(Flaw Detection and Fault Diagnosis)

本章重點：

1．了解無損檢測的基本原理、特點，掌握各種檢測方法的適應范圍，達到能正確選用的目的。

2．了解常用的故障診斷方法(振動與噪聲監(jiān)測、油液監(jiān)測、性能趨勢監(jiān)測、溫度監(jiān)測)的基本原理及在船舶機械中的應用。

講解方法：

1．結合學生熟悉的醫(yī)療診斷方法來介紹本章涉及的無損檢測方法和故障診斷，加速消除學生對這些內(nèi)容的生疏感。

2．結合目前無人機艙的現(xiàn)狀和船舶維修體制的改革要求，說明故障診斷工作的重要性。

3．課后馬上安排無損檢測實驗，加深對方法的理解。

引 言

為了保證船舶動力裝置運轉(zhuǎn)可靠性和船舶航行的安全性，船舶機械在制造和安裝過程中均要進行嚴格的質(zhì)量檢驗。對于零件材料的內(nèi)部缺陷采用各種先進的無損檢驗技術檢驗；對于船舶機械在船上安裝，也即船舶在建造過程中不僅要進行安裝質(zhì)量檢驗，而且還要取得船級社檢驗的船級證書。船舶機械運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的損傷同樣危及著船舶動力裝置的可靠性和船舶航行的安全性，輪機員要在日常的維護管理工作中進行各種檢查與測量，有計劃地維修以防止故障發(fā)生。同時，CCS要求業(yè)已取得船級證書的在航船舶保持船級，即為保持其入級的良好技術狀態(tài)還要進行各種技術檢驗，如年度檢驗、中間檢驗、塢內(nèi)檢驗和特別檢驗等。

在船舶條件下輪機員對缺陷零件可進行一般檢驗以判斷零件的可使用性；船舶進廠修理時對重要缺陷零件應進行無損檢驗。

零件的缺陷(如裂紋、疲勞、磨損、腐蝕等)既是危險的，又往往是難免的，到一定時間總要出現(xiàn)。因此，采用一定的檢測方法進行缺陷和機械故障的檢測是非常重要的。對機器進行的檢測方法是從醫(yī)學診斷方法中學習得來的。其診斷方法和原理與人類目前采用的疾病診斷方法是很似的。不妨對比如下：

§5-1 船機零件的缺陷檢驗(Flaw Detection)

1 船機零件缺陷的簡易檢驗方法

1.1 觀察法(直觀檢驗)Direct check

檢查人員用眼睛或借助放大鏡等觀測零件表面的裂紋、磨損、腐蝕等情況。其準確程度與檢驗人員的經(jīng)驗有關。

1.2 聽響法

原理：敲擊零件，根據(jù)零件發(fā)出的聲音來判斷零件有無缺陷。

如：聲音清脆，表明零件完好；聲音沙啞，表明零件內(nèi)部有缺陷。

這方法只能進行定性分析，完全依賴于檢驗人員的經(jīng)驗。

在生活中也應用較多：如買鍋、買碗等，買西瓜判斷方法相反。

1.3 測量法

分直接測量和間接測量。通過測量檢測零件的磨損和腐蝕情況等。

應用：在船上用內(nèi)徑千分尺檢查缸套的內(nèi)徑，計算圓度誤差和圓柱度誤差。

工具：千分尺、千分表、塞尺等。還可用專用工具(如樣板)檢查(如活塞頂?shù)臒g情況檢測)。

1.4 液壓試驗法

對要求具有較高密封性的零件進行液壓或氣壓試驗。通

過檢查表面有無滲漏現(xiàn)象，來檢查表面有無穿透性裂紋等。

試驗用液體可用水或油，也可用空氣，依有關要求而定。試驗壓力依零件工作條件而定。例如，柴油機氣缸蓋冷卻水腔試驗壓力為0.7MPa，保持5min；氣缸套上部(1／3氣缸全長)是燃燒室組成部分，試驗壓力為1.5pz(氣缸最大爆發(fā)壓力)。圖5-1為筒形活塞式柴油機氣缸套內(nèi)孔全長液壓試驗，試驗壓力為0.7MPa，保持5min后檢查氣缸套外表面有無滲漏現(xiàn)象。

2 船機零件缺陷的無損檢測(Non-Destructive-Testing=NDT)

缺陷(特別是內(nèi)部缺陷)的檢測方法 無外乎兩種：

1) 破壞法

即破開被檢測對象，檢查內(nèi)部的質(zhì)量，雖然可靠，但對零件的檢驗是行不通的，就象給人看病一樣，總不能動不動就剖腸開肚進行檢查。

2) 無損檢驗

在不破壞被檢查對象的前提下(包括：形狀、尺寸、性能等)測量其有關的參數(shù)。如測量溫度、壓力、缺陷等。目前，在狹義上來說：在不破壞零件的條件下探測零件表面及內(nèi)部缺陷的方法,稱為無損探傷。

無損探傷的種類：常規(guī)檢測方法(滲透探傷、磁力探傷、超聲波探傷、射線探傷、渦流探傷)和無損檢測新技術(如聲發(fā)射技術、激光全息檢測技術、紅外檢測技術、及微波檢測技術等)。

在國外，常有下列3個名詞使用：

(1)無損檢測(Nondestructive Testing=NDT)

(2)無損檢驗(Nondestructive Inspection=NDI)

(3)無損評價(Nondestructive Evaluation=NDE)

其中，NDT與NDI更為相近，NDT一般泛指材料和設備各種場合中使用的檢測方法，NDI指出設備驗收和在役情況下的檢驗，NDE是在無損檢測更高層次的發(fā)展，著重對缺陷的危險程度進行評價。

在我國，無損檢測技術是從50年代開始的，幾乎所有的方法都得到了實際應用，并成立了中國機械工程學會無損檢測學會(掛靠在上海材料研究所)。

2.1 超聲波探傷(Ultrasonic Testing=UT)

