原子發(fā)射光譜分析技術(shù)在船舶中間軸承監(jiān)測(cè)診斷中的應(yīng)用

于 濤

(中國(guó)人民解放軍91315部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

0 引言

船舶中間軸承用來(lái)承受中間軸的重量及因軸系變形和運(yùn)動(dòng)造成的附件徑向負(fù)荷，承受與中間軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦與磨損。中間軸承工作表面的主要失效形式有磨損、裂紋、剝落、膠合、燒熔等[1]。油液監(jiān)測(cè)技術(shù)是將采集到的潤(rùn)滑油樣品，利用光、電、磁學(xué)等手段，分析其理化指標(biāo)、檢測(cè)所攜帶的磨損和污染物顆粒，從而獲得機(jī)器的設(shè)備潤(rùn)滑和磨粒狀態(tài)的信息，定性和定量地描述設(shè)備的磨損狀態(tài)，找出誘發(fā)因素，評(píng)價(jià)機(jī)器的工況和預(yù)測(cè)機(jī)器故障，并確定故障部位、原因和類型[1-5]。

1 原子發(fā)射光譜技術(shù)

原子發(fā)射光譜是利用氣體火焰、交流或直流電弧、等離子體火焰等方式激發(fā)油液試樣，使油樣中各微量元素的原子釋放出具有特征頻率的光子，從而獲得發(fā)射光譜。測(cè)量譜線的波長(zhǎng)以及譜線的相對(duì)強(qiáng)度，進(jìn)而求得油樣所含元素成分以及含量[6]。

1.1 直讀原子發(fā)射光譜儀

直讀原子發(fā)射光譜儀將分光后的各單色光照射在與各元素譜線位置相吻合的光電轉(zhuǎn)換器件(如光電倍增管)上，光能直接轉(zhuǎn)化為電流，電流的大小與光能的強(qiáng)弱成增函數(shù)的關(guān)系。通過(guò)校準(zhǔn)和A/D轉(zhuǎn)換，可以直接讀出元素的濃度值。直讀原子發(fā)射光譜儀工作原理及其分析系統(tǒng)的主要構(gòu)成見圖1。

1.2 原子發(fā)射光譜分析方法

通過(guò)原子發(fā)射光譜分析可以得到潤(rùn)滑油中的各種微量元素成分及其含量，獲取數(shù)據(jù)信息包括：(1)磨損元素的成分和含量，鐵、鉻、鉛、銅、錫、鋁一般為磨損特征金屬元素，根據(jù)設(shè)備運(yùn)動(dòng)摩擦副零件的材料構(gòu)成以及磨損元素的成分和含量，可以判斷磨粒產(chǎn)生的可能部位及磨損程度；(2)添加劑元素及污染物元素的成分及含量，磷、鈣、鋅是添加劑元素，硅、硼、鈉、鎂是監(jiān)測(cè)粉塵污染和水分污染特征元素，根據(jù)潤(rùn)滑油的性能要求，添加劑元素及污染物元素的成分和含量可以判斷潤(rùn)滑油的劣化變質(zhì)程度；(3)磨損元素變化率為單位時(shí)間內(nèi)主要磨損元素含量的變化(磨損梯度)，可以表征磨損增長(zhǎng)速度[7-15]。

2 應(yīng)用實(shí)例

2019年9月至11月對(duì)某型船舶航行期間中間軸承采用油液監(jiān)測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)診斷。

2.1 油液取樣

取樣對(duì)象：2根軸系4個(gè)中間軸承；取樣周期：每運(yùn)行200 h；取樣部位：油位計(jì)量油尺套管；取樣時(shí)機(jī)：軸系正常穩(wěn)定工況；取樣方法：取樣器取樣。

2.2 監(jiān)測(cè)儀器

超譜M型原子發(fā)射光譜儀具有分析速度快、讀數(shù)準(zhǔn)確、重復(fù)性好、分析容量大等特點(diǎn)，可直接顯示元素的含量。該儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置是分析19個(gè)元素，鐵、鉻、鉛、銅、錫、鋁、鎳、銀、硅、硼、鈉、鎂、鋇、磷、鈣、鋅、鉬、鈦、釩。檢測(cè)數(shù)據(jù)單位是μg/g，是一個(gè)相對(duì)含量。

