船舶機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用探討

周新聰，孫 斌 ，張?jiān)吕祝瑢O爭(zhēng)兵

（1．武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院可靠性工程研究所，湖北 武 漢 4 30063；2．船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武 漢 4 30063；3．長(zhǎng)江武漢航道局，湖北 武 漢 4 30010）

現(xiàn)代船舶機(jī)械日趨高性能化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，人員配備趨于減少，加之世界范圍的能源緊張，船舶機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)和維護(hù)便成為營(yíng)運(yùn)船舶技術(shù)管理的重要內(nèi)容。及時(shí)、準(zhǔn)確和動(dòng)態(tài)地掌握船舶機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)測(cè)潛在故障，已成為船舶技術(shù)管理追求的目標(biāo)，這促使現(xiàn)代船舶機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新和發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，世界上60%的船舶營(yíng)運(yùn)故障源于機(jī)艙，為了保障船舶機(jī)械的安全運(yùn)行，世界各國(guó)積極開(kāi)展了船舶機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，動(dòng)態(tài)地獲取船舶機(jī)械設(shè)備的各種信息，分析其運(yùn)行狀態(tài)、診斷潛在故障并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。

一、船舶機(jī)械設(shè)備故障特點(diǎn)及類(lèi)型

船舶動(dòng)力機(jī)械工況復(fù)雜多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且船舶機(jī)械工作環(huán)境和工作狀態(tài)大都比較惡劣，這就要求船舶機(jī)械設(shè)備具有較高的可靠性。伴隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展雖然船舶動(dòng)力裝置的自動(dòng)化、智能化程度不斷提高，可靠性也大有提高，但船機(jī)故障仍不可避免，每年因機(jī)損故障造成的損失很大。

據(jù)某國(guó)海難廳對(duì)600例機(jī)損故障的分析表明，在船機(jī)損傷中，船舶主、輔機(jī)都可能發(fā)生故障，其中以柴油機(jī)的故障為主，約占全部機(jī)損事故的85%，其次是軸系占9.3%。在主機(jī)故障中，活塞、缸套、曲軸、氣閥故障86例，占主機(jī)故障的45.7%；燃油噴射系統(tǒng)故障36例，占19.1%；增壓器故障28例；啟動(dòng)和換向系統(tǒng)故障28例；調(diào)速器故障10例。在電站故障中，發(fā)電柴油機(jī)故障51例，占電站故障的64.6%，電機(jī)故障23例，配電板故障3例。在輔助機(jī)械故障中，潤(rùn)滑系統(tǒng)故障29例，冷卻系統(tǒng)故障28例，燃油系統(tǒng)故障9例，壓縮空氣和進(jìn)化系統(tǒng)故障4例。這些故障多為磨損、疲勞、老化、破裂或破損、斷裂、變形和錯(cuò)位、銹蝕或咬著、松動(dòng)、卡死、松脫或剝落、缺水和缺油、燒損和短路、轉(zhuǎn)子失衡、漏油漏水漏氣等泄漏、堵塞和臟堵、劣質(zhì)燃油等造成?？梢?jiàn)，在船舶機(jī)艙設(shè)備中主機(jī)系統(tǒng)是故障發(fā)生率最高的部位，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在二沖程柴油機(jī)中，活塞的損傷占全部損傷的30%左右，在四沖程柴油機(jī)中，曲柄銷(xiāo)軸承以及主軸承的軸瓦磨損及擦傷報(bào)告，大多是潤(rùn)滑油管理不當(dāng)造成的。通過(guò)采用合適的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效防止故障的發(fā)生，確保安全。

二、船舶機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)與診斷方法

采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，進(jìn)行視情維修，不僅可以防止突發(fā)事故，保障船舶安全，而且可以減少維修費(fèi)用，提高設(shè)備利用率，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。船舶設(shè)備監(jiān)測(cè)與診斷的方法很多，目前最常用的有以下分析法。