1) 概述

利用超聲波來檢查金屬或非金屬材料零件內(nèi)部缺陷的方法，稱為超聲波探傷。在船上的應用較廣。

人耳的聽覺范圍(聲波頻率)：20Hz～20kHz，頻率大于20kHz的聲波，叫超聲波。超聲波的特點是：頻率高，波長短，穿透力強，在介質(zhì)中直線傳播。高頻率的超聲波能形很窄的波束，即具有指向性。

超聲波在介質(zhì)中傳播方式隨振源在介質(zhì)上施力方向與聲波傳播方向不同分為縱波、橫波和表面波。

縱波——施加于介質(zhì)質(zhì)點的作用力使波傳播方向與質(zhì)點振動方向一致的振動波。當介質(zhì)受到交變拉力或壓力作用時就會產(chǎn)生縱波，它可在固體、液體和氣體中傳播，用于縱波探傷中。

橫波——質(zhì)點振動方向垂直于波的傳播方向的振動波。當介質(zhì)受到交變的剪切力作用時就會產(chǎn)生橫波，只能在固體中傳播，用于橫波探傷中。

表面波——質(zhì)點振動介于縱波與橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的振動波，用于表面波探傷中。

探傷用的超聲波：0.5～25MHz，其中常用的0.4～5MHz。特殊要求的檢測頻率可達10MHz～50MHz。

2)探傷原理：超聲波入射到構件后，如果遇到缺陷(或兩種介質(zhì)的界面)會出現(xiàn)折射或反射，用探頭(注：探頭可以產(chǎn)生超聲波、發(fā)射超聲波和接受超聲波)接受，變成電信號，經(jīng)放大顯示在屏幕上，根據(jù)波形來確定缺陷的部位、大小和性質(zhì)。

超聲波探傷的方法按波的傳播方式分為脈沖反射波法和透射波法；按耦合方式分為接觸法和水浸法；按波型分為縱波法、橫波法、表面波法。

換能器：超聲波換能器俗稱探頭，主要由壓電晶片構成，是產(chǎn)生和接收超聲波的裝置。主要有壓電式、電磁式等。超聲波探傷中主要利用壓電式換能器，即電聲、聲電換能器。

某些單晶體和多晶陶瓷在應力作用下產(chǎn)生應變時，晶體內(nèi)產(chǎn)生極化或電場，稱為正壓電效應。反之，當晶體處于電場中時，由于極化作用在晶體內(nèi)產(chǎn)生應力或應變，稱為逆壓電效應。超聲波探傷中使用的單晶體有石英、酒石酸鉀鈉、硫酸鋰等，壓電陶瓷有鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛(PbTiO3)等。利用石英、鈦酸鋇的正壓電效應產(chǎn)生超聲波，逆壓電效應接收超聲波。將高頻振動(超聲波)作用在晶體上，在晶體兩個電極之間產(chǎn)生與超聲波相同頻率、強度及與超聲波成正比的高頻電壓，即接收超聲波。

探頭分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、專用探頭等。直探頭可發(fā)射和接收縱波，斜探頭可發(fā)射和接收橫波。

超聲波探傷中較為普遍采用縱波接觸法，單探頭或雙探頭發(fā)射和接收超聲波。探頭與零件表面上的耦合劑薄層接觸進行探傷。單探頭多用于探測中厚板、大型鍛件、大厚度焊縫和形狀簡單的毛坯制件。雙探頭特別適于探測近表面的缺陷。

由發(fā)射波、缺陷波和底波在時間基線上的位置求出缺陷部。依缺陷波的幅度判斷缺陷的大小，具體方法有當量法、定量法等。對于缺陷的性質(zhì)則主要依缺陷波的形狀和變化，結合零件的冶金、焊接或毛坯鑄、鍛工藝特點以及參照缺陷圖譜和探傷人員的經(jīng)驗來判斷。脈沖反射法是脈沖發(fā)生器發(fā)出的電脈沖激勵探頭晶體產(chǎn)生的超聲脈沖波。一次脈沖反射波是以一次底波為依據(jù)進行探傷的方法。超聲波以一定的速度向零件內(nèi)部傳播，一部分波遇到缺陷后反射，其余的波則繼續(xù)傳播至零件底面后反射，發(fā)射波、缺陷波和底波由探頭接收放大后顯示在熒屏上，如圖5-8所示。

波形上有三個波：底面回波B、缺陷回波F和入射波T。根據(jù)底波B與缺陷回波F之間的信號差別，便可知缺陷是否存在、性質(zhì)、部位及其大小。

★ 根據(jù)波形的特征，判斷缺陷的有無及性質(zhì)(裂紋、氣孔、雜質(zhì)等)。

★ X=LF/LB*T，得到缺陷的位置；LB--始波與底波之間的距離。

★ 根據(jù)缺陷回波的高度，判斷缺陷的大小。

3) 特點：

優(yōu)點： 適用的材料廣(金屬與非金屬均可)；可在構件的一側實現(xiàn)檢測(厚度5～3000mm)；適合于自動化與計算機處理與顯示；成本低；可顯示內(nèi)部缺陷。

缺點：對探傷人員的素質(zhì)要求高，如果無外圍設備，顯示結果不可重現(xiàn)，有時結果難以解釋。先進的儀器也很昂貴。

2.2 滲透探傷法(Penetrate Testing=PT)

1)概述

定義：利用液體的流動性、滲透性及表面裂紋的毛細管作用，將表面細微裂紋顯示出來的方法。

方法是：將滲透劑涂于構件的被測表面，當表面有開口缺陷時，滲透劑就滲透到缺陷中，去除表面多余的部分，在涂以顯象劑，在合適光線下觀察放大了的缺陷痕跡，據(jù)此來判斷缺陷的種類和大小，這就是滲透探傷法。

特點：是最簡單、最古老的無損檢測方法，可用于檢測金屬與非金屬材料的表面裂紋。

2)方法一：煤油白粉法

操作方法：將清洗后的零件浸入煤油槽中或?qū)⒚河屯坑诹慵砻?，?jīng)過15～30min，把零件擦干，涂上白粉，干燥后適當敲擊或加熱零件，滲入缺陷的煤油會復滲于白粉上，出現(xiàn)黑色痕跡。

