淺析工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷現(xiàn)狀及發(fā)展

林馳，陳軍，王波，趙鑫，陳海峰

（江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

船舶是水路運(yùn)輸中的重要運(yùn)輸設(shè)備，也是海洋開發(fā)和捍衛(wèi)國家海權(quán)不可或缺的重要工具，而動(dòng)力裝置則是船舶的核心。挖泥船，也被稱為疏浚船舶，可以在航道疏浚及港口建設(shè)中發(fā)揮十分重要的作用。在挖泥船系統(tǒng)中，不僅包含主推進(jìn)系統(tǒng)，還同時(shí)存在進(jìn)行疏浚施工的挖泥作業(yè)系統(tǒng)，因此工作環(huán)境通常較為惡劣，在一定程度上增加了動(dòng)力機(jī)械設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)作業(yè)開展的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重阻礙。為此，需要積極展開對(duì)挖泥船動(dòng)力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷(Condition Monitoringand Fault Diagnosis，CMFD)技術(shù)是一種集合了眾多學(xué)科和多種技術(shù)的綜合性技術(shù)，可以讓不同分析方法進(jìn)行高效整合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障源及故障程度的精準(zhǔn)判定，并據(jù)此判斷設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，以建立對(duì)于設(shè)備的針對(duì)性維修養(yǎng)護(hù)。

1 研究工程船舶動(dòng)力機(jī)械CMFD技術(shù)的必要性

水運(yùn)交通事業(yè)的持續(xù)發(fā)展在一定程度上提高了對(duì)巷道疏浚整治工作的要求，需要積極展開對(duì)污染河湖的環(huán)境治理，也因此彰顯了挖泥船在巷道疏浚及工程整治、港口建設(shè)等多項(xiàng)過程中的作用。在疏浚事業(yè)高速發(fā)展的背景下，為了更好地適應(yīng)工況的需求，使工程施工的要求得到切實(shí)滿足，要求積極探索全新的泥船開挖類型，同時(shí)豐富其容量，以更好地適應(yīng)機(jī)械設(shè)備的先進(jìn)化和復(fù)雜化方向趨勢。此外，由于挖泥船的作用和管理機(jī)制都與傳統(tǒng)的運(yùn)輸船舶存在一定的差異，其工作的環(huán)境相對(duì)較為惡劣，在一定程度上提升了故障的發(fā)生概率，一旦未能進(jìn)行充分管理，則可能對(duì)其自身安全性造成越嚴(yán)重限制，進(jìn)而影響航道疏浚維護(hù)的整體質(zhì)量，對(duì)其他各類船舶的通航造成嚴(yán)重影響。為此，要求針對(duì)船舶動(dòng)力裝置進(jìn)行積極的監(jiān)測及故障診斷，以便在出現(xiàn)故障前兆的第一時(shí)間提出積極可行的措施，為后續(xù)維修保養(yǎng)工作的高效開展提供充足的技術(shù)參數(shù)庫。同時(shí)，為做出高效的設(shè)備維修決策確定最科學(xué)的指導(dǎo)，以切實(shí)降低事故發(fā)生的概率，做好各項(xiàng)保障工作。

積極開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測技術(shù)，讓故障診斷的技術(shù)水準(zhǔn)得到切實(shí)提升，一般具有如下意義。

1.1 強(qiáng)化船舶維修制度改革

針對(duì)工程船舶CMFD技術(shù)予以深入研究，以強(qiáng)化其應(yīng)用，可以有效提升維修保障模式的強(qiáng)度，依托人員的經(jīng)驗(yàn)，讓維修保障模式得以朝向技術(shù)手段方向發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)階段較為落后的維修手段和船舶預(yù)防性維修機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化改造，以更好地應(yīng)對(duì)及處理當(dāng)下維修機(jī)制中所存在的各類問題，構(gòu)建以視情維修為基礎(chǔ)，以高可靠性為核心的現(xiàn)代化維修機(jī)制，打造高質(zhì)量的船舶維修制度改革模式，以更好地適應(yīng)現(xiàn)代化工程船舶的建設(shè)及維修需求。

