船舶柴油機(jī)幾何尺度因素對潤滑油磨粒監(jiān)測影響分析

吳善躍，陳 昕，任鳳華

(92957部隊，浙江 舟山 316000)

潤滑油光譜分析作為一種重要的油液監(jiān)測技術(shù)手段，已在船舶動力機(jī)械質(zhì)量監(jiān)控中得到了廣泛應(yīng)用。它主要是根據(jù)不同時期潤滑油所含磨粒材料成分及其含量的變化，判斷摩擦副磨損程度，預(yù)報可能發(fā)生的故障，分析和確認(rèn)出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象的部位及原因。

從該項技術(shù)應(yīng)用的實際情況看，它能夠有效地發(fā)現(xiàn)活塞缸套磨損、軸承磨損、齒輪磨損等磨損類型故障。然而，在總結(jié)分析我單位收集的監(jiān)測案例時發(fā)現(xiàn)：磨損類型故障主要集中在中小型機(jī)械裝備，很少有大型機(jī)械裝備磨損故障。以船舶柴油機(jī)油液監(jiān)測為例，所收集的成功案例均屬于中小型柴油機(jī)，而無大型柴油機(jī)成功案例。相反，在我們的實際監(jiān)測工作中卻多次遇到大型柴油主機(jī)磨損故障監(jiān)測失效的案例。例如，某船主機(jī)為大型中速柴油機(jī)，艦員在其運轉(zhuǎn)中發(fā)現(xiàn)有一處主軸承溫度超標(biāo)報警，停機(jī)取潤滑油樣品送至我單位檢測金屬磨粒含量，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)含量異常增加，而實際拆檢卻發(fā)現(xiàn)該軸承軸瓦已出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

同樣是柴油機(jī)油液監(jiān)測，為什么中小型柴油機(jī)磨損故障監(jiān)測效果相對較好，而大型柴油機(jī)卻不甚理想，其中是否存在幾何尺度因素影響，應(yīng)當(dāng)如何改進(jìn)大型柴油機(jī)監(jiān)測，本文擬結(jié)合船舶柴油機(jī)實際系統(tǒng)探討這些問題。

1 影響潤滑油磨粒含量的幾何尺度因素

1.1 潤滑油取樣與潤滑油磨粒含量

潤滑油取樣是開展油液監(jiān)測的第一步基礎(chǔ)性工作，它對潤滑油磨粒含量分析結(jié)果有著直接影響。在討論潤滑油磨粒含量與幾何尺度關(guān)系前，需先分析這一影響，并對相關(guān)問題予以明確。

如圖1所知，滑油泵從循環(huán)油箱吸入潤滑油，先通過滑油冷卻器進(jìn)行冷卻，而后通過濾器去除一定尺寸固體顆粒雜質(zhì)，接著再進(jìn)入主要摩擦副用于潤滑，最后通過回油管返回循環(huán)油箱。取樣前一般要求設(shè)備運行足夠時間，確保潤滑油中磨粒含量達(dá)到動態(tài)平衡。

圖1 典型潤滑系統(tǒng)及取樣點示意圖1-回油管路中取樣點；2-循環(huán)油箱中潤滑油液面高度一半部位取樣點；3-滑油泵輸入管部位取樣點；4-滑油泵輸出管部位取樣點；5-濾器前與冷卻器之間管路取樣點；6-濾器與主要摩擦副之間管路取樣點。

取樣位置宜選擇在摩擦副后至濾器前位置，具體如圖1中1、2、3、4、5，由于濾器會去除部分磨損顆粒，6點不應(yīng)被選作為取樣部位。需要說明的是，取樣部位1與取樣部位2、3、4、5存在一定的區(qū)別。當(dāng)機(jī)器發(fā)生嚴(yán)重異常磨損時，潤滑油經(jīng)過異常磨損摩擦副會攜帶大量磨粒，回油管路潤滑油攜帶磨粒含量局部相對較高，而回油進(jìn)入循環(huán)油箱后，循環(huán)油箱中潤滑油會對回油磨粒含量起稀釋作用，導(dǎo)致油箱中潤滑油磨粒含量相對較低。當(dāng)機(jī)器處于正常運轉(zhuǎn)或者是異常磨損程度較輕時，它們的磨粒含量較低。因此，從嚴(yán)格意義上講，取樣部位1所取油樣代表的是磨粒含量即時油樣，而取樣部位2、3、4、5所取油樣代表的是磨粒含量平均化油樣。

