原子發射光譜分析技術在船舶中間軸承監測診斷中的應用

于 濤

(中國人民解放軍91315部隊，遼寧 大連 116041)

0 引言

船舶中間軸承用來承受中間軸的重量及因軸系變形和運動造成的附件徑向負荷，承受與中間軸相對運動時的摩擦與磨損。中間軸承工作表面的主要失效形式有磨損、裂紋、剝落、膠合、燒熔等[1]。油液監測技術是將采集到的潤滑油樣品，利用光、電、磁學等手段，分析其理化指標、檢測所攜帶的磨損和污染物顆粒，從而獲得機器的設備潤滑和磨粒狀態的信息，定性和定量地描述設備的磨損狀態，找出誘發因素，評價機器的工況和預測機器故障，并確定故障部位、原因和類型[1-5]。

1 原子發射光譜技術

原子發射光譜是利用氣體火焰、交流或直流電弧、等離子體火焰等方式激發油液試樣，使油樣中各微量元素的原子釋放出具有特征頻率的光子，從而獲得發射光譜。測量譜線的波長以及譜線的相對強度，進而求得油樣所含元素成分以及含量[6]。

1.1 直讀原子發射光譜儀

直讀原子發射光譜儀將分光后的各單色光照射在與各元素譜線位置相吻合的光電轉換器件(如光電倍增管)上，光能直接轉化為電流，電流的大小與光能的強弱成增函數的關系。通過校準和A/D轉換，可以直接讀出元素的濃度值。直讀原子發射光譜儀工作原理及其分析系統的主要構成見圖1。

1.2 原子發射光譜分析方法

通過原子發射光譜分析可以得到潤滑油中的各種微量元素成分及其含量，獲取數據信息包括：(1)磨損元素的成分和含量，鐵、鉻、鉛、銅、錫、鋁一般為磨損特征金屬元素，根據設備運動摩擦副零件的材料構成以及磨損元素的成分和含量，可以判斷磨粒產生的可能部位及磨損程度；(2)添加劑元素及污染物元素的成分及含量，磷、鈣、鋅是添加劑元素，硅、硼、鈉、鎂是監測粉塵污染和水分污染特征元素，根據潤滑油的性能要求，添加劑元素及污染物元素的成分和含量可以判斷潤滑油的劣化變質程度；(3)磨損元素變化率為單位時間內主要磨損元素含量的變化(磨損梯度)，可以表征磨損增長速度[7-15]。

2 應用實例

2019年9月至11月對某型船舶航行期間中間軸承采用油液監測技術手段進行跟蹤監測診斷。

2.1 油液取樣

取樣對象：2根軸系4個中間軸承；取樣周期：每運行200 h；取樣部位：油位計量油尺套管；取樣時機：軸系正常穩定工況；取樣方法：取樣器取樣。

2.2 監測儀器

超譜M型原子發射光譜儀具有分析速度快、讀數準確、重復性好、分析容量大等特點，可直接顯示元素的含量。該儀器的標準配置是分析19個元素，鐵、鉻、鉛、銅、錫、鋁、鎳、銀、硅、硼、鈉、鎂、鋇、磷、鈣、鋅、鉬、鈦、釩。檢測數據單位是μg/g，是一個相對含量。

2.3 監測數據分析

監測數據經分析整理，分別采用絕對判定標準、相對判定標準和類比判定標準進行診斷，結果表明添加劑元素及污染物元素的成分及含量均正常，表征柴油機磨損類的鐵、銅、鉛和錫元素含量偏高。選取鐵、銅、鉛和錫元素繪制含量趨勢圖，見圖2～圖5。

圖2 鐵元素含量趨勢

圖3 銅元素含量趨勢

圖4 鉛元素含量趨勢

圖5 錫元素含量趨勢

運用絕對判別法參考船舶中間軸承金屬元素含量經驗預警值(鐵：30 μg/g；銅：10 μg/g；鉛：5 μg/g；錫：5 μg/g)和異常值(鐵：50 μg/g；銅：20 μg/g；鉛：10 μg/g；錫：10 μg/g)標準，綜合分析圖2～圖5的數據，可以看出3號中間軸承工作19600 h，油液中鉛、錫元素含量超過經驗預警值，工作19800 h，油液中銅元素含量接近經驗預警值。

運用相對判別法綜合分析圖2～圖5的數據，可以看出3號中間軸承工作19400～19800 h之間，油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量增加較快。

運用類比判別法綜合分析圖2～圖5的數據，可以看出3號中間軸承工作19400～19800 h之間較1、2和4號中間軸承鐵、銅、鉛、錫元素含量均偏高。

綜合分析圖2～圖5的數據，可以看出3號中間軸承工作20000 h后，油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量正常。

2.4 故障檢修

針對3號中間軸承工作19600 h油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量偏高的情況，經檢查發現該軸承潤滑油油量不足，采取了補充潤滑油的檢修工作。針對3號中間軸承工作19800 h油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量持續上升的情況，判斷3號中間軸承可能存在磨損故障，參考船舶中間軸承潤滑油換油標準(累計工作每20000 h更換潤滑油)，采取了更換3號中間軸承潤滑油和檢修該軸承工作。

2.5 故障分析

所監測3號中間軸承存在磨損，鐵、銅元素主要來源于軸和軸承，錫元素主要來源于軸瓦。軸承端蓋密封膠圈斷裂磨損是造成該軸承磨損的直接原因，鉛元素主要來源于密封件，舊的密封膠圈黏合處斷裂且磨損量達1 mm。該故障產生原因可能系船舶航行期間氣象條件較差，導致船體和軸系振動加大，引起軸承端蓋密封膠圈斷裂導致中間軸承磨損。

3 結束語

原子發射光譜分析技術是機械設備狀態監測和故障診斷的主要手段之一，利用原子發射光譜儀不需要對油樣進行預處理，適用于船舶連續航行期間船舶中間軸承監測診斷，能夠準確診斷出磨損故障。原子發射光譜技術適用于各類具有封閉或半封閉潤滑系統的機械設備，在設備磨損機理研究、判定潤滑油污染程度、確定潤滑油添加劑損耗情況、定制合理的換油周期等多個方面均獲得了廣泛的應用。