1．熱力參數(shù)分析法

該方法通過(guò)獲取船舶柴油機(jī)工作時(shí)的汽缸壓力示功圖、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、滑油溫度、冷卻水進(jìn)出口溫度及排放等熱力參數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作狀態(tài)的判斷和故障預(yù)測(cè)。該方法是目前船舶機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷中應(yīng)用最廣最成熟的方法，且該方法易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，被廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力機(jī)械的各種設(shè)備。其中示功圖包含的信息量最多，根據(jù)示功圖可以計(jì)算指示功、壓力升高率和壓縮壓力，可以判斷燃燒質(zhì)量的好壞及各缸是否功率平衡。

2.振動(dòng)分析法

該方法利用船舶柴油機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析及處理來(lái)掌握內(nèi)部零部件的狀態(tài)并進(jìn)行故障趨勢(shì)分析和診斷。其方法具有診斷速度快、準(zhǔn)確率高和能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)診斷的特點(diǎn)，在船舶動(dòng)力機(jī)械中被廣泛應(yīng)用。該方法目前主要應(yīng)用在船舶動(dòng)力機(jī)械以下設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷。

（1） 活塞—缸套磨損的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)活塞—缸套在不同磨損狀態(tài)下機(jī)身振動(dòng)響應(yīng)，可以用功率譜峰值和總能量作為判別活塞—缸套磨損狀態(tài)的特征參數(shù)。

（2）氣閥漏氣故障的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)汽缸蓋振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域波形圖和氣閥定時(shí)規(guī)律和上止點(diǎn)信號(hào)，可以從汽缸蓋表面的振動(dòng)響應(yīng)中，識(shí)別主要激勵(lì)源的振動(dòng)響應(yīng)?？梢詮钠咨w表面振動(dòng)響應(yīng)的功率譜判別氣閥漏氣狀態(tài)。

（3）柴油機(jī)主軸承磨損故障的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率譜分析后再進(jìn)行倒頻譜分析，從而判別柴油機(jī)主軸承磨損狀態(tài)。

3.油液分析法

油液分析法監(jiān)測(cè)與診斷是通過(guò)獲取船舶機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑油中的磨粒濃度、磨粒形狀及大小的變化、油質(zhì)的變化、含鐵量的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備整體磨損狀態(tài)的分析，進(jìn)而來(lái)判斷設(shè)備的磨損狀態(tài)及故障狀態(tài)。目前已構(gòu)成鐵譜分析、光譜分析、理化試驗(yàn)、污染度分析等油液監(jiān)測(cè)方法，并形成了在線(xiàn)、離線(xiàn)和在線(xiàn)離線(xiàn)相結(jié)合的模式。為了推動(dòng)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)在船舶機(jī)械中的應(yīng)用，中國(guó)船級(jí)社先后編寫(xiě)了《螺旋槳軸狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南》和《柴油機(jī)滑油狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南》等指導(dǎo)性文件。詳細(xì)規(guī)定了采用油液分析方法監(jiān)測(cè)螺旋槳軸、柴油機(jī)狀態(tài)的具體要求。

4.綜合分析法

該方法是指將熱力參數(shù)分析法、油液分析法和振動(dòng)分析法等多種診斷方法綜合應(yīng)用，在大量積累診斷知識(shí)的基礎(chǔ)上，采用融合的思想通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析，來(lái)確定設(shè)備狀態(tài)和判斷預(yù)測(cè)故障，從而有效地提高監(jiān)測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性的方法。該方法也是當(dāng)前各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

總之各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和診斷方法得到了快速發(fā)展和推廣應(yīng)用，各船級(jí)社相繼開(kāi)展了與狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)有關(guān)的規(guī)范研究?，F(xiàn)已形成螺旋槳軸狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南 (SCM)、柴油機(jī)滑油狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)指南、船舶機(jī)械計(jì)劃保養(yǎng)系統(tǒng)檢驗(yàn)指南 (PMS)等規(guī)范。

