鐵譜分析法在某型船舶柴油機故障診斷中的實際應用研究

秦潤軒，卞 磊，張紅磊(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

鐵譜分析法在某型船舶柴油機故障診斷中的實際應用研究

秦潤軒，卞 磊，張紅磊
(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

船舶柴油機是一個集往復件和回轉件于一體的典型摩擦學系統(tǒng)，也一直是磨粒檢測故障診斷中的應用對象，文章采用鐵譜分析法對大型船用柴油機MAN Bamp;W 7K90MC進行了磨損檢測實驗。研究結果表明：通過對油液中磨粒圖像識別分析而預測的故障，與實際拆裝檢測得出的故障基本吻合，有利于鐵譜分析法在故障診斷中的推廣應用。

鐵譜分析法；船舶柴油機；故障診斷；應用研究

船舶柴油機在運行的過程中，運動副的機械磨損在所難免，磨損是引起主機零件失效的重要原因之一。為減少柴油機各運動系統(tǒng)的磨損，柴油機中都有潤滑系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)貫穿整個摩擦副，因此潤滑油中含有豐富的機械零件信息，其磨損顆粒直接反映了零件的故障所在和柴油機工作狀況[1-2]。目前國內(nèi)外關于磨粒監(jiān)測識別、故障診斷技術主要是油液檢測法，常用的油液磨粒檢測方法中主要有光譜油料分析法、磁塞檢測法、鐵譜分析法等。光譜油料分析法存在其局限性，無法測定大于10 μm的異常磨損產(chǎn)生的大顆粒金屬磨粒；磁塞檢測法僅對50 μm的磨粒敏感；而鐵譜分析法可以觀察到所有尺寸的磨粒，因此得以廣泛應用[3-4]。該技術最早在20世紀70年代由美國海軍研究人員提出，它是一種借助磁力將油液中的顆粒分離出來，并將顆粒排列在基片上(即制片)，然后在顯微鏡下觀察磨粒的顏色、形狀、大小等紋理特征，從而分析機器的磨損狀態(tài)和故障所在。摩擦學的研究表明：磨損顆粒的種類和數(shù)量以及增加的速度與摩擦面材料的磨損程度及磨損速度有直接的關系；而磨粒的形態(tài)、顏色及紋理等則與磨損類型、磨損進程有密切關系。因此鐵譜分析法在判斷柴油機磨損故障的部位、嚴重程度、發(fā)展趨勢及產(chǎn)生的原因等方面具有重要的作用。

1 鐵譜譜片的制備

鐵譜譜片的制備包括采樣和制譜2個部分，本文以船舶主機MAN Bamp;W 7K90MC柴油機為研究對象，柴油機的各項參數(shù)如表1所示。該柴油機已在中遠遠洋船舶上服役多年，由于柴油機使用年限較長，因此，該柴油機在連續(xù)運轉的過程中極易產(chǎn)生磨損顆粒和一些輕微故障，在實驗室中使柴油機在額定工況下連續(xù)運轉直至出現(xiàn)運轉異常，然后再在潤滑油中取樣制作譜片。

表1 MAN Bamp;W 7K90MC柴油機各項參數(shù)

取樣前準備好幾個清潔的無色透明玻璃杯作為取樣瓶，用取油工具從潤滑油循環(huán)油管中抽取潤滑油樣，取樣工作是鐵譜分析的第一步，必須保證所取的油樣含有能反映機器工況變化的磨損顆粒，只有這樣才能通過鐵譜分析法正確的分析柴油機的磨損狀態(tài)和故障所在，取樣時應注意以下幾點。

1)取樣點應盡量選擇在潤滑油過濾之前，并且不能從油管的死角、底部、側部取樣。

2)由于大多數(shù)磨粒的密度大于油液，為防止磨粒沉淀，取樣時應盡量選擇在柴油機運轉時，或剛停機時取樣。

3)取樣時應始終在同一位置、同一條件下進行，由于本實驗是在運轉過程中取樣，所以取樣時保持柴油機的轉速和負荷不變。

在進行潤滑油樣鐵譜制片之前，為保證分析油樣具有合適的粘度和一定的流動性，還應對樣本進行稀釋處理，其中包括濃度的稀釋和粘度的稀釋，以得到合適的磨粒濃度測量信息和數(shù)據(jù)。本實驗是在油樣中加入一定比例有機溶劑四氯乙烯，油樣與四氯乙烯的體積混合比為3∶1，使兩者充分混合，然后制作譜片。本實驗采用的鐵譜儀為FTP一X2型分析式鐵譜儀，其工作原理如圖1所示[5]。