缺點：太小的裂紋不易顯示(裂紋寬度不小于0.01mm，裂紋深度不小于0.03mm)。

3)方法二：著色探傷 Dye Penetrant Inspection

原理同上。區(qū)別：滲透劑(Penetrant)是有顏色(如紅色)的溶液，顯象劑(Developer)用白色液體，便于觀察。

4)方法三：熒光探傷(Fluorescent Penetration Crack Testing)

滲透劑是熒光物質(zhì)，當用(水銀石英燈的)紫外線照射時，缺陷內(nèi)的滲透劑會發(fā)出熒光，從而顯示出表面裂紋。

缺點：需要紫外線的發(fā)射裝置，暗室中進行，對人體有害。

5)滲透探傷的特點

優(yōu)點：在NDT中成本最低，設備簡單，操作方便，適用于所有材料，靈敏度比人的眼睛直接觀察高5～10倍左右，顯示結果直觀。

缺點：僅適用于表面開口型缺陷類型，靈敏度不太高，不便于實現(xiàn)自動化，無深度顯示。

2.3 磁粉探傷法(Magnetic Particle Testing=MT)

磁粉探傷或稱磁力探傷。也是比較古老的無損檢測方法，國外已有50年的歷史，國內(nèi)也有30多年。廣泛用于檢測鐵磁性材料及其構件的表面和近表層的缺陷，可檢測的缺陷類型：裂紋、重疊、分層等。

磁粉探傷可以探測材料或零件表面和近表面的缺陷，對裂紋、發(fā)紋、折疊、夾層和未焊透等缺陷極為靈敏。采用交流電磁化可探測表面下2mm以內(nèi)的缺陷，采用直流電磁化可探測表面下6mm以內(nèi)的缺陷。

磁粉探傷設備有固定式、移動式和手提式三種磁力探傷機。顯示介質(zhì)為較細的純鐵磁粉(Fe3O4)。直接使用干粉靈敏度高，但操作不便；把磁粉和煤油混合成濕粉，使用方便。

目前已研制成半自動、全自動磁粉探傷線和專用自動探傷機，如曲軸半自動探傷機、鋼材自動磁粉探傷機。除部分項目或磁痕檢查仍用目測外，磁粉探傷從零件裝夾、磁化、噴粉到退磁等工序全部自動化。發(fā)展水下磁粉探傷，對船體水下部分、海上石油鉆井平臺的水下焊縫、海底管道等進行檢測。

1)磁粉探傷原理：鐵磁性材料構件的表面或近表層有缺陷時磁阻大，一旦被磁化，則會有部分磁力線外溢而形成漏磁場，它對施加到構件表面的磁粉會產(chǎn)生吸附作用，因而顯示出缺陷的痕跡，根據(jù)磁粉的痕跡來判斷缺陷的大小、取向和位置等。漏磁場的強度和分布，取決于缺陷的長度、取向、位置(近表層)和被測表面的磁化強度。當缺陷垂直于磁化方向時，靈敏度最高；當缺陷平行于磁化方向時，則無磁粉痕跡顯示。

2)磁粉探傷方法

磁粉探傷方法按分類方法不同有——按磁化電流性質(zhì)分為交流電磁化法和直流電磁化法；按磁場方向分為縱向磁化、周向磁化和復合磁化；按顯示介質(zhì)狀態(tài)和性質(zhì)分為干粉法、濕粉法和熒光磁粉法等；按磁化方法為直接通電法、局部磁化支桿法、心軸法、線圈法和鐵軛法等。

按磁場方向分為：

(1)縱向磁化 零件磁化后產(chǎn)生平行零件軸線的磁力線，可以探測與零件軸線垂直或成一定角度的缺陷。采用直流電或交流電通過線圈或鐵軛磁化，如圖5-4。

(2)周向磁化 零件直接通電或使穿過零件的心軸通電，使在零件內(nèi)產(chǎn)生垂直零件軸線的磁力線探測軸向缺陷，即平行或近平行零件軸線的缺陷，如圖5-5。

(3)復合磁化 零件上同時產(chǎn)生縱向和周向磁力線，可以探測零件上任意方向上的缺陷，如圖5-6。

3)磁化電流

磁粉探傷的磁化電流可采用直流電或交流電。為了獲得強磁場和確保安全，選用低壓大電流，一般電壓在12V以下， 1000～4500A(大電流)，且因零件大小不同而不同。電流則因零件大小按經(jīng)驗公式求得。它們的特點：

直流電磁化：磁場強度大，磁力線在零件截面上分布均勻，適用于表面缺陷或近表層缺陷(6～7mm)的顯示，設備復雜，使用不便，退磁困難，現(xiàn)在應用較少。

交流電磁化：穿透力小，適用于表面缺陷(集膚效應，1～1.5mm)?？商綔y表面以下2mm深度的缺陷，探測靈敏度高，易于退磁，設備簡單，電源方便，應用廣泛。

周向(橫向)磁化可檢查平行于軸線方向的表面缺陷，縱向(軸向)磁化可檢查垂直于軸線方向的表面缺陷。

磁粉：較細的鐵磁粉——Fe3O4

注意點：預處理：去污、取涂層、鐵銹等。

后處理：退磁，以免影響零件的正常工作。零件磁粉探傷后必須退磁，若探傷后還要經(jīng)700℃以上熱處理，則可不退磁。

優(yōu)、缺點：

優(yōu)點：比滲透探傷靈敏，能探測近表層的缺陷；容易掌握、結果直觀等。

缺點：僅適用于鐵磁性材料的零件，無深度顯示，僅對與磁力線垂直的缺陷敏感。

新進展：在探傷設備上，開發(fā)了先進的旋轉(zhuǎn)磁場探傷機，可一次探測顯示全方位的缺陷，并可連續(xù)探傷。其次是引入了計算機技術。

2.4 射線探傷(Radiography Testing=RT)