就反映摩擦副磨損狀態(tài)而言，取樣部位1能獲得更為敏感的分析信息，因而是優(yōu)先選取樣部位。然而，在實際柴油機(jī)監(jiān)測中，許多柴油機(jī)無回油總管，其主要潤滑部位回油是通過內(nèi)部管路直接流向油底殼，無法實現(xiàn)回油管取樣；有少數(shù)機(jī)型雖有回油總管，但管路卻未設(shè)置取樣接口。在實際取樣中，更多的是在油底殼、循環(huán)滑油柜、滑油泵出口壓力表等部位取樣，即圖1中的2、4處，而在這些部位獲得的油樣實質(zhì)上是磨粒含量平均化油樣。因此，考慮到現(xiàn)實情況，本文有關(guān)潤滑油磨粒含量與結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系的分析是按照潤滑系統(tǒng)磨粒含量平均化進(jìn)行討論的。對于磨粒含量平均化油樣，磨粒含量ρ可按式(1)計算：

(1)

式中：V為潤滑系統(tǒng)潤滑油總量；m為從摩擦副磨損下來進(jìn)入潤滑系統(tǒng)的磨粒元素質(zhì)量。

1.2 潤滑油磨粒含量幾何尺度因素參數(shù)

對于一個理想摩擦副而言，磨損量與多個因素有關(guān)，如摩擦副相對運動周期數(shù)、摩擦副面積、摩擦副表面材料特性、摩擦副表面粗糙度、作用在摩擦副的外載荷等[1]。其中，磨損量與摩擦副面積之間的關(guān)系為正比關(guān)系。基于這一點，從摩擦副磨損下來進(jìn)入潤滑系統(tǒng)的磨粒元素質(zhì)量m可用式(2)表示:

m=f(k1,k2,…,kn)×S,

(2)

式中：f(k1,k2,…,kn)代表摩擦副表面材料特性、摩擦副表面粗糙度、作用在摩擦副上的外載荷、摩擦副相對運動周期數(shù)等其它磨損影響因素數(shù)學(xué)表達(dá)式；S為摩擦面積。

假設(shè)該摩擦副所在潤滑系統(tǒng)滑油總量為V，摩擦副磨損顆粒混入滑油后均勻分布，則潤滑油磨粒含量可按式(3)計算:

(3)

式(3)是由式(2)代入式(1)而得到。在式(3)中，f(k1,k2,…,kn)基本上與尺度無關(guān)，與尺度有關(guān)的參數(shù)為摩擦副面積S、潤滑系統(tǒng)滑油總量V。一般而言，設(shè)備幾何尺度越大，摩擦副面積越大，潤滑系統(tǒng)滑油總量也越多。由S和V組成的參數(shù)S/V，可稱為潤滑油磨粒含量幾何尺度因素參數(shù)。它是影響潤滑油磨粒含量增長的敏感性參數(shù)，在f(k1,k2,…,kn)相同情況下，S/V越大，磨粒含量ρ越大。

2 基于相似原理的幾何尺度因素影響分析

對于幾何尺度因素影響問題，可以根據(jù)相似原理進(jìn)行理論分析。假設(shè)設(shè)備1與設(shè)備2符合幾何相似條件，而其它條件完全相同。這意味著設(shè)備1與設(shè)備2一切對應(yīng)的線性尺寸成比例，設(shè)備2相對設(shè)備1的線性尺寸比例為CL:

(4)

式中：L1和L2分別代表設(shè)備1和設(shè)備2相似部位的線性尺寸。由相似原理可知，面積比例常數(shù)CA和體積比例常數(shù)CV分別為

(5)

(6)

在幾何尺度因素參數(shù)S/V中，摩擦副面積S是面積參數(shù)，潤滑系統(tǒng)滑油總量V是體積參數(shù)。根據(jù)相似原理，設(shè)備1幾何尺度因素參數(shù)S1/V1與設(shè)備2幾何尺度因素參數(shù)存在如下關(guān)系：

(7)

由式(7)可知，幾何尺度因素參數(shù)S/V與線性尺寸比例參數(shù)CL成反比。進(jìn)一步結(jié)合式(3)，可從理論上說明：幾何尺度越大，幾何尺度因素參數(shù)S/V越小，相同情況下潤滑油中磨粒含量越低。

3 柴油機(jī)主要摩擦副的S/V參數(shù)分析

柴油機(jī)是目前最為常用的船舶動力機(jī)械，主要用于船舶推進(jìn)或電站原動機(jī)，其規(guī)格型號較多，幾何尺度相差較大。不同幾何尺度柴油機(jī)主要摩擦副S/V參數(shù)如何，是否遵從前文理論分析所述規(guī)律，還要結(jié)合實際機(jī)型數(shù)據(jù)進(jìn)行探討。