1-油樣；2-導油管；3-微量泵；4-玻璃基片；5-磁場裝置；6-回油管；7-貯油杯。圖1 FTP—X2型鐵譜儀工作原理

鐵譜譜片是根據(jù)分析鐵譜儀的工作流程而制備的磨粒玻璃基片，為了對油樣中的磨粒進行精確的分析，確保對設備磨損狀態(tài)診斷和預測的準確性，必須制備出合格的鐵譜片，良好的鐵譜片應具備以下幾個條件[6]。

1)磨粒在鐵譜片上不能有重疊部分，以減少圖像分析過程中的圖像分割不精確性，且磨粒覆蓋率gt;50%。

2)沉積磨粒在鐵譜片上應按照其粒度大小排列。

3)鐵譜片上不能有殘余油液的痕跡，每個磨粒的輪廓線應清晰可見，表面細節(jié)可辨。

2 鐵譜圖像分析與磨損故障診斷

本實驗研究采用美國OLYMPUS公司生產(chǎn)的BH—2型鐵譜顯微鏡分析鐵譜片,摩擦學研究結果表明，雖然機械系統(tǒng)的運動副摩擦機理非常復雜，表現(xiàn)在各種各樣的磨粒形態(tài)特征上，但是同種磨損故障產(chǎn)生的磨損磨粒卻具有相似的形態(tài)參數(shù)。根據(jù)故障機理和磨粒的形態(tài)參數(shù)的不同，通常把磨粒分為正常滑動磨粒、嚴重滑動磨粒、疲勞剝塊磨粒、層狀磨粒、球狀磨粒、氧化物磨粒和有色金屬磨粒等。運用磨粒的這些形態(tài)參數(shù)，可以對磨粒進行識別，從而判斷磨損故障形式。

利用鐵譜顯微鏡對柴油機的相應譜片進行觀察和分析，在譜片上發(fā)現(xiàn)了數(shù)量較多的油泥，在不同的譜位上還存在著球狀磨粒、切削磨粒、疲勞塊狀磨粒、有色金屬磨粒以及一些正常磨粒等。油泥和非金屬結晶體的鐵譜圖片如圖2所示，油泥和非金屬結晶體都與潤滑油的變質和污染有關。如果潤滑油在使用過程中受到高溫作用，如由于活塞環(huán)失效、燃氣直接接觸潤滑油以及不完全燃燒逐漸生成的積炭溶解；或燃油漏入滑油系統(tǒng)內(nèi)，逐漸生成有機酸、硫化物等，都會使?jié)櫥桶l(fā)生劣化現(xiàn)象，逐漸產(chǎn)生油泥和非金屬結晶體。后經(jīng)實際拆機檢查，發(fā)現(xiàn)該柴油機進氣口有噴機油的現(xiàn)象，機油進入燃燒室后，與燃油一起參與了燃燒，說明上述鐵譜分析的結果基本是正確的。

圖2 油泥和非金屬結晶體鐵譜圖像

圖3 球狀磨粒圖像

在54.8 mm和55 mm譜位上存在著球狀磨粒，如圖3所示，球狀磨粒有可能是由滾動軸承的疲勞磨損所致，也有可能是發(fā)生了腐蝕磨損，腐蝕磨損產(chǎn)生的球狀磨粒一般尺寸較小，從圖3可以看出，該譜片中的球狀磨粒尺寸較大，可能是摩擦生熱產(chǎn)生高溫，由高溫引起了疲勞磨損所致。經(jīng)拆機檢查是該柴油機滾動軸承磨損較嚴重所致。

