直讀鐵譜在艦船機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

杜柱石，何 雷

（海軍91202 部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125004）

現(xiàn)代艦船種類型號(hào)多樣，艦船上需要使用潤(rùn)滑油的機(jī)械設(shè)備更是多種多樣，包括主機(jī)、副機(jī)、齒輪箱等設(shè)備，在這些艦船機(jī)械發(fā)生的故障類型里，磨損類故障占機(jī)械設(shè)備總故障率的60%～70%。因此，利用潤(rùn)滑油分析技術(shù)對(duì)磨損類故障診斷，是非常有效的手段。

鐵譜技術(shù)是利用高梯度的強(qiáng)磁場(chǎng)，將機(jī)械潤(rùn)滑油中所含的產(chǎn)生于磨損或其他的機(jī)理磨粒，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，進(jìn)行定性和定量觀測(cè)，獲得有關(guān)摩擦副和潤(rùn)滑系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要信息。直讀式鐵譜儀主要用來(lái)進(jìn)行定量分析，即監(jiān)測(cè)油液中的粒度分布情況，進(jìn)而得出油液的污染度和機(jī)械的磨損度。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”。

鐵譜技術(shù)可分析潤(rùn)滑油中所含鐵磁性金屬磨損顆粒，其中分析鐵譜可進(jìn)行定性分析，直讀鐵譜可進(jìn)行定量分析。通過(guò)對(duì)磨粒的定性、定量分析，可達(dá)到監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備用油部位磨損狀態(tài)及故障診斷的目的。直讀鐵譜儀操作迅速、簡(jiǎn)便，且價(jià)格低廉，可應(yīng)用于油潤(rùn)滑的機(jī)器中，作為防止零件失效的判斷（預(yù)測(cè)）方法，它對(duì)于零件磨損加劇的征兆—磨屑濃度和尺寸分布的變化是很敏感的，特別是針對(duì)艦船的傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的軸承等易磨損部位。

本文采用ZTP-X2 型直讀鐵譜儀，對(duì)某型船用齒輪箱在用潤(rùn)滑油進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。

1 直讀鐵譜儀分析方法

直讀鐵譜儀能夠定量地分析油樣中大小磨粒的濃度，是一種定量分析的鐵譜儀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制譜與讀譜合二為一、分析過(guò)程簡(jiǎn)便迅速并且價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 常用定量分析判據(jù)

直讀鐵譜儀以DL和DS為基本定量分析參數(shù)，即每mL 分析油液中，存在的磨粒相對(duì)含量百分?jǐn)?shù)，單位為%/mL，其中DL表征大磨粒（＞5 μm），DS表征小磨粒（1～2 μm）。

DL和DS可以粗線條地表征油樣中磨粒的粒度分布特點(diǎn)，但如果要全面、靈敏地反映油樣中磨粒量的變化，還需要其他定量分析判據(jù)。

（1）LPC 為磨損烈度。定義：LPC=DL- DS，為大、小磨粒讀數(shù)之差。其含義為在總磨損量中，嚴(yán)重磨損的大顆粒所占比重的大小。它是不正常磨損的一個(gè)重要標(biāo)志，對(duì)大磨粒的變化比較敏感。

（2）IS為磨損烈度指數(shù)。定義：IS= DL×（DL-DS），它同時(shí)敏感于油樣中的磨?？偭亢痛竽チ５臐舛?，綜合地反映了磨損速率和磨損量。

（3）WPC 為磨粒濃度。定義：WPC=（DL+DS）/N，N 為分析油樣的體積分?jǐn)?shù)稀釋度，常用于需要經(jīng)常調(diào)整油樣量或磨粒濃度需要稀釋的場(chǎng)合。

（4）PLP 為大磨粒百分?jǐn)?shù)。定義：PLP= [(DL–DS)/（DL+DS）]×100%，PLP 主要反映大磨粒量占總量的份額，對(duì)于機(jī)器的嚴(yán)重磨損十分敏感。

（5）∑（DL+DS）和∑（DL - DS）為磨粒濃度和磨損烈度累加值。

這是兩個(gè)同時(shí)使用的判據(jù)。在穩(wěn)定的正常磨損階段，兩指標(biāo)在對(duì)時(shí)間的曲線圖上，都應(yīng)是斜率不變、平行走向的直線。一旦斜率陡增，而且突然相互靠攏，則表明出現(xiàn)異常磨損。

選擇哪一項(xiàng)指標(biāo)作為定量分析的判據(jù)，要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的具體情況而定，并非越復(fù)雜越好。對(duì)于粒度分布差異較小的船用機(jī)械設(shè)備油樣，因?yàn)镈L與DS值十分接近，為了提高判據(jù)的靈敏度，就可以選擇IS（磨損烈度指數(shù)）判據(jù)，IS同時(shí)敏感于油樣中的磨?？偭亢痛竽チ５臐舛?，綜合反映磨損速率和磨損量，比較適用分析磨粒濃度值偏小的潤(rùn)滑油。

1.2 磨損定量趨勢(shì)分析

設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)期內(nèi)，其磨損過(guò)程分為3個(gè)階段：磨合階段、正常磨損階段和急劇磨損階段。

