船舶動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)分析

肖科彬 粵興機(jī)電工程（中山）有限公司

船舶動(dòng)力設(shè)備正常運(yùn)行是保障船舶安全航行的關(guān)鍵因素，故需要在船舶航行過(guò)程中采取有效措施對(duì)船舶動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，并采取相應(yīng)對(duì)策診斷，排除故障，以達(dá)到降低船舶航行安全事故發(fā)生率的目的。現(xiàn)階段，用于檢測(cè)船舶動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷的技術(shù)手段眾多，不同技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，振動(dòng)檢測(cè)作為目前運(yùn)用相對(duì)廣泛的狀態(tài)檢測(cè)手段之一，其認(rèn)為任何機(jī)械進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化有用功時(shí)均會(huì)發(fā)生振動(dòng)，且震動(dòng)強(qiáng)弱與機(jī)械故障有關(guān)，通過(guò)獲取振動(dòng)信號(hào)即可在不停機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)和故障分析。因此，本文以柴油機(jī)為例，對(duì)振動(dòng)法監(jiān)測(cè)技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中的運(yùn)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1.基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的船舶動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)法監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

利用振動(dòng)法監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)船舶動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷時(shí)，需要參照選用的船舶動(dòng)力設(shè)備評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：《GJB763.4-89 艦船噪聲限值和測(cè)量方法 船舶設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度測(cè)量》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級(jí)的最大允許值進(jìn)行了規(guī)定；《GJB4058-2000 艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備空氣噪聲和振動(dòng)的測(cè)量方法進(jìn)行了規(guī)定；《GB＊3256-1985 船用柴油機(jī)振動(dòng)評(píng)級(jí)》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船用柴油機(jī)試車臺(tái)架和實(shí)船運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)評(píng)價(jià)進(jìn)行了規(guī)定；《GB/T16301-2008 船舶機(jī)艙輔機(jī)振動(dòng)烈度的測(cè)量和評(píng)價(jià)》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等船舶機(jī)艙輔機(jī)振動(dòng)烈度的測(cè)量與評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了規(guī)定；《GB＊10889-89 泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泵機(jī)械表面振動(dòng)烈度的測(cè)量與評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了規(guī)定；《JB/T 8097-95泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泵非旋轉(zhuǎn)部件表面振動(dòng)烈度的測(cè)量與評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了規(guī)定。

1.2 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)參數(shù)

參照以上設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)振動(dòng)診斷理論方法，現(xiàn)階段用于評(píng)價(jià)船舶動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)主要包括總振動(dòng)速度的均方根值、振動(dòng)烈度及振動(dòng)量級(jí)?？傉駝?dòng)速度的均方根值通常用來(lái)表示旋轉(zhuǎn)與往復(fù)式機(jī)器的基礎(chǔ)振動(dòng)烈度，但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，通常選取兩個(gè)顯著方向的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。振動(dòng)烈度通常用來(lái)表示振動(dòng)強(qiáng)烈程度，計(jì)算該參數(shù)時(shí)，需要測(cè)量三個(gè)垂直方向上的振動(dòng)速度。振動(dòng)量級(jí)則包括振動(dòng)位移級(jí)、振動(dòng)速度級(jí)和振動(dòng)加速度級(jí)，依照具體公式進(jìn)行計(jì)算。

1.3 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際應(yīng)用

設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)過(guò)程中，針對(duì)不同設(shè)備，需選擇不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文便以柴油機(jī)為例，對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。對(duì)于中小功率柴油機(jī)而言，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控通常參照《GB/T10397-2003 中小功率柴油機(jī)振動(dòng)評(píng)級(jí)》，測(cè)試過(guò)程中要保證柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)定柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)額定功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生的最大振動(dòng)，以確定柴油機(jī)振動(dòng)烈度。