1)概述

定義：利用X射線或g射線來檢驗零件內(nèi)部缺陷的方法，稱為射線探傷。

原理：不同的物質(zhì)對射線的吸收和衰減作用是不同的。當射線穿過密度大的物質(zhì)時，被吸收的多，由于缺陷處的密度與金屬本身的密度不同，因此在零件下面的底片上就會產(chǎn)生不同的感光度，即在底片上顯示出零件內(nèi)部缺陷的大小、種類、分布狀態(tài)等。

g射線比X射線的穿透力強，但靈敏度不如X射線。

2)特點

優(yōu)點：適用于所有材料，底片可永久保存，可展示內(nèi)部缺陷的大小、形狀和位置等。

缺點：射線對人體有害，缺陷的深度很難辨別，成本高(底片、暗室。化學藥品等)，厚件的曝光時間長，零件的兩面都能操作等。

3)發(fā)展方向

現(xiàn)有常規(guī)設備的改進(如；減少重量和體積等)，計算機的應用，提高膠片的質(zhì)量(系列化)，開發(fā)便攜式可移動的高能射線加速設備等。

2.5 渦流探傷法(Eddy Current Testing=ET) (簡單介紹)

1)概述

利用電磁感應的原理，使被檢件的表面感應出渦流，零件中存在缺陷時會改變渦流的強弱，渦流產(chǎn)生反作用磁場，又使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化，因此通過檢測線圈的阻抗的變化，來判斷缺陷的有無，這種探傷方法稱為渦流探測法。

出現(xiàn)于40年代，我國50年代開始研究。

由于交流感應電流的集膚效應，所以ET法僅能用于導體表層(表面和近表層)的缺陷檢測。

2)特點

優(yōu)點：渦流探傷可探測零件表面0.11mm～0.2mm深處的缺陷，靈敏度較高，檢測速度快，易于實現(xiàn)高速自動化檢測；屬于電學測量法，容易實現(xiàn)自動化和計算機化；設備可以輕，可以原地探惻；對封閉在表層下的缺陷有很高的檢測靈敏度；探傷深度比磁粉探傷所達到的深；能提供缺陷的深度信息；非接觸式的檢測方法等。

缺點：理論復雜；距表層較深的缺陷難檢測(集膚效應)；影響因素多；渦流探傷僅適用于導電材料，對缺陷顯示不直觀，更不適于形狀復雜零件的探傷。

3)發(fā)展方向

分析方法：相位分析、相關分析、幅值分析等。

計算機的應用和探頭的改進(旋轉(zhuǎn)探頭、扇形探頭等)。

2.6 無損檢測新技術 (簡單介紹)

除上面所提的5種常規(guī)檢測方法外，被列為新技術的主要有：

1)聲發(fā)射技術 (Acoustic Emission＝AE)

疲勞裂紋(裂紋產(chǎn)生與擴展時均有應變能產(chǎn)生，發(fā)出彈性波)的監(jiān)測等，快速、動態(tài)、整體的NDT方法。聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測技術，是利用加載條件下零件內(nèi)部缺陷活動發(fā)射出聲波信號來探惻缺陷。而其它無損檢測則是靜態(tài)的，是外加信號檢測零件內(nèi)部缺陷。聲發(fā)射無損檢測具有以下特點：

(1)除極少數(shù)材料外，金屬和非金屬材料在一定條件下均有聲發(fā)射現(xiàn)象，所以聲發(fā)射檢測不受材料限制；

(2)不僅可以探測缺陷，且可依聲發(fā)射波的特點和誘發(fā)條件了解缺陷形成和預測其發(fā)展；

(3)操作簡便，可大面積探測和監(jiān)視缺陷活動情況；

(4)聲發(fā)射檢驗時環(huán)境有很大的干擾噪聲。

2)激光全息照相技術: 空間像，缺陷的立體形態(tài)。類似于CT等。

2.7 綜合探傷法

由于各種方法各有特點及最適用的探測對象和應用范圍，所以要綜合應用，即合理地將各種方法配合使用，達到好的檢測效果。具體是：

1)以磁粉探傷和滲透探傷檢測表面缺陷；

2)以渦流、磁力探傷檢測近表層缺陷；

3)以超聲波探傷檢測內(nèi)部缺陷，找出疑點；

4)用射線探傷對內(nèi)部疑點進行透視檢查。

小結：

注：表層缺陷包括：表面缺陷和近表層缺陷

§5-2 船機故障診斷技術 (Fault Diagnosis)

1 概述

1.1 故障診斷

故障診斷是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預報故障發(fā)展趨勢的技術。

通俗的講，就是給機器或設備“看病”的技術。

1)船機狀態(tài)信息

船機狀態(tài)惡化就會產(chǎn)生相應于狀態(tài)變化的各種信息，并顯示出來。這些信息主要有以下三種類型。

(1)機械信息：機械狀態(tài)惡化產(chǎn)生運轉(zhuǎn)狀態(tài)變化的信息，其中直接與功能有關的信息有：力、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速等；其他運轉(zhuǎn)狀態(tài)信息有：振動、聲音、溫度等；

(2)電磁信息：主要有電流、電壓、電磁感應密度、導磁等信息；

(3)化學信息：機械狀態(tài)惡化產(chǎn)生的氣、液、固體等信息，例如排煙、磨損產(chǎn)物、潤滑油變質(zhì)等信息。

2)故障診斷過程

故障診斷過程主要包括以下三個階段的工作：

(1)信息采集：選用傳感器采集信息，如溫度、壓力或振動傳感器。采集故障信息的方式可選用連續(xù)監(jiān)控方式或定期(定時)停機檢測方式獲取，同時可直接測定或間接測定。

(2)數(shù)據(jù)處理：或稱特征提取。把原始信息進行處理，獲取反映故障最敏感的性能參數(shù)。

(3)狀態(tài)識別、判斷和預測：根據(jù)特征參數(shù)，參照相應規(guī)范、運用各種知識和經(jīng)驗，對機器狀態(tài)進行識別。對早期故障進行診斷，對故障的部位、原因和程度作出判斷，對其發(fā)展趨勢進行預測，為確定維修決策提供技術依據(jù)。識別的方法主要有對比、分類、聚類、辨識和推理等。