三、船舶維修保養(yǎng)體系

船舶維修保養(yǎng)體系（CWBT）是將傳統(tǒng)的船舶設(shè)備管理和國(guó)際上插卡式船舶設(shè)備管理相結(jié)合，形成集計(jì)劃、管理、指導(dǎo)于一體的一種新穎、科學(xué)、實(shí)用的船舶設(shè)備管理模式。該體系是船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)各種標(biāo)準(zhǔn)制定的重要基礎(chǔ)和內(nèi)容組成部分，是實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)交流和融合的平臺(tái)。目前由GB/T16558.1-1996（總則）、GB/T16558.2-1996（船舶設(shè)備分類(lèi)及代碼）、GB/T16558.3-1996（船舶維修保養(yǎng)的分級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)周期代碼及周期允差）、GB/T16558.4-1996（工作卡的格式及其欄目）、GB/T16558.5-1996（工作卡的首排及其表示方法）、GB/T16558.6-1996（船舶維修計(jì)劃營(yíng)運(yùn)管理方法）、GB/T16558.7-1996（表格樣式）標(biāo)準(zhǔn)組成，它們對(duì)船舶各個(gè)設(shè)備進(jìn)行了分類(lèi)和編碼，對(duì)維修手冊(cè)、工作卡格式及其欄目、信息管理系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用等進(jìn)行了規(guī)定，形成了系列標(biāo)準(zhǔn)。這些都為狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性奠定了基礎(chǔ)條件。目前船舶維修保養(yǎng)體系雖已在船舶領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用，但編碼體系未得到充分應(yīng)用發(fā)揮。

四、液壓油污染度控制標(biāo)準(zhǔn)

油液分析技術(shù)作為機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的一項(xiàng)主要技術(shù)被廣泛應(yīng)用在船舶機(jī)械設(shè)備中，實(shí)施液壓系統(tǒng)污染控制是提高液壓設(shè)備工作可靠性和延長(zhǎng)元件壽命的重要手段，一直受到國(guó)內(nèi)外有關(guān)工業(yè)部門(mén)的高度重視。伴隨油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛推廣應(yīng)用，作為油液污染分析技術(shù)不斷進(jìn)步和成熟的重要標(biāo)志油液污染度標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)也得到了快速發(fā)展。從最早使用的重量污染度和體積ppm、重量ppm等，逐漸改進(jìn)為可反映顆粒尺寸及分布的顆粒污染度表示方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織及一些國(guó)家的液壓行業(yè)組織和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)都成立了污染控制技術(shù)委員會(huì)，負(fù)責(zé)液壓污染控制技術(shù)的推廣、應(yīng)用及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定和實(shí)施。ISO4406污染度標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的。ISO4406標(biāo)準(zhǔn)已被世界各國(guó)普遍采用，我國(guó)現(xiàn)行的污染度標(biāo)準(zhǔn)即等效采用此標(biāo)準(zhǔn)。ISO4406：1999規(guī)定，顆粒計(jì)數(shù)儀采用≥4μm、≥6μm和≥14μm三個(gè)尺寸的顆粒濃度等級(jí)代碼表示油液的污染度。我國(guó)也設(shè)立了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)和組織，并且與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織相應(yīng)技術(shù)委員會(huì)聯(lián)系開(kāi)展工作，結(jié)合我國(guó)各工業(yè)部門(mén)的需要，也制訂了有關(guān)液壓污染控制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要是應(yīng)用在航空液壓系統(tǒng)油液固體顆粒污染度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GJB420和GJB420A，它們分別與NAS1638和AS4059標(biāo)準(zhǔn)等效。目前國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)尚未制定相應(yīng)的污染度控制標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶機(jī)械設(shè)備故障特點(diǎn)和故障類(lèi)型，為適應(yīng)現(xiàn)代化智能化船舶發(fā)展的需要，要大力推廣狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，加緊制定相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展。

第一，推進(jìn)各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的工程化應(yīng)用和實(shí)施，以及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、離線(xiàn)監(jiān)測(cè)和混合監(jiān)測(cè)模式的應(yīng)用，開(kāi)展多種監(jiān)測(cè)技術(shù)綜合分析方法的研究。

第二，開(kāi)展CWBT體系的推廣和應(yīng)用，建立各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)資料和數(shù)據(jù)應(yīng)在同一編碼體系下存儲(chǔ)和傳遞的機(jī)制，更大限度地便于數(shù)據(jù)的傳遞和對(duì)比。

第三，加強(qiáng)船舶機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，盡快形成各種監(jiān)測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、傳遞和存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)又好又快發(fā)展。

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