1.2 減少工程維修成本

在工程船舶動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域中運(yùn)用CMFD技術(shù)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故的征兆并予以預(yù)防，以充分降低計(jì)劃外維修的費(fèi)用，在最大程度上消除冗余的檢查項(xiàng)目，同時(shí)，采取積極的計(jì)劃內(nèi)維護(hù)措施，以降低過剩維修的可能，有效規(guī)避突發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)。借助CMFD技術(shù)，有利于充分延長系統(tǒng)零部件的使用期限，讓設(shè)備檢修周期得到切實(shí)延長，讓設(shè)備維修的精度和速度得到充分保障，在減少工程維修成本的前提下，爭取最大化的經(jīng)濟(jì)效益，以提升工程船舶動(dòng)力機(jī)械維修的合理性，讓設(shè)備的利用率得到充分提升，以收獲良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.3 提升故障預(yù)測水平

在工程船舶動(dòng)力機(jī)械檢修階段運(yùn)用CMFD技術(shù)，可以在最大程度上提升系統(tǒng)的故障預(yù)測水平，以充分保障系統(tǒng)的安全性。依托CMFD技術(shù)，有利于充分把握系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，以便及時(shí)采取有效的措施和手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障發(fā)展趨勢的充分判斷，讓故障得以消除，以切實(shí)降低系統(tǒng)停機(jī)及故障突發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，讓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到充分提升，同時(shí)，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2 船舶動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域CMFD技術(shù)

2.1 柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

柴油機(jī)系統(tǒng)主要包含燃油、配氣、滑油、冷卻等多個(gè)不同子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)之間相互作用，一旦發(fā)生故障，則不會(huì)呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)的簡單對(duì)照關(guān)系，既可能出現(xiàn)一因多果的問題，也可能存在一果多因的現(xiàn)象，同時(shí)，也存在故障源和故障相互交叉的情形。

（1）可以借助熱力參數(shù)診斷的方法確定柴油機(jī)的故障情況，結(jié)合空氣、滑油等參數(shù)，明確其中的異?，F(xiàn)象和故障問題并予以處理。一般可以通過燃油系統(tǒng)、增壓空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等性能參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測診斷。

（2）可以依托瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷方法確定柴油機(jī)的狀態(tài)，結(jié)合氣管壓力判斷柴油機(jī)汽缸的實(shí)際燃燒情況。如果工況相對(duì)穩(wěn)定，則可能因氣體的壓力作用和慣性而相應(yīng)影響柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，以發(fā)揮良好的診斷效果。通常借助磁電式、霍爾式或光電式傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷。

（3）借助振動(dòng)信號(hào)分析的方法予以判定，動(dòng)力設(shè)備機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)通常借助信號(hào)的形式予以展現(xiàn)，利用信號(hào)分析處理的方法可以確定動(dòng)力設(shè)備的具體特征，以明確把握特征參量的整體變化情況和設(shè)備的設(shè)計(jì)工況，并據(jù)此開展故障診斷。一般而言，可以應(yīng)用時(shí)域分析法和頻域分析法兩種方法進(jìn)行船舶動(dòng)力狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。

2.2 液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

一般而言，液壓系統(tǒng)的液壓元件及設(shè)備主要安裝于主甲板及室外，其所處的工作環(huán)境一般相對(duì)較為惡劣，其中的污染物主要源于液壓油泵、柱塞、電磁閥及油缸等設(shè)備，在設(shè)備運(yùn)行階段可能發(fā)生一定的磨損，導(dǎo)致液壓油在氧化作用下產(chǎn)生過量的金屬磨損顆粒，同時(shí)，也可能源于設(shè)備維護(hù)及使用階段的污染物。