將先進的傳感技術、信息處理技術與船機設備診斷領域?qū)＜业呢S富經(jīng)驗和思維方式相結合形成船機設備故障診斷專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)實際上是人工智能計算機程序系統(tǒng)，它利用大量專家的專門知識、經(jīng)驗和方法解決實際的復雜故障診斷問題。所以，稱這種診斷為基于知識的故障診斷，它是智能診斷，是故障診斷的發(fā)展方向。

3)設備工況監(jiān)測

設備工況監(jiān)測或稱狀態(tài)監(jiān)測，與故障診斷技術不同。它是通過測定機器某個較為單一的特征參數(shù)，例如溫度、壓力、振動等，來探明機器工作狀態(tài)正常與否。若特征參數(shù)在允許范圍之內(nèi)則狀態(tài)正常，否則異常。并且依異常程度確定維修對策。通過對機器進行定期或連續(xù)監(jiān)測可以了解故障發(fā)展的趨勢性規(guī)律，從而對機器運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行預測。所以狀態(tài)監(jiān)測又稱為趨勢分析。

1.2 發(fā)展簡介

故障診斷作為一門完整的學科，只有20多年的歷史，而在船舶上的應用始于50、60年代，60年代起步、70年代完善、80年代進入實用。

故障診斷是船舶自動化、無人機艙的前提，是實現(xiàn)狀態(tài)維修的關鍵。目前在船舶機械中，已經(jīng)有廣泛的應用。

2 性能趨勢監(jiān)測 (Performance Monitoring Technique)

2.1 性能參數(shù)分析法

又稱性能監(jiān)控，是船機故障診斷的核心技術。具體方法是利用傳感器或儀器、儀表測定船機設備的各項性能參數(shù)(如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、油耗等)，將這些參數(shù)進行處理，然后同基準參數(shù)值進行比較，得到結論(如偏高、偏低、過高、過低等)，從而可以看出機械在性能方面存在的問題，并進行分析判斷其故障部位及發(fā)展趨勢。

“趨向分析”側重于多次監(jiān)測結果之間的比較及參數(shù)的變化趨勢。

性能參數(shù)分析法診斷故障，早在船舶蒸汽機時代就已采用，輪機員用“聽、摸、嗅、看”來了解主、輔機的運轉(zhuǎn)參數(shù)，進而通過人腦快速思維分析判斷機器的運轉(zhuǎn)狀況和運轉(zhuǎn)趨勢。例如，用手觸摸柴油機高壓油管，依其脈動情況判斷高壓油泵的工作狀況。

根據(jù)監(jiān)控手段和數(shù)據(jù)處理方法的不同有以下兩種：

1)圖示法。利用柴油機上的儀表或簡單的測量工具，定時定位采集性能參數(shù)，并且每次測取數(shù)據(jù)都在相同的穩(wěn)定工況下進行，以便對比分析。通常，測取3～4個參數(shù)并繪于同一坐標圖中，反映某一零部件或運轉(zhuǎn)狀態(tài)的情況，從中分析判斷出問題所在。例如，柴油機氣缸內(nèi)燃燒狀況可通過測取燃油消耗量、掃氣壓力和排煙溫度等性能參數(shù)，作圖顯示氣缸內(nèi)各性能參數(shù)變化，分析診斷燃燒存在的問題及發(fā)展趨向。

圖示法性能監(jiān)控可以有效地診斷故障，對降低維修費用、延長零部件及機器使用壽命和提高輪機員技術素質(zhì)均十分有益。

2.2 特點

優(yōu)點： 簡單易行，無須添置復雜的設備，設備上的儀表往往就是監(jiān)測儀器。

缺點：對一些早期故障不敏感，有時故障發(fā)展到一定的程度才會導致性能參數(shù)的變化。

2.3 性能參數(shù)的比較方法

★對標比較：將測得的數(shù)據(jù)與標準值進行比較；

★縱向比較：將本次測得的數(shù)據(jù)與以往的數(shù)據(jù)進行比較；

★橫向比較：將測得數(shù)據(jù)與周圍同種設備的性能指標進行比較，如某缸的數(shù)據(jù)與其它氣缸的數(shù)據(jù)進行比較。

2.4 性能參數(shù)監(jiān)測應注意的問題

1)選擇的監(jiān)測參數(shù)應與故障之間應具有較高的的靈敏度和較好的對應性；

2)選擇的監(jiān)測參數(shù)最好能借助于機械上現(xiàn)有的儀表就可測得或添置較少的測量儀器即可；

3)監(jiān)測參數(shù)應具有足夠的信息量，并具有典型意義；

4)要注意監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累、加工處理等，從中歸納出有規(guī)律的東西；

5)要注意診斷規(guī)則與經(jīng)驗的積累，為創(chuàng)建專家系統(tǒng)做準備。

2.5 性能參數(shù)監(jiān)測的實施方法

一般步驟為：測量?記錄?分析，具體實施時有以下幾種方法：

★ 由操作人員記運行日記，這種方法最原始，仍在用；

★ 半自動化系統(tǒng)：儀表測量或遙測，并自動顯示；

★ 自動化系統(tǒng)(或?qū)＜蚁到y(tǒng))：自動進行測量、記錄、分析處理、打印輸出、自動報警和進行干預等。

2.6 實例分析——柴油機的性能參數(shù)監(jiān)測

1)概述

性能參數(shù)監(jiān)測是柴油機監(jiān)測的基本方法之一，目前應用很廣，也很實用、經(jīng)濟。

2)監(jiān)測參數(shù)

★ 輸出功率：總的技術指標，與燃燒系統(tǒng)的故障關系密切，一般規(guī)定功率下降20％為大修標準。

★ 燃油消耗率：經(jīng)濟性指標。

★ 其它：如滑油溫度、冷卻水溫、滑油(或冷卻水)壓力、

曲柄箱壓力和柴油機瞬態(tài)轉(zhuǎn)速、廢氣溫度等。

3)柴油機拉缸的監(jiān)測

拉缸是柴油機的一種常見故障。其常見的外部特征有：柴油機曲柄箱通氣口的排煙明顯增多、轉(zhuǎn)速自動降低、功率下降、機油溫度明顯升高、振動加劇等，根據(jù)這些參數(shù)的特征變化，就可診斷故障是否存在。