3.1 基本假設(shè)及相關(guān)參數(shù)計算方法

作為復(fù)雜動力機(jī)械，柴油機(jī)摩擦副部位較多。其中，缸套與活塞組件、主軸承是柴油機(jī)中主要摩擦副部位，也是磨損故障主要高發(fā)部位。本文擬對缸套、活塞環(huán)、主軸承軸瓦S/V參數(shù)進(jìn)行分析。為了簡化分析過程，分析前做如下假設(shè)：①所分析摩擦副均為均勻磨損理想狀態(tài)；②除摩擦副面積外，不同機(jī)型柴油機(jī)相同摩擦副部位影響磨損量因素一致(如摩擦副相對運動周期數(shù)、摩擦副表面材料特性、摩擦副表面粗糙度、作用在摩擦副的正壓力等)。

根據(jù)上述假設(shè)，單個缸套的摩擦副面積S缸套可由缸套內(nèi)直徑D缸套、沖程H按式(8)進(jìn)行估算：

S缸套=π×D缸套×H，

(8)

活塞環(huán)磨損可分為滑動表面磨損和端面磨損2種情況，其中以滑動表面磨損為常見故障形式。單個活塞環(huán)滑動表面磨損面積可由活塞環(huán)外直徑D活塞環(huán)和厚度B活塞環(huán)按式(9)估算：

S活塞環(huán)=π×D活塞環(huán)×B活塞環(huán)，

(9)

單個主軸承軸瓦摩擦副面積S軸承，可根據(jù)主軸承軸瓦內(nèi)直徑D軸承和軸承寬度B軸承按式(10)進(jìn)行估算：

S軸承=π×D軸承×B軸承。

(10)

3.2 常見機(jī)型主要摩擦副S/V參數(shù)

表1列出了8種不同船舶柴油機(jī)機(jī)型缸徑、沖程和潤滑油總量基本數(shù)據(jù)。其中，機(jī)型1至機(jī)型6為濕式承油盤潤滑系統(tǒng)柴油機(jī)，機(jī)型7和機(jī)型8為干式承油盤潤滑系統(tǒng)柴油機(jī)。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，按照式(8)估算缸套摩擦副面積，而后除以對應(yīng)的潤滑油總量，便可得到單個缸套磨損的S/V參數(shù)，具體數(shù)據(jù)參見表2。

表1 常見機(jī)型缸徑、沖程及滑油總量數(shù)據(jù)

表2 常見機(jī)型缸套磨損S/V參數(shù)

同理，由活塞環(huán)和主軸承軸瓦結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，根據(jù)式(9)和式(10)可分別計算得到相應(yīng)的摩擦副面積，而后再除以潤滑油總量便可得到各自的S/V參數(shù)。表3為常見機(jī)型柴油機(jī)單個活塞環(huán)(氣環(huán))磨損的S/V參數(shù)，表4為單個主軸承軸瓦磨損S/V參數(shù)。

表3 常見機(jī)型活塞環(huán)滑動表面磨損S/V參數(shù)

表4 常見機(jī)型主軸承軸瓦磨損S/V參數(shù)

3.3 S/V參數(shù)比較分析

分析表2、表3和表4可知，缸套、活塞環(huán)滑動表面、主軸承軸瓦磨損參數(shù)基本保持相同數(shù)值變化規(guī)律：隨著缸徑增加，S/V參數(shù)雖不是嚴(yán)格單調(diào)減少，但總趨勢卻屬于急劇減少。其中，機(jī)型7、機(jī)型8的S/V參數(shù)值與其它機(jī)型相差較大。以缸套磨損為例，機(jī)型7、機(jī)型8的S/V參數(shù)值僅為機(jī)型1的1.6%和3.0%。

4 大型柴油機(jī)油液監(jiān)測失效問題探討分析

由前文S/V參數(shù)分析結(jié)果可進(jìn)一步探討大型柴油機(jī)油液監(jiān)測失效問題，分析方法如下：以中小柴油機(jī)磨損故障案例中的潤滑油磨粒元素含量為基本參考數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)以及表2、表3、表4所列S/V參數(shù)，推算大型柴油機(jī)出現(xiàn)類似故障時潤滑油磨粒元素含量，再從中探討監(jiān)測失效原因。

4.1 推算公式

按照式(3)，先假設(shè)中小型柴油機(jī)和大型柴油機(jī)潤滑油磨粒含量公式:

(11)

(12)

將式(12)除以式(11)，并做變換可得

(13)

假設(shè)不同機(jī)型柴油機(jī)相同摩擦副部位主要參數(shù)一致，即相對運動周期數(shù)、表面材料特性、表面粗糙度、摩擦副外載荷是一致的，則f大(k1,k2,…,kn)與f中小(k1,k2,…,kn)相等，式(13)可進(jìn)一步變換為：

(14)

