淺析工程船舶動力機械狀態監測與故障診斷現狀及發展

林馳，陳軍，王波，趙鑫，陳海峰

（江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州 225000）

船舶是水路運輸中的重要運輸設備，也是海洋開發和捍衛國家海權不可或缺的重要工具，而動力裝置則是船舶的核心。挖泥船，也被稱為疏浚船舶，可以在航道疏浚及港口建設中發揮十分重要的作用。在挖泥船系統中，不僅包含主推進系統，還同時存在進行疏浚施工的挖泥作業系統，因此工作環境通常較為惡劣，在一定程度上增加了動力機械設備故障的風險，對作業開展的穩定性造成了嚴重阻礙。為此，需要積極展開對挖泥船動力設備的狀態監測和故障診斷。狀態監測與故障診斷(Condition Monitoringand Fault Diagnosis，CMFD)技術是一種集合了眾多學科和多種技術的綜合性技術，可以讓不同分析方法進行高效整合，以實現對故障源及故障程度的精準判定，并據此判斷設備狀態的發展趨勢，以建立對于設備的針對性維修養護。

1 研究工程船舶動力機械CMFD技術的必要性

水運交通事業的持續發展在一定程度上提高了對巷道疏浚整治工作的要求，需要積極展開對污染河湖的環境治理，也因此彰顯了挖泥船在巷道疏浚及工程整治、港口建設等多項過程中的作用。在疏浚事業高速發展的背景下，為了更好地適應工況的需求，使工程施工的要求得到切實滿足，要求積極探索全新的泥船開挖類型，同時豐富其容量，以更好地適應機械設備的先進化和復雜化方向趨勢。此外，由于挖泥船的作用和管理機制都與傳統的運輸船舶存在一定的差異，其工作的環境相對較為惡劣，在一定程度上提升了故障的發生概率，一旦未能進行充分管理，則可能對其自身安全性造成越嚴重限制，進而影響航道疏浚維護的整體質量，對其他各類船舶的通航造成嚴重影響。為此，要求針對船舶動力裝置進行積極的監測及故障診斷，以便在出現故障前兆的第一時間提出積極可行的措施，為后續維修保養工作的高效開展提供充足的技術參數庫。同時，為做出高效的設備維修決策確定最科學的指導，以切實降低事故發生的概率，做好各項保障工作。

積極開展狀態監測技術，讓故障診斷的技術水準得到切實提升，一般具有如下意義。

1.1 強化船舶維修制度改革

針對工程船舶CMFD技術予以深入研究，以強化其應用，可以有效提升維修保障模式的強度，依托人員的經驗，讓維修保障模式得以朝向技術手段方向發展，針對現階段較為落后的維修手段和船舶預防性維修機制進行優化改造，以更好地應對及處理當下維修機制中所存在的各類問題，構建以視情維修為基礎，以高可靠性為核心的現代化維修機制，打造高質量的船舶維修制度改革模式，以更好地適應現代化工程船舶的建設及維修需求。

1.2 減少工程維修成本

在工程船舶動力機械領域中運用CMFD技術，有利于及時發現事故的征兆并予以預防，以充分降低計劃外維修的費用，在最大程度上消除冗余的檢查項目，同時，采取積極的計劃內維護措施，以降低過剩維修的可能，有效規避突發故障的風險。借助CMFD技術，有利于充分延長系統零部件的使用期限，讓設備檢修周期得到切實延長，讓設備維修的精度和速度得到充分保障，在減少工程維修成本的前提下，爭取最大化的經濟效益，以提升工程船舶動力機械維修的合理性，讓設備的利用率得到充分提升，以收獲良好的經濟和社會效益。

1.3 提升故障預測水平

在工程船舶動力機械檢修階段運用CMFD技術，可以在最大程度上提升系統的故障預測水平，以充分保障系統的安全性。依托CMFD技術，有利于充分把握系統的實際運行狀態，以便及時采取有效的措施和手段，實現對故障發展趨勢的充分判斷，讓故障得以消除，以切實降低系統停機及故障突發的風險，讓系統運行的穩定性得到充分提升，同時，保障系統運行的可靠性。

2 船舶動力機械領域CMFD技術

2.1 柴油機狀態監測和故障診斷

柴油機系統主要包含燃油、配氣、滑油、冷卻等多個不同子系統，每個子系統之間相互作用，一旦發生故障，則不會呈現出一一對應的簡單對照關系，既可能出現一因多果的問題，也可能存在一果多因的現象，同時，也存在故障源和故障相互交叉的情形。