4)利用安裝在機器上的傳感器掃描各監(jiān)測點的性能參數(shù)(如溫度、壓力、速度等)，通過計算機記錄、處理和顯示，進而可以分析判斷故障。

活塞環(huán)磨損監(jiān)測裝置(SIPWA)是利用安裝在氣缸掃氣口處的傳感器檢測特制的頂環(huán)——第一道活塞環(huán)外圓面上鑲嵌一圈非磁性材料的楔形環(huán)帶。當頂環(huán)通過掃氣口時，傳感器測量楔形環(huán)帶寬度變化，實現(xiàn)對活塞環(huán)徑向磨損的監(jiān)控，并顯示于屏幕上，如圖5-10所示。當燃油凈化不良時，頂環(huán)磨損增加，SIPWA給出警示，輪機員及時采取措施。

應用計算機自動監(jiān)測和診斷故障的性能監(jiān)控系統(tǒng)可以對整個柴油機動力裝置進行監(jiān)控，也可以對機器、零部件的工作過程進行監(jiān)控。例如PAC監(jiān)控系統(tǒng)可對動力裝置中發(fā)動機運轉(zhuǎn)、廢氣渦輪增壓器運行、活塞環(huán)工作狀態(tài)、氣缸的潤滑和磨損、氣缸熱負荷、燃燒和噴油系統(tǒng)等進行監(jiān)控。DMC監(jiān)測系統(tǒng)可對缸內(nèi)燃燒和噴射過程進行監(jiān)控。

3 振動與噪聲監(jiān)測(Noise & Vibration Monitoring)

對機械系統(tǒng)來說，振動和噪聲是最重要的診斷信息，是機器運轉(zhuǎn)過程的一種屬性，即使最精密的機器也不可避免地產(chǎn)生振動和噪聲。應用非常廣，理論和測量技術比較成熟，是一種非常重要的診斷方法。

噪聲是不規(guī)則振動在空氣中傳播引起的，從本質(zhì)上講也是振動。根據(jù)聲響的差異進行診斷是古老而有常用的方法。過去是靠人耳的感覺和經(jīng)驗進行，今天可以借助于儀器(如錄音機、頻譜分析儀等)進行。

原理：每一零件都有自己的固有振動頻率，振動特性的突變，一定是由于某種原因引起的，通過測量振動隨時間的變化曲線(時域曲線)，對波形進行分析(分析方法有：幅域分析、頻域分析、時域分析等)，找出特征信息，進行診斷(部位和原因)。

實例分析： 噪聲分析在機務管理中的應用，確定吊缸時間和預測零件達到磨損極限的時間等。

實例：用振動監(jiān)測發(fā)動機的狀態(tài)是一種有效的方法。活塞與缸套間隙的變化將引起缸套振動特征的改變，又根據(jù)活塞撞擊缸套—機身振動的傳遞特性，可利用機身的振動特性

來預測間隙的變化。

★ 利用缸套的振動響應判斷間隙的變化：

Sf為缸套振動加速度功率譜；

D為某105型柴油機的冷態(tài)間隙值。

下圖說明：不同間隙時，功率譜有明顯的差別，即振動能量的分布有明顯差別，

D＝0.07～0.1mm

f, kHz

Sf

拉缸時

f, kHz

Sf

f, kHz

Sf

D＝0.20～0.25mm

f, kHz

Sf

D＝0.85～0.7mm

★ 利用機身振動來判斷間隙的變化：

現(xiàn)場監(jiān)測時，傳感器是難以置于缸套上的，如果把傳感器放在機身上，所測信號也能反映缸套間隙的變化機身的橫向振動主要是由活塞撞擊引起的(相關分析已經(jīng)證明了這一點)。缸套與機身的振動加速度響應功率譜特征完全相同。

注：Sf不同氣缸間隙時機身的振動加速度功率譜。從圖中可見：小間隙時，能量主要集中在第一頻帶內(nèi)；大間隙時，能量主要集中在第二頻帶。當功率譜中，高頻成分明顯增加時，可判斷為拉缸的前兆。

★利用振動信號的頻譜圖來判斷排氣閥門間隙是否正常：

分別將排氣閥門的間隙正常(0.25mm)和間隙不正常(0.62mm)時的發(fā)動機振動信號進行自譜分析，其頻譜分別如圖所示。從圖中可以明顯看出，兩種情況的頻譜圖有很大差別，因此可以把振動信號的頻譜圖的變化作為判斷排氣閥門是否正常的一種依據(jù)。

4 溫度監(jiān)測 (Temperature Monitoring)

機械工作狀態(tài)的改變一般會導致溫度的改變，如軸承的損壞或潤滑不良,會導致溫度的升高。

溫度監(jiān)測可分為接觸式測溫和非接式測溫。

4.1 接觸式測溫

1)接觸式溫度計

2)溫度指示帶 用于檢查表面溫度的簡便方法,可以檢查電氣設備是否過熱。

3)溫度指示粉筆 粗略檢查溫度的方法。每種粉筆都有一個標定溫度。

4)溫度指示涂料 大面積檢查溫度的方法,根據(jù)涂料顏色的差別,可以判斷各點的溫差。

4.2 非接觸式測溫

紅外檢測技術(Infra-Red Monitoring)

原理：紅外線(0.75～1000mm)是具有強烈的熱效應的輻射波，是不可見的光，物體的溫度與輻射能(功率)有一定的關系。溫度升高，熱輻射增大。

溫度 ? 輻射能(紅外線)? 紅外探測器 ? 信號分析

儀器：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀。

特點：測溫速度快、靈敏(0.01～0.1℃)、測量范圍寬(－273℃～3200℃).

