鐵譜分析技術在柴油機故障監測和診斷中的應用

王立華+趙東升+張健

摘 要：本文介紹了鐵譜分析技術的工作原理、分類以及柴油機常見故障的磨粒圖譜特征，運用鐵譜分析技術對艦船柴油機運行故障進行監測與故障診斷，預先發現柴油機早期缺陷與故障，逐步實現柴油機狀態的預先維修，為艦船柴油機的使用與維修提供可靠依據，可以有效保證艦船柴油機的安全可靠運行。

關鍵詞：鐵譜分析技術；柴油機使用與維修；故障監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.027

1 前言

隨著科學技術的不斷發展，裝備管理的理念已經從常規管理向綜合管理的方向發展，形成了裝備管理的現代模式。

油液分析技術的主要作用[1，2]包括：（1）確定設備合理的換油時機；（2）檢驗設備用油品質，防止假油或油錯用對設備造成損害；（3）確定設備主要磨損機理及磨損程度，實現設備資源合理調度；（4）診斷正在發生或潛在故障，為設備維修決策提供依據；（5）對設備的合理潤滑提供技術支持，實現設備的科學維護與保養；（6）為潤滑油、摩擦副等相關零部件的改進和創新提供科學依據。

2 鐵譜分析儀器的分類及工作原理

實施鐵譜分析技術的重要工具之一是鐵譜儀，鐵譜儀運用比較廣泛的主要有四類[1，2]：（1）分析式鐵譜儀；（2）直讀式鐵譜儀；（3）旋轉式鐵譜儀；（4）在線式鐵譜儀。

2.1 分析式式鐵譜儀

分析式鐵譜儀工作原理如圖1所示。

微量空氣泵以極小的流量將試管內的油樣壓滴在以一定角度傾斜放置的高梯度強磁鐵上方的鐵譜基片上（傾斜角度為1?～2?左右）。在鐵譜基片上有一U形憎油性限流帶，限制油樣在基片上沿垂直于磁鐵磁力線的方向由上向下流動。借助于顯微鏡，分析磨粒的數量、尺寸分布、成分、類型等特征信息，這些磨粒能夠傳遞出機械摩擦副磨損狀態的重要信息。

2.2 旋轉式鐵譜儀

旋轉式鐵譜儀的工作原理是利用離心力和磁場的聯合作用，將油液中的磨損顆粒分離出來，按規則排列沉積在鐵譜基片上；借助于顯微鏡，分析磨粒的數量、尺寸分布、成分、類型等，測得內圈大磨粒讀數Di和外圈小磨粒讀數Do，從而確定設備磨損的狀況。

2.3 在線式鐵譜儀

在線式鐵譜儀是一種基于特種傳感器嵌入被檢測設備內部的在線監測設備。在線式鐵譜儀直接安裝在現場柴油機潤滑系統的循環油路中，液體中的磨粒被磁場分離出來，磨粒按尺寸大小沉積，然后經專用傳感器對磨粒進行簡單的定量分析，可直接提供油液中磨粒密度的在線讀數和大磨粒的百分比。通過磨粒濃度和大磨粒數量，可以判斷柴油機磨損狀態和故障前兆。

3 柴油機潤滑油中常見磨粒

（1）柴油機拉缸。柴油機拉缸前從潤滑油中分離出的球形顆粒，分析產生機理為：金屬表面粘著磨損，局部接觸點瞬間很高的閃溫使材料處于熔融狀態，在迅速冷卻中重結晶形成，可作為柴油機拉缸的重要判據。（2）柴油機活塞破裂。柴油機活塞裙部破裂產生的鋁合金塊狀顆粒，分析其產生機理為：接觸疲勞，疲勞裂紋逐漸擴展形成的。

（3）柴油機軸瓦磨損。柴油機軸瓦磨損產生的疲勞磨損顆粒是由于表面接觸疲勞形成的，分析可見主要成分為銅合金顆粒。（4）柴油機中的切削磨損顆粒。由于硬質顆粒或硬的凸起的切削作用而造成摩擦副表面材料脫落形成的顆粒。

4 鐵譜分析技術應用實例

2014年，某型高速大功率柴油機，其運行時間近三萬小時， 日常保養時對柴油機潤滑油進行監測，各項理化指標正常，但在鐵譜分析中發現潤滑油中出現較多的銅合金異常磨損顆粒，顆粒的數量較多；有較多疲勞磨粒，最大尺寸為21×37μm；有較多滑動磨粒，最大尺寸為27×51μm；有少量片狀磨粒，最大尺寸為38×25μm。由于鐵譜分析發現該柴油機存在較嚴重問題，立即對過濾器進行清洗，并對機油進行了反復的精細過濾處理。繼續運轉了592小時后，再次取樣分析，鐵譜分析的結果發現銅合金異常磨損顆粒數量仍然較多，且顆粒較大，異常磨損依然存在。對該柴油機安排拆機檢修，拆機結果發現右五缸連桿小端銅套松動，且已經嚴重劃傷，連桿小端銅套已經發生嚴重磨損。由于及時安排拆機檢修，只需要更換右五缸連桿小端銅套，避免了柴油機發生嚴重故障。

5 鐵譜分析技術應用分析及趨勢

在用戶角度，一是定期對油品進行鐵譜分析，可以有效判斷柴油機的磨損狀態和故障前兆信號，能有效改善以往按工作時間定檢、及各級別保養的維護保障機制。二是在用戶最關注的在線的柴油機狀態監測和故障診斷方面，鐵譜分析技術和設備的應用發展方向有以下兩個方面：

一是鐵譜分析技術離線和在線技術的結合。

二是鐵譜分析技術與其他狀態檢測診斷技術的綜合。

6 結論

鐵譜分析技術能鑒別機械摩擦副在不同磨損狀態下所產生的各種特征磨損微粒。它著重于對金屬磨粒的形貌、大小及成分的微觀分析，直觀地獲得機械主要摩擦副表面的磨損情況。柴油機存在很多摩擦副組件，運用鐵譜分析技術對柴油機進行監測診斷，能夠及早發現柴油機存在的早期故障，為柴油機的使用與維修提供可靠的技術支持，降低柴油機全壽命周期費用，延長使用壽命。

參考文獻：

[1]楊其明，嚴新平，賀石中.油液監測分析現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006（08）.

[2]楊志伊，鄭文.設備狀態監測與故障診斷[M].北京：中國計劃出版社，2006（06）.