進、排氣閥門運行狀態、冷卻閥門等工作狀態進行監測，并將這些狀態通過工作溫度、功率、壓力等指數進行反應，對柴油機主要部件工作中的熱力參數進行提取，從而對系統整體運行狀態進行判斷。（2）瞬

4 結語

工程船舶動力機械故障診斷屬于一門綜合技術，需要將多學科知識融為一體，利用多種技術對柴油機故障信息進行綜合診斷，只有這樣才能實現對工程船舶動力機械進行實時狀態監測及故障診斷，確保運行安全。

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U664.121

A

1671-0711（2016）12（上）-0069-02