應用：火車車軸的檢測；鍋爐的檢測；高架高壓線的檢測等。

5 油液分析 (Oil debris Monitoring or Wear Monitoring)

所謂油液分析是指收集潤滑劑,對潤滑劑的性質(zhì)及潤滑劑中的微粒進行定性和定量分析,以判斷機器工作是否正常,進行故障診斷和預報的方法。

這種方法使用很廣,是目前中國船級社推薦使用的監(jiān)測方法。常用的油液分析方法有:

5.1 潤滑劑理化性能分析(常規(guī)分析)

根據(jù)潤滑劑本身性能的變化,來判斷磨損狀態(tài)。防止因潤滑不良而導致的故障。

1)油液常規(guī)理化分析簡介

原理：

潤滑劑的性能與機械設備的磨損狀態(tài)、設備的使用壽命有著密切的關系,可以說潤滑劑性能的劣化必然會導致機械設備磨損狀態(tài)的劣化,因此對潤滑劑進行理化性能指標的監(jiān)測,就可以達到磨損狀態(tài)間接監(jiān)測的目的,可以防止因潤滑不良而導致的失效。通過檢測油品的性質(zhì)、觀察其變化,是監(jiān)測潤滑條件改變造成機械磨損失效的最簡單、最直接的方法。(類似于貧血與健康的關系)

2)潤滑油的理化性能指標及監(jiān)測

☆ 潤滑油的理化性能指標有：

(1)粘度：主要指標,對潤滑狀態(tài)影響最大,必檢指標。

(2)總堿值：防止造成機械設備的酸腐蝕。

(3)水份：會造成油的乳化,難以形成油膜,使?jié)櫥Ч儾?此外還會加速設備的腐蝕。

(4)油性(或極壓性) 它表示油膜的吸附強度,取決于油的化學成分,一般用四球機檢測。

(5)閃點：表示油著火危險性的指標,決定了工作溫度的高低。

(6)凝點：低溫性能。

(7)機械雜質(zhì)：油中的各種沉淀物,如砂土、磨粒等,反映油品的純潔性,含量高時會加速磨損。

(8)其它：如灰分、殘?zhí)?、水溶性酸堿等。

使用時可根據(jù)實際情況,選擇其中幾個進行監(jiān)測,達到對設備潤滑條件監(jiān)測的目的。

5.2 磨粒檢測：光譜分析、鐵譜分析、磁塞檢測

1)油料的光譜分析 (Spectrometric Oil Analysis Program 即SOAP)

光譜分析是利用原子或分子的發(fā)射與吸收光譜進行物質(zhì)的化學組成分析的物理方法。

利用光譜分析的方法,鑒別潤滑油中磨粒的成分和數(shù)量,據(jù)此預測被監(jiān)測對象的磨損狀態(tài)的方法,稱為光譜油料分析。

◇光譜分析的基本原理

光譜分析的基本原理就是利用各種分子或原子都有自己的特定的光譜波長。根據(jù)分析時這些特征光譜是否出現(xiàn)及出現(xiàn)的強弱,來分析化學成分。如:

部分元素的特征譜線波長：銅(Cu) 3247埃；鐵(Fe)3270埃； 鉛(Pb)2833埃； 鋁(Al)3092埃； 錫(Sn) 2354埃

◇光譜分析的類型：光譜分析方法按應用可分為發(fā)射光譜分析和原子吸收光譜分析。

發(fā)射光譜分析(Emission Spectrometric Analysis)

基本原理

利用物質(zhì)(或試樣)受電能或熱能激發(fā)后,輻射出的特征譜線來判斷物質(zhì)組成(化學成分)的方法,稱為原子發(fā)射光譜分析法。

在油料進行光譜分析時,熱能(或電能)能把潤滑油中所含的Fe、Ni、Cr、Cu等元素激發(fā),然后根據(jù)這些金屬雜質(zhì)發(fā)出的特征譜的強度對這些元素進行定量分析。

產(chǎn)品類型

美國的Baird公司生產(chǎn)的MOA型直讀式發(fā)射光譜儀和超譜公司生產(chǎn)的超譜M型光譜儀是目前較為先進的發(fā)射光譜儀，用光電倍增管把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，直接給出分析結果，整個程序由計算機控制。

優(yōu)點：操作簡便,分析速度快(美國的儀器,40秒內(nèi)便可測定一個油樣中10種元素的含量)，讀數(shù)準確，分析容量大,適用大規(guī)模含有多種材質(zhì)摩擦副(如柴油機)的設備群體的監(jiān)測。

缺點：價格昂貴(6萬美元)，安裝條件嚴格，試驗費用高，現(xiàn)場難以推廣；只能對油中<10μm的磨粒提供分析結果，而對較大磨粒(與嚴重磨損狀態(tài)對應)不能反映。

◇原子吸收光譜分析(Atomic Absorption Spectrometry ="AAS")

a.定義

利用測定試樣所產(chǎn)生的原子蒸汽(基態(tài)原子)對待測元素特定波長的吸收來確定試樣中該元素的濃度的方法，稱為原子吸收光譜分析。

b.油液原子吸收光譜分析的原理

它是將油液中的磨粒熱解原子化，根據(jù)原子蒸汽對各種不同波長的單色光源發(fā)出的特征輻射線吸收作用不同來確定油液中各種元素的含量。原子蒸汽的吸光度與原子濃度成正比。

特點

優(yōu)點: 分析靈敏度高,精度高,適用范圍廣,取樣量少。

缺點:

(1)測一個元素要換一個燈(光源)，比較麻煩；

(2)乙炔法要用燃料，不方便，不安全；

(3)只能給出油液中磨粒的元素含量，不能給出磨粒的形狀、尺寸等信息。在判斷磨損類型與預報突發(fā)性故障方面存在不足。

◇光譜油料分析的實施

★元素的來源

(1) 金屬元素( Fe,Ni,Al,Sn,Pb等)，來自金屬零件的磨損產(chǎn)物；

(2) 污染元素(Si,Ca等)，來自空氣或冷卻水；

(3) 添加劑元素(P,S,Cl等)，來自油的添加劑。

★分析方法的內(nèi)涵(實質(zhì))