（1）可以借助熱力參數診斷的方法確定柴油機的故障情況，結合空氣、滑油等參數，明確其中的異常現象和故障問題并予以處理。一般可以通過燃油系統、增壓空氣系統、冷卻系統等性能參數實現對柴油機運行狀態的監測診斷。

（2）可以依托瞬時轉速診斷方法確定柴油機的狀態，結合氣管壓力判斷柴油機汽缸的實際燃燒情況。如果工況相對穩定，則可能因氣體的壓力作用和慣性而相應影響柴油機的瞬時轉速，以發揮良好的診斷效果。通常借助磁電式、霍爾式或光電式傳感器實現對柴油機運行狀態的瞬時轉速診斷。

（3）借助振動信號分析的方法予以判定，動力設備機器的運行狀態通常借助信號的形式予以展現，利用信號分析處理的方法可以確定動力設備的具體特征，以明確把握特征參量的整體變化情況和設備的設計工況，并據此開展故障診斷。一般而言，可以應用時域分析法和頻域分析法兩種方法進行船舶動力狀態監測及故障診斷。

2.2 液壓設備狀態監測和故障診斷

一般而言，液壓系統的液壓元件及設備主要安裝于主甲板及室外，其所處的工作環境一般相對較為惡劣，其中的污染物主要源于液壓油泵、柱塞、電磁閥及油缸等設備，在設備運行階段可能發生一定的磨損，導致液壓油在氧化作用下產生過量的金屬磨損顆粒，同時，也可能源于設備維護及使用階段的污染物。

針對挖泥船的液壓系統予以監測，要求充分關注挖泥設備液壓系統、艏錨機液壓系統、艉錨液壓系統和艉系泊液壓系統，然而，無需關注排放系統和其他液壓系統，如側推系統、水密門液壓系統等。一般而言，通過液壓系統污染度在線監測數據，有關管理人員往往只能建立對液壓系統污染情況的認知，然而，由于造成污染的最主要原因在于外界污染物，由于過度的外界污染物而導致系統發生嚴重磨損，同時，也可能由于磨損顆粒過多。如果僅僅依靠污染度在線監測的方式，往往難以做出精準的判斷。為了建立對污染源的深刻認知，可以依托光譜分析和理化分析等多種技術，若光譜檢測結果表面液壓油中的鐵、銅等金屬元素的濃度明顯增加，則可以確定污染源為系統內部，也即系統內的元器件存在較大的磨損。如果系統發生了嚴重污染，并不表示系統中磨損嚴重，然而，如果該系統長期處于嚴重污染的狀態中，則會導致嚴重的設備磨損問題，要求在污染早期進行積極過濾，明確造成污染的主要原因并予以消除，以降低元器件磨損風險。

3 船舶動力機械領域CMFD技術發展趨勢及研究方向

3.1 CMFD技術基礎研究

充分結合工程船舶的實際運行特點，展開對動力機械系統運行狀態及故障原因的分析，基于產品設計的理念予以分析，充分利用各類監測手段，展開對工程船舶動力機械CMFD技術和系統的全面系統研究，以確定其在全過程全生命周期之中的基礎設計理論體系，明確其中的各項技術指標，讓船舶動力機械系統的監測點得以實現科學分布，同時，借助有效的傳感器方法，確定最合理的工程船舶動力機械CMFD系統評價分析理論方法。

3.2 工程船舶狀態監測技術

要求積極探索可以實現對工程船舶狀態的全面監測的全新技術和方法，同時，積極探索合理的在線實時監測技術，如探索激光技術和光柵光纖技術在工程船舶動力機械狀態監測中的應用路徑，積極研發在線傳感器設備和嵌入式傳感器小型化設備，讓多種不同的在線監測技術得以充分應用于工程船舶狀態監測中。

3.3 工程船舶故障診斷技術

現階段，故障診斷技術已經逐漸呈現出智能化系統化和綜合化發展的趨勢，需要積極探索多種診斷方法整合的全新路徑，將熱力參數分析法、振動診斷法及油液分析法等多種分析方法進行充分整合，同時，針對工程船舶動力機械智能專家診斷系統展開深入系統的研究。

4 結語

綜上所述，現階段已有多種工程船舶動力機械CMFD技術投入了應用，且其數量呈現出明顯的增長趨勢，并逐漸從局部監測到全面監測的方向發展，監測手段也逐漸從單一化向多種監測手段共存的方向發展。

現階段，在實際故障診斷時，所使用的方法仍然存在一定的局限性，因此，需要積極探索可以綜合利用先進監測技術及故障診斷方法的全新路徑，讓船舶動力機械故障診斷工作的準確性和效率得到充分提升，以推動工程船舶動力機械的智能化發展。