設(shè)備工作狀態(tài)正常時(shí)，鐵譜定量分析判據(jù)隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)平緩，通過(guò)對(duì)大量的樣本測(cè)試數(shù)據(jù)求平均值，可以得出設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常的磨損基線值，從而定出3 條控制線，以便從時(shí)間上把握設(shè)備的工況和磨損狀態(tài)，3 條控制線包括：基準(zhǔn)線、警告線和危險(xiǎn)線，如圖1 所示。

圖1 三線值法示意圖

1.3 控制線數(shù)值的計(jì)算方法

3 條控制線數(shù)值計(jì)算方法如下：

（1）基準(zhǔn)值Vb。Vb=0.8（D+2 S），式中，D 為“正?！睒颖緖Di }(i =1，2，…，n)的數(shù)學(xué)期望值，即算術(shù)平均值。

（2）警告值VW。VW=D+S2。以樣本{Di}的統(tǒng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)方差S2作為隨機(jī)方差б2的估計(jì)量，其中，S即樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

（3）危險(xiǎn)值Vc。Vc=D+3S。

1.4 判斷結(jié)論

在建立3個(gè)閾值之后，對(duì)于一個(gè)己測(cè)出直讀數(shù)DL和DS，并計(jì)算出IS值的油樣，在判斷其是否正常時(shí)，按以下幾種情況，分別得出各自的結(jié)論：

（1）當(dāng)監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)IS＜Vb時(shí)，磨損狀態(tài)處于正常區(qū)域，設(shè)備能夠安全可靠地工作；

（2）當(dāng)Vb＜IS＜VW時(shí)，是發(fā)展為異常磨損的前兆，有必要引起注意，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及早處理；

（3）當(dāng)VW＜IS＜Vc 時(shí)，磨損狀態(tài)處于警告區(qū)域，此時(shí)設(shè)備的磨損處于異常狀態(tài)。由異常磨損達(dá)到失效需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程，在這一過(guò)程中磨粒的IS值將以較快速率增大，雖然發(fā)生了不正常磨損，但還不至于立即發(fā)生故障失效，因此，稱VW為警告線，可據(jù)此立即采取措施，避免狀況的惡化；

（4）當(dāng)監(jiān)測(cè)的特征參數(shù)IS＞Vc 時(shí)，磨損狀態(tài)處于危險(xiǎn)區(qū)域，磨損量的增長(zhǎng)速度很高，機(jī)械將發(fā)生故障失效。

實(shí)際操作時(shí)，如果有了基線，就可以將某一次檢測(cè)值與3 條線相比較，判斷出這臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)優(yōu)劣。

2 監(jiān)測(cè)控制線的建立

2.1 分析參數(shù)的測(cè)定

以從現(xiàn)場(chǎng)取得的一批某船齒輪箱潤(rùn)滑油作為測(cè)定對(duì)象，利用ZTP-X2 型直讀鐵譜儀測(cè)定DL和Ds值，然后計(jì)算出IS，測(cè)定和計(jì)算值見(jiàn)表1 所示(由于數(shù)據(jù)量過(guò)大，只列出部分?jǐn)?shù)據(jù))。

表1 某船齒輪箱潤(rùn)滑油直讀鐵譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 控制線的建立

對(duì)表1 中所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得IS的標(biāo)準(zhǔn)差S 為2.28，按前述公式計(jì)算可得

Vb=6.26，VW=7.83，Vc=10.11。

綜上所述，得出該齒輪箱直讀鐵譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法，見(jiàn)表2 所列。

表2 某齒輪箱直讀鐵譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法

3 監(jiān)測(cè)實(shí)例

為檢驗(yàn)直讀鐵譜控制線的實(shí)效性,繼續(xù)監(jiān)測(cè)該設(shè)備10個(gè)油樣,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 某齒輪箱潤(rùn)滑油直讀鐵譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

如表3 所列，該齒輪箱累計(jì)工作188 h 時(shí)，潤(rùn)滑油直讀鐵譜監(jiān)測(cè)特征參數(shù)

Is（14.75）＞Vc（10.11）。

表明該齒輪箱油潤(rùn)部件磨損狀態(tài)處于危險(xiǎn)區(qū)域，并且磨損量的增長(zhǎng)速度很高，機(jī)械可能將發(fā)生故障。

經(jīng)對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)檢查發(fā)現(xiàn)，油箱油量正常；潤(rùn)滑油中有金屬屑，磁塞有較多金屬屑，潤(rùn)滑油濾上有較多金屬屑，最大一塊為2 mm×3 mm 薄片，多為屑末狀；轉(zhuǎn)子前部，有異常磨損噪聲。

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，存在軸承破損，金屬屑隨潤(rùn)滑油流動(dòng)，大量金屬屑將油濾堵住，安全活門打開(kāi)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)油濾的潤(rùn)滑油直接進(jìn)入主機(jī)和外置機(jī)匣。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于船用機(jī)械磨損狀態(tài)潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)而言，直讀鐵譜監(jiān)測(cè)特征參數(shù)Is 的選擇是合理準(zhǔn)確的，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，從而避免了一起事故。

該設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)經(jīng)更換部件、整體清洗換油后，Is 值恢復(fù)為基準(zhǔn)值Vb以下，說(shuō)明該設(shè)備油潤(rùn)部件處于正常磨損狀態(tài)，該設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，也未出現(xiàn)異常狀況，保證了安全。