船舶動力設備狀態監測與故障診斷技術分析

肖科彬 粵興機電工程（中山）有限公司

船舶動力設備正常運行是保障船舶安全航行的關鍵因素，故需要在船舶航行過程中采取有效措施對船舶動力設備運行狀態進行實時監測，及時發現故障隱患，并采取相應對策診斷，排除故障，以達到降低船舶航行安全事故發生率的目的。現階段，用于檢測船舶動力設備運行狀態和故障診斷的技術手段眾多，不同技術各具優勢與特點，振動檢測作為目前運用相對廣泛的狀態檢測手段之一，其認為任何機械進行能量轉化有用功時均會發生振動，且震動強弱與機械故障有關，通過獲取振動信號即可在不停機狀態下實現機械設備的狀態檢測和故障分析。因此，本文以柴油機為例，對振動法監測技術在設備狀態監測和故障診斷中的運用進行簡要分析。

1.基于行業標準的船舶動力設備振動法監測技術

1.1 設備狀態評價標準

利用振動法監測技術對船舶動力設備狀態監測與故障診斷時，需要參照選用的船舶動力設備評價標準主要包括：《GJB763.4-89 艦船噪聲限值和測量方法 船舶設備結構振動加速度測量》，該標準對設備結構振動加速度級的最大允許值進行了規定；《GJB4058-2000 艦船設備噪聲、振動測量方法》，該標準對設備空氣噪聲和振動的測量方法進行了規定；《GB＊3256-1985 船用柴油機振動評級》，該標準對船用柴油機試車臺架和實船運轉時的振動評價進行了規定；《GB/T16301-2008 船舶機艙輔機振動烈度的測量和評價》，該標準對汽輪發電機、壓縮機、柴油發電機等船舶機艙輔機振動烈度的測量與評價方法進行了規定；《GB＊10889-89 泵的振動測量與評價方法》，該標準對泵機械表面振動烈度的測量與評價方法進行了規定；《JB/T 8097-95泵的振動測量與評價方法》，該標準對泵非旋轉部件表面振動烈度的測量與評價方法進行了規定。

1.2 設備狀態評價參數

參照以上設備狀態評價標準，根據振動診斷理論方法，現階段用于評價船舶動力設備狀態的參數主要包括總振動速度的均方根值、振動烈度及振動量級。總振動速度的均方根值通常用來表示旋轉與往復式機器的基礎振動烈度，但在實際測量時，通常選取兩個顯著方向的振動進行測量。振動烈度通常用來表示振動強烈程度，計算該參數時，需要測量三個垂直方向上的振動速度。振動量級則包括振動位移級、振動速度級和振動加速度級，依照具體公式進行計算。

1.3 設備狀態評價標準實際應用

設備狀態評價過程中，針對不同設備，需選擇不同評價標準，本文便以柴油機為例，對設備狀態評價標準的實際應用進行分析。對于中小功率柴油機而言，對其運行狀態監控通常參照《GB/T10397-2003 中小功率柴油機振動評級》，測試過程中要保證柴油機運行狀態穩定，通過測定柴油機穩定運行時額定功率和轉速范圍內發生的最大振動，以確定柴油機振動烈度。

此外，依照支撐物性質的不同，振動評價標準分別對極限值進行不同規定。表1分別對7種船舶機械設備振動標準進行描述，其中第5類船舶機械即安裝于剛性基礎上的四沖程柴油機，第7類船舶機械則是實質安裝于彈性基礎上的四沖程柴油機。而在振動級別方面，A級代表新的使用機器振動區域，B級代表可正常進行工作的機器振動區域，C級代表無法長期正常工作的機器振動區域，D級代表振動足以損壞機器。

表1 船舶機械設備振動標準

但這種以行業標準為基礎的設備檢測方法具有一定局限性，一方面，該檢測方法只能在特定負荷或規定轉速情況下，對船舶設備運行狀態進行評估，另一方面，該檢測方法均能對船舶設備是否出現故障予以評估，而卻無法診斷出故障的具體類型。此外，選擇振動測點也需要依照規定進行，整個檢測過程也需要嚴格依照標準測量方法來進行，故需要對設備的運行機理加以研究分析，才能對設備故障具體情況進行進一步診斷。

2.基于動力設備故障機理的振動監測診斷方法

振動診斷技術是目前用于監測柴油機狀態相對有效的方法之一，缸套振動特征的變化通常受活塞與缸套間隙變化的影響，故依照活塞撞擊-缸套-機身振動的傳遞性，即可借助機身振動特性，對缸套-活塞間隙狀態變化進行準確預測。另外，缸蓋表面振動信號為柴油機缸內各種激勵力沖擊的綜合反映，該響應通常由一系列瞬態響應疊加而成，不同激勵力產生的頻率特性各有差別，因此通過收集缸蓋表面振動信號也能對氣閥狀態進行有效判斷與評估。

柴油機機身表面振動信號與活塞-缸套磨損狀態之間有著緊密關聯，且已有研究運用大量公式計算證實了兩者之間關系，活塞連桿結構見圖1。研究結果發現，活塞-缸套工作間隙改變會導致活塞氣缸內橫向運動發生變化，進而產生不同的活塞-缸套撞擊動量，激勵特征發生變化則會引起缸套振動特征改變，最后這種變化會直接反映到機身表面，因此在柴油機故障檢測中，獲取機身表面敏感測點振動信號，結合振動信號分析處理，從中獲得敏感特征參數，即可對活塞-缸套組件的磨損情況進行診斷與評估。此外，本文還在研究中發現，機身振動加速度總振級在評估活塞-缸套磨損程度中也能發揮重要作用，且通過試驗證明，其敏感測點位于缸套中點處及其對應上止點處。

圖1 活塞連桿結構簡圖

3.小結

現階段，振動法監測技術在多種船舶動力設備狀態監測與故障診斷中均有不錯應用效果，但該技術手段依然存在許多不足之處有待改進，因此相關部門還需加強技術研發，優化技術手段，為我國船舶航運業發展提供技術保障。