此外，依照支撐物性質(zhì)的不同，振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)極限值進(jìn)行不同規(guī)定。表1分別對(duì)7種船舶機(jī)械設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述，其中第5類船舶機(jī)械即安裝于剛性基礎(chǔ)上的四沖程柴油機(jī)，第7類船舶機(jī)械則是實(shí)質(zhì)安裝于彈性基礎(chǔ)上的四沖程柴油機(jī)。而在振動(dòng)級(jí)別方面，A級(jí)代表新的使用機(jī)器振動(dòng)區(qū)域，B級(jí)代表可正常進(jìn)行工作的機(jī)器振動(dòng)區(qū)域，C級(jí)代表無(wú)法長(zhǎng)期正常工作的機(jī)器振動(dòng)區(qū)域，D級(jí)代表振動(dòng)足以損壞機(jī)器。

表1 船舶機(jī)械設(shè)備振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

但這種以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的設(shè)備檢測(cè)方法具有一定局限性，一方面，該檢測(cè)方法只能在特定負(fù)荷或規(guī)定轉(zhuǎn)速情況下，對(duì)船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，另一方面，該檢測(cè)方法均能對(duì)船舶設(shè)備是否出現(xiàn)故障予以評(píng)估，而卻無(wú)法診斷出故障的具體類型。此外，選擇振動(dòng)測(cè)點(diǎn)也需要依照規(guī)定進(jìn)行，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程也需要嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法來(lái)進(jìn)行，故需要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理加以研究分析，才能對(duì)設(shè)備故障具體情況進(jìn)行進(jìn)一步診斷。

2.基于動(dòng)力設(shè)備故障機(jī)理的振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷方法

振動(dòng)診斷技術(shù)是目前用于監(jiān)測(cè)柴油機(jī)狀態(tài)相對(duì)有效的方法之一，缸套振動(dòng)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(jī)身振動(dòng)的傳遞性，即可借助機(jī)身振動(dòng)特性，對(duì)缸套-活塞間隙狀態(tài)變化進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。另外，缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)為柴油機(jī)缸內(nèi)各種激勵(lì)力沖擊的綜合反映，該響應(yīng)通常由一系列瞬態(tài)響應(yīng)疊加而成，不同激勵(lì)力產(chǎn)生的頻率特性各有差別，因此通過(guò)收集缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)也能對(duì)氣閥狀態(tài)進(jìn)行有效判斷與評(píng)估。

柴油機(jī)機(jī)身表面振動(dòng)信號(hào)與活塞-缸套磨損狀態(tài)之間有著緊密關(guān)聯(lián)，且已有研究運(yùn)用大量公式計(jì)算證實(shí)了兩者之間關(guān)系，活塞連桿結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，活塞-缸套工作間隙改變會(huì)導(dǎo)致活塞氣缸內(nèi)橫向運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生不同的活塞-缸套撞擊動(dòng)量，激勵(lì)特征發(fā)生變化則會(huì)引起缸套振動(dòng)特征改變，最后這種變化會(huì)直接反映到機(jī)身表面，因此在柴油機(jī)故障檢測(cè)中，獲取機(jī)身表面敏感測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，結(jié)合振動(dòng)信號(hào)分析處理，從中獲得敏感特征參數(shù)，即可對(duì)活塞-缸套組件的磨損情況進(jìn)行診斷與評(píng)估。此外，本文還在研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)身振動(dòng)加速度總振級(jí)在評(píng)估活塞-缸套磨損程度中也能發(fā)揮重要作用，且通過(guò)試驗(yàn)證明，其敏感測(cè)點(diǎn)位于缸套中點(diǎn)處及其對(duì)應(yīng)上止點(diǎn)處。

圖1 活塞連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.小結(jié)

現(xiàn)階段，振動(dòng)法監(jiān)測(cè)技術(shù)在多種船舶動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中均有不錯(cuò)應(yīng)用效果，但該技術(shù)手段依然存在許多不足之處有待改進(jìn)，因此相關(guān)部門(mén)還需加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，優(yōu)化技術(shù)手段，為我國(guó)船舶航運(yùn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)保障。