式(14)即為根據(jù)中小型柴油機(jī)故障案例數(shù)據(jù)推算大型柴油機(jī)潤滑油磨粒元素含量理論公式。

4.2 基于故障案例數(shù)據(jù)分析

在實際監(jiān)測工作中，某船有一柴油機(jī)(機(jī)器規(guī)格型號為表1中機(jī)型3)曾出現(xiàn)單缸拉缸故障，汽缸內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。該柴油機(jī)管理人員在故障停機(jī)后立即從承油盤取樣監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤滑油中鐵元素含量增長了66.0 μg/g。如果表2機(jī)型8柴油機(jī)也出現(xiàn)相同嚴(yán)重程度拉缸故障，那潤滑油中鐵元素含量有可能是多少，根據(jù)式(14)及表2中兩機(jī)型參數(shù)，可推算該數(shù)值約為4.6 μg/g。又如，管理人員反映機(jī)型4的某柴油機(jī)存在滑油壓力低問題，而監(jiān)測發(fā)現(xiàn)潤滑油中銅元素和鉛元素含量在7天內(nèi)分別增長了18.0 μg/g和11.0 μg/g，結(jié)果拆檢發(fā)現(xiàn)有一處主軸承出現(xiàn)磨損故障。如果機(jī)型8柴油機(jī)也出現(xiàn)相同嚴(yán)重程度的軸承磨損故障，根據(jù)式(14)及表4中參數(shù)，可推算銅元素和鉛元素含量分別增長了1.5 μg/g和0.9 μg/g。

根據(jù)上述2個參考案例數(shù)據(jù)推算結(jié)果可知，與中小型柴油機(jī)相比，大型柴油機(jī)出現(xiàn)相同磨損故障時，潤滑油中磨損元素含量增長較低。對于油液原子發(fā)射光譜分析而言，這些數(shù)值變化屬于小變化量(有的甚至接近儀器分析誤差)，在日常油液監(jiān)測中一般不會將其列為故障數(shù)據(jù)，這就極易導(dǎo)致油液監(jiān)測失效問題出現(xiàn)。而造成這一問題根源在于：大型柴油機(jī)采用干式承油盤和日用循環(huán)油艙，潤滑系統(tǒng)滑油總量較大，導(dǎo)致大型柴油機(jī)主要摩擦副參數(shù)遠(yuǎn)小于中小型柴油機(jī)。

5 結(jié)束語

針對大型柴油機(jī)磨損故障監(jiān)測效果差問題，本文系統(tǒng)分析柴油機(jī)油液監(jiān)測中的幾何尺度因素影響。綜合分析過程，可得到如下基本結(jié)論。

1)S/V是影響潤滑油磨粒含量增長的敏感性參數(shù)。S/V越大，當(dāng)摩擦副出現(xiàn)異常磨損時，潤滑油磨粒含量增長越明顯。

2)柴油機(jī)幾何尺度越大，主要摩擦副S/V參數(shù)值總體呈減少趨勢。由于潤滑系統(tǒng)滑油總量較大，大型柴油機(jī)S/V參數(shù)值遠(yuǎn)小于中小柴油機(jī)。

3)根據(jù)實際機(jī)型柴油機(jī)S/V參數(shù)和參考案例數(shù)據(jù)分析，大型柴油機(jī)出現(xiàn)中小型柴油機(jī)相同磨損故障時，潤滑油中磨損元素含量增長數(shù)值較小，極易出現(xiàn)結(jié)果分析誤判。

鑒于大型柴油機(jī)油液磨粒分析敏感度遠(yuǎn)低于中小型柴油機(jī)，在實際油液監(jiān)測工作中大型柴油機(jī)油液監(jiān)測技術(shù)運用應(yīng)當(dāng)有別于中小型柴油機(jī)，需做相應(yīng)調(diào)整。

1)要應(yīng)積極改進(jìn)大型柴油機(jī)油液取樣。首先，應(yīng)調(diào)整常用取樣部位，確保所取油樣為回油管路中的磨粒含量即時油樣，而不是經(jīng)循環(huán)油柜稀釋后的平均化油樣。其次，取樣時應(yīng)嚴(yán)格確保潤滑系統(tǒng)磨粒含量處于動態(tài)平衡狀態(tài)，避免非平衡狀態(tài)取樣對結(jié)果分析有不良影響。

2)要綜合運用多種監(jiān)測技術(shù)手段，以信息融合方式監(jiān)測分析大型柴油機(jī)磨損狀態(tài)。目前，大型柴油機(jī)主軸承部位普遍安裝有溫度傳感器。從實際運用情況看，溫度對軸承磨損較為敏感，溫度監(jiān)測可彌補(bǔ)油液監(jiān)測不足。而對于活塞缸套部位，則可將振動監(jiān)測技術(shù)手段作為補(bǔ)充。該技術(shù)手段具有一定分析效果，它主要通過測量機(jī)體振動信號，從而實現(xiàn)對柴油機(jī)拉缸等典型磨損故障的診斷分析[2-4]。