在譜位上發(fā)現(xiàn)存在著疲勞塊狀磨粒和切削磨粒，疲勞塊狀磨粒如圖4所示，為進一步進行實驗觀察，在330 ℃下對該譜片進一步做加熱分析，發(fā)現(xiàn)疲勞塊狀磨粒表面呈藍回火色，這是低合金鋼類材料的特征回火色，說明疲勞塊狀磨粒來自低合金鋼類材料。根據(jù)柴油機的油路分析，切削磨損微粒和疲勞塊狀磨粒極有可能都來自活塞環(huán)，此疲勞塊狀磨粒尺寸較大，表明該機車的活塞環(huán)可能已經(jīng)發(fā)生了較嚴重的疲勞磨損。切削磨粒如圖5所示，該磨粒則是由于該機車的活塞環(huán)表面有硬質點切入軟表面引起切削磨損而產(chǎn)生。

圖4 疲勞塊狀磨粒

圖5 切削磨粒

該柴油機對應譜片中的有色金屬微粒也很典型，如圖6所示。對譜片加熱分析時，微粒顏色基本不變，經(jīng)分析，該有色金屬微粒也是鋁磨粒。此譜片中，鋁磨粒的尺寸較大，顯然是由于發(fā)生了嚴重滑動磨損而產(chǎn)生的，同時，圖5加溫后所示的鋁磨粒表面有一些孔洞，這是由于鋁磨粒從零件表面掉下來后受壓所致，據(jù)此認為該柴油機的活塞有不正常磨損。當然，在鐵譜圖像中發(fā)現(xiàn)較多的還是正常磨損顆粒如圖7所示。

圖6 有色金屬磨粒圖像

圖7 正常磨損顆粒

3 結束語

1)通過以上對鐵譜圖像的分析與實際的拆機檢查所得出的結論為：該船舶柴油機由于潤滑不良，已經(jīng)發(fā)生了較為嚴重的不同形式的磨損，其磨損狀態(tài)應引起注意，拆機檢查時已發(fā)現(xiàn)活塞與缸套組件存在不同程度的磨損，持續(xù)運轉下去易發(fā)生拉缸燒瓦故障，鐵譜分析法在該型船舶柴油機的故障分析與實際情況基本吻合。

2)鐵譜分析法在柴油機故障診斷中是一種有效的檢測方法，其作用不容小覷，但是由于需要結合過硬的機械摩擦學知識水平，才能準確地預測和分析故障所在，限制了其應用范圍。

3)由于存在需結合摩擦學知識來分析鐵譜圖像的缺點，若將其分析技術建立一套有效的專家?guī)煸\斷系統(tǒng)，進行自動識別和故障預測將擴大鐵譜分析技術的應用范圍。

[1] 張葉龍，趙寶剛，徐久軍，等.缸套—活塞環(huán)摩擦學系統(tǒng)分析[J].中國修船，2008(1):30-33.

[2] 劉洪賀，杜善剛，王沖.某船右主機活塞拉缸故障分析與排除[J].中國修船，2013(4):10-12.

[3] 杜杰偉，毛俊元，陳凱軍，等.基于光纖傳感的發(fā)動機零部件磨損狀態(tài)監(jiān)測與評價[J].起重運輸機械, 2014(7):115-119.

[4]左洪福，涂群章，李艷軍.潤滑油液污染顆粒圖像監(jiān)測系統(tǒng)與實驗研究[J].兵工學報,2005,26(5):625-628.

[5] 陳娟.不同磨損狀態(tài)的磨粒特征研究[D].昆明：昆明理工大學,2007.

[6] 李美榮.鐵譜分析技術及其在工程機械故障診斷中的應用[J].桂林航天工業(yè)高等專科學校學報,2009(1)：46-47.

Marine diesel engine is a collection of reciprocating and rotating parts of a typical tribological system,which have always been application object in fault diagnosis with grinding particle detection.In this paper,iron spectrum analysis method is used to make a wear test for the large marine diesel engine MAN Bamp;W 7K90 MC.The results show that fault prediction through the wear particle image recognition analysis accords basically with the actual disassembly fault detection,which is favorable for promoting application of iron spectrum analysis in fault dignosis.

iron spectrum analysis;marine diesel engine;fault diagnosis;application research

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.02.012

國家級“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”(20141049712003)；武漢理工大學自主創(chuàng)新基金項目(2014-HY-B1-06)

秦潤軒(1993-)，男，回族，新疆烏魯木齊人，在讀本科生，研究方向為能源動力系統(tǒng)及自動化、機械設備。

2014-11-12