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)分析整理，分別采用絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行診斷，結(jié)果表明添加劑元素及污染物元素的成分及含量均正常，表征柴油機(jī)磨損類的鐵、銅、鉛和錫元素含量偏高。選取鐵、銅、鉛和錫元素繪制含量趨勢(shì)圖，見圖2～圖5。

圖2 鐵元素含量趨勢(shì)

圖3 銅元素含量趨勢(shì)

圖4 鉛元素含量趨勢(shì)

圖5 錫元素含量趨勢(shì)

運(yùn)用絕對(duì)判別法參考船舶中間軸承金屬元素含量經(jīng)驗(yàn)預(yù)警值(鐵：30 μg/g；銅：10 μg/g；鉛：5 μg/g；錫：5 μg/g)和異常值(鐵：50 μg/g；銅：20 μg/g；鉛：10 μg/g；錫：10 μg/g)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析圖2～圖5的數(shù)據(jù)，可以看出3號(hào)中間軸承工作19600 h，油液中鉛、錫元素含量超過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)警值，工作19800 h，油液中銅元素含量接近經(jīng)驗(yàn)預(yù)警值。

運(yùn)用相對(duì)判別法綜合分析圖2～圖5的數(shù)據(jù)，可以看出3號(hào)中間軸承工作19400～19800 h之間，油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量增加較快。

運(yùn)用類比判別法綜合分析圖2～圖5的數(shù)據(jù)，可以看出3號(hào)中間軸承工作19400～19800 h之間較1、2和4號(hào)中間軸承鐵、銅、鉛、錫元素含量均偏高。

綜合分析圖2～圖5的數(shù)據(jù)，可以看出3號(hào)中間軸承工作20000 h后，油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量正常。

2.4 故障檢修

針對(duì)3號(hào)中間軸承工作19600 h油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量偏高的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該軸承潤(rùn)滑油油量不足，采取了補(bǔ)充潤(rùn)滑油的檢修工作。針對(duì)3號(hào)中間軸承工作19800 h油液中鐵、銅、鉛、錫元素含量持續(xù)上升的情況，判斷3號(hào)中間軸承可能存在磨損故障，參考船舶中間軸承潤(rùn)滑油換油標(biāo)準(zhǔn)(累計(jì)工作每20000 h更換潤(rùn)滑油)，采取了更換3號(hào)中間軸承潤(rùn)滑油和檢修該軸承工作。

2.5 故障分析

所監(jiān)測(cè)3號(hào)中間軸承存在磨損，鐵、銅元素主要來(lái)源于軸和軸承，錫元素主要來(lái)源于軸瓦。軸承端蓋密封膠圈斷裂磨損是造成該軸承磨損的直接原因，鉛元素主要來(lái)源于密封件，舊的密封膠圈黏合處斷裂且磨損量達(dá)1 mm。該故障產(chǎn)生原因可能系船舶航行期間氣象條件較差，導(dǎo)致船體和軸系振動(dòng)加大，引起軸承端蓋密封膠圈斷裂導(dǎo)致中間軸承磨損。

3 結(jié)束語(yǔ)

原子發(fā)射光譜分析技術(shù)是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的主要手段之一，利用原子發(fā)射光譜儀不需要對(duì)油樣進(jìn)行預(yù)處理，適用于船舶連續(xù)航行期間船舶中間軸承監(jiān)測(cè)診斷，能夠準(zhǔn)確診斷出磨損故障。原子發(fā)射光譜技術(shù)適用于各類具有封閉或半封閉潤(rùn)滑系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備，在設(shè)備磨損機(jī)理研究、判定潤(rùn)滑油污染程度、確定潤(rùn)滑油添加劑損耗情況、定制合理的換油周期等多個(gè)方面均獲得了廣泛的應(yīng)用。