針對(duì)挖泥船的液壓系統(tǒng)予以監(jiān)測，要求充分關(guān)注挖泥設(shè)備液壓系統(tǒng)、艏錨機(jī)液壓系統(tǒng)、艉錨液壓系統(tǒng)和艉系泊液壓系統(tǒng)，然而，無需關(guān)注排放系統(tǒng)和其他液壓系統(tǒng)，如側(cè)推系統(tǒng)、水密門液壓系統(tǒng)等。一般而言，通過液壓系統(tǒng)污染度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，有關(guān)管理人員往往只能建立對(duì)液壓系統(tǒng)污染情況的認(rèn)知，然而，由于造成污染的最主要原因在于外界污染物，由于過度的外界污染物而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重磨損，同時(shí)，也可能由于磨損顆粒過多。如果僅僅依靠污染度在線監(jiān)測的方式，往往難以做出精準(zhǔn)的判斷。為了建立對(duì)污染源的深刻認(rèn)知，可以依托光譜分析和理化分析等多種技術(shù)，若光譜檢測結(jié)果表面液壓油中的鐵、銅等金屬元素的濃度明顯增加，則可以確定污染源為系統(tǒng)內(nèi)部，也即系統(tǒng)內(nèi)的元器件存在較大的磨損。如果系統(tǒng)發(fā)生了嚴(yán)重污染，并不表示系統(tǒng)中磨損嚴(yán)重，然而，如果該系統(tǒng)長期處于嚴(yán)重污染的狀態(tài)中，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備磨損問題，要求在污染早期進(jìn)行積極過濾，明確造成污染的主要原因并予以消除，以降低元器件磨損風(fēng)險(xiǎn)。

3 船舶動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域CMFD技術(shù)發(fā)展趨勢及研究方向

3.1 CMFD技術(shù)基礎(chǔ)研究

充分結(jié)合工程船舶的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，展開對(duì)動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及故障原因的分析，基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念予以分析，充分利用各類監(jiān)測手段，展開對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械CMFD技術(shù)和系統(tǒng)的全面系統(tǒng)研究，以確定其在全過程全生命周期之中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論體系，明確其中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，讓船舶動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)科學(xué)分布，同時(shí)，借助有效的傳感器方法，確定最合理的工程船舶動(dòng)力機(jī)械CMFD系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析理論方法。

3.2 工程船舶狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

要求積極探索可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程船舶狀態(tài)的全面監(jiān)測的全新技術(shù)和方法，同時(shí)，積極探索合理的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，如探索激光技術(shù)和光柵光纖技術(shù)在工程船舶動(dòng)力機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用路徑，積極研發(fā)在線傳感器設(shè)備和嵌入式傳感器小型化設(shè)備，讓多種不同的在線監(jiān)測技術(shù)得以充分應(yīng)用于工程船舶狀態(tài)監(jiān)測中。

3.3 工程船舶故障診斷技術(shù)

現(xiàn)階段，故障診斷技術(shù)已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出智能化系統(tǒng)化和綜合化發(fā)展的趨勢，需要積極探索多種診斷方法整合的全新路徑，將熱力參數(shù)分析法、振動(dòng)診斷法及油液分析法等多種分析方法進(jìn)行充分整合，同時(shí)，針對(duì)工程船舶動(dòng)力機(jī)械智能專家診斷系統(tǒng)展開深入系統(tǒng)的研究。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段已有多種工程船舶動(dòng)力機(jī)械CMFD技術(shù)投入了應(yīng)用，且其數(shù)量呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，并逐漸從局部監(jiān)測到全面監(jiān)測的方向發(fā)展，監(jiān)測手段也逐漸從單一化向多種監(jiān)測手段共存的方向發(fā)展。

現(xiàn)階段，在實(shí)際故障診斷時(shí)，所使用的方法仍然存在一定的局限性，因此，需要積極探索可以綜合利用先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)及故障診斷方法的全新路徑，讓船舶動(dòng)力機(jī)械故障診斷工作的準(zhǔn)確性和效率得到充分提升，以推動(dòng)工程船舶動(dòng)力機(jī)械的智能化發(fā)展。