是根據(jù)油液中元素的種類及含量，反推出磨損零件及磨損的程度。

元素的種類 —→ 磨損零件；元素的含量 —→磨損的程度。

★光譜分析判斷標準

在通常情況下，滑油中元素的濃度值的高低，反映了磨損量的大小，因此，可以用元素濃度值的大小及變化趨勢，作為判斷故障的依據(jù)。

對各種機械，根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析，對照驗證，定出各種元素濃度的最大允許值，作為判斷有無異常磨損的依據(jù)。

◇光譜監(jiān)測技術在柴油機中的應用

柴油機是監(jiān)測技術應用最廣的領域之一，主要是因為它所處的重要地位所決定的，開展柴油機的工況監(jiān)測與故障診斷，對提高交通運能源消耗具有重要的意義。

由于柴油機中的摩擦副較多，影響因數(shù)復雜，要想判斷磨粒的來源，必須對其中的各種摩擦副材料十分熟悉，光譜分析結果對判斷磨粒的來源極其重要。

下表可作為判斷金屬磨粒的來源的參考。

光譜監(jiān)測磨粒來源
 

2)鐵譜監(jiān)測技術 (Ferrographic Monitoring Technique)

鐵譜技術產(chǎn)生于70年代，是目前使用最廣泛、最有發(fā)展前途的油液分析技術。

定義：鐵譜技術(Ferrography)是利用高梯度強磁場，將潤滑劑中所包含的磨粒按其粒度大小有序地沉積下來，然后借助于其它各種分析方法對磨粒進行定性和定量分析的技術。

鐵譜監(jiān)測的原理：將潤滑劑流過一個高梯度強磁場，利用磁力把鐵磁性磨?；蛭廴疚镂⒘臐櫥瑒┲蟹蛛x出來，并按顆粒的大小有序地沉積,然后借助于光學或電子手段可以獲得磨粒形貌、大小、濃度、成分等方面的信息。測定的內(nèi)容包括:

(1) 磨粒的濃度和顆粒的大小，它反映了機器磨損的嚴重程度。

(2) 磨粒的大小和形貌，它反映了磨粒產(chǎn)生的原因和機理，如由輕微磨損產(chǎn)生、由疲勞磨損產(chǎn)生。

(3) 磨粒的成份,它反映了磨粒產(chǎn)生的部位，即發(fā)生磨損的零件。

可見，通過對沉積磨粒的分析，可以掌握機器運行時的實際磨損情況，判斷磨損的狀態(tài)，這正是鐵譜分析可以用來監(jiān)測機器設備運行工況的原因。

儀 器

★分析式鐵譜系統(tǒng)，它由兩部分組成：分析式鐵譜儀和鐵譜顯微鏡。

★直讀鐵譜儀 (Direct Reading Ferrograph)

作用:用來直接測定油樣中磨粒的濃度和尺寸分布，只能作定量分析，但比分析式鐵譜儀的定量分析準確，檢測更簡

單、迅速、成本低，適用于現(xiàn)場條件下使用，因此是設備監(jiān)測和故障診斷的較好手段之一。

鐵譜監(jiān)測實例：船用柴油機的監(jiān)測

某拖輪:潤滑油樣的直讀數(shù)在兩周內(nèi)連續(xù)升高，制成譜片后，發(fā)現(xiàn)有許多嚴重磨損微粒和大量正常磨損的鑄鐵微粒，表明活塞或缸套即將損壞，進廠維修時發(fā)現(xiàn)活塞和缸套過度磨損和拉傷。

☆ 小結

1)鐵譜分析的實質(zhì)

鐵譜分析是根據(jù)油樣中磨粒的形貌、尺寸、數(shù)量、成分等的分析，反推出磨損零件、磨損的類型及磨損的程度等。

①磨粒的數(shù)量(濃度、大小)：反映了磨損的程度。

②磨粒的尺寸、形狀:反映了磨損的類型(型式)。如：

細長的磨?！邢?磨粒磨損)；細小而非常多的磨?！g磨損；球形磨?！獫L動疲勞磨損；表面粗糙，有拉毛、擦傷痕跡的磨粒——嚴重粘著磨損等。

③磨粒的成分： 反映了磨粒的來源

油液的微粒大致來自三個方面：

A. 來自機器零件地金屬及其氧化物顆粒，包括:黑色金屬顆粒(如鐵，鋼等)、有色金屬顆粒(如銅、鋁等)、紅色氧化物、黑色氧化物。

B. 潤滑油產(chǎn)物：摩擦聚合物、積炭等。

C. 外來污染物：泥砂、灰塵、纖維等。

3)磁塞檢測 (Magnetic Chip Detector)

利用安裝在潤滑系統(tǒng)中一個磁性探頭，采集潤滑油中的鐵磁性磨粒,然后進行分析。特點

① 是一種簡單的在線監(jiān)測方法；成本低，已經(jīng)成功地用于航空發(fā)動機的監(jiān)測；

② 一般只能收集大的磨粒，尺寸范圍在25～400μm，小磨粒磁矩小，不易收集；

③ 當磁性探頭達到飽和后，磁頭就失去吸附磨粒的能力，可能會失去很多的信息，

④ 探頭一般要經(jīng)常更換，一般25～27小時更換一次，比較繁瑣；

⑤ 這種方法一般適用于單一摩擦副的監(jiān)測(如齒輪、軸承等)。

小結： 幾種常用油液分析方法的對比

★ 對磨粒尺寸的敏感范圍

光譜法對<10μm的磨粒敏感,而對大磨粒不敏感;

磁塞法對>50μm的磨粒敏感,而對小磨粒不敏感(磁矩小);

鐵譜法對10～50μm的磨粒都敏感。

★ 分析的原理不同

①光譜法是根據(jù)磨粒的成分及含量，反推出磨損程度及磨損零件;

②鐵譜法是根據(jù)磨粒的成分、形狀、數(shù)量、尺寸等反推出磨損程度、磨損零件及磨損的類型;

③磁塞法一般是根據(jù)磨粒的數(shù)量(濃度)，粗略地判斷磨損狀態(tài)。

★ 各有優(yōu)缺點(略)