第二节船机故障诊断一、概述对船舶机械进行动态监测和故障诊断是实现船舶现代预防维修的最佳方式视情维修方式的先决条件，是现代轮机管理的重要内容。机械故障诊断是近30年发展起来的一门科学，是研究机器运转状态变化在诊断信息中的反映，并依此判断、识别机器运转状态的科学。它是从最早的利用人的感官功能，如听、看、嗅、摸等和人脑的快速思维分析判断故障，逐渐发展形成的独立、完整的科学体系。诊断技术也从简易、粗略的诊断方法，发展为具有现代科技水平的精确诊断技术。船机故障诊断是在应用一般机械诊断技术的同时，针对船舶机械特点研制专门用于船上的故障诊断装置或监控系统。船机故障诊断技术是在船机运转状态下，利用其显示出的一切外部信息来判断、识别其内部的技术状态。例如船舶柴油机运转状态下的性能参数，温度、压力转速，零件尺寸变化，振动和噪声，润滑油中的磨损产物等均是故障诊断监测和监控的外部信息。分析和处理这些外部信息获得用于识别状态的特征参数，进而对故障的部位、原因和后果等作出正确的诊断。1故障诊断1）船机状态信息船机状态恶化就会产生相应于状态变化的各种信息，并显示出来。这些信息主要有以下三种类型：（1）机械信息由于机械状态恶化产生的运转状态变化的信息，其中直接与功能有关的信息有：力、压力、扭矩、转速、电流、电压等；其他运转状态信息有：振动、声音、温度等；（2）电磁信息主要有电流、电压、电磁感应密度、部分放电、导磁等信息；（3）化学信息机械状态恶化产生的气、液、固体等的信息，例如排烟、磨损产物、润滑油变质等信息。2）故障诊断过程故障诊断过程主要包括以下三个阶段的工作：（1）信息采集首先要选择易测和准确反映故障的信息，其次是选用采集信息的仪器。通常选用传感器采集信息，依测量信息参数的不同有不同的传感器，如温度、压力或振动传感器。采集故障信息的方式可选用连续监控方式或定期（定时）停机检测方式获取，同时可直接测定或间接测定。（2）信息分析处理（数据处理）或称特征提取。把原始、杂乱的信息进行处理，获取反映故障最敏感的性能参数。在现代故障诊断技术中，大多采用专门的电子仪器或计算机对所采集的信息进行分析处理，获取反映状态又易于识别的特征信息。（3）状态识别、判断和预测根据特征参数，参照相应规范，运用各种知识和经验，对机器状态进行识别，对早期故障进行诊断，对故障的部位、原因和程度作出判断，对其发展趋势进行预测，为确定维修决策提供技术依据。识别的方法主要有对比、分类、聚类、辨识和推理等。以上是以状态信息为基础进行机械故障诊断，所以称为基于信息的故障诊断，目前大多数的故障诊断技术属于此类。由于采集的信息是针对机器的局部而非整体，诊断过程中应用的检测技术与诊断方法多是简单地组合，信息处理技术与计算机仅用于数据的处理等，所以这种故障诊断是有局限性的，非智能型的。将先进的传感技术、信息处理技术与船机设备诊断领域专家的丰富经验和思维方式相结合形成船机设备故障诊断专家系统。专家系统实际上是人工智能计算机程序系统，它利用大量专家的专门知识、经验和方法解决实际的复杂故障诊断问题。所以称这种诊断为基于知识的故障诊断，它是智能诊断，是故障诊断的发展方向。综上所述可以看出，故障诊断不仅对故障的部位、原因和程度进行精确判断，其所采用的诊断手段也是较精密的电子仪器和专门仪器，对人员素质要求较高，所以是一种精密诊断。但其尚处于发展中，不够成熟和简便易行。3）故障诊断技术的应用根据故障诊断技术特点不同有直观检查法，性能参数分析法，振动、噪声分析法和油液分析法等。故障诊断技术广泛用于各类机械、工程结构和机械产品、零部件的故障诊断中，其中以旋转机械应用居多，尤其适用于重大关键设备、不能直接检查和不能解体的重要设备、维修困难和维修费用高的设备、无备件或价格昂贵的设备等。船舶机械中主要的大型往复式和旋转式机械，虽也采用故障诊断技术，但由于船舶长期航行在海上和独特的工作条件，致使故障诊断技术应用尚不够广泛。目前主要采用性能监控、振动分析和油液监测等故障诊断技术。应用船机故障诊断技术可有效地防止和减少故障，最大限度地缩短停机停航时间。选用轮机员操作方便、容易分析、诊断迅速和价格便宜的仪器仪表，以便于实现视情维修，有利于提高轮机员技术素质和现代轮机管理技能。目前，船上主要对机舱中的重要设备和那些效能发挥不好、经常发生故障的重要零部件采用故障诊断技术，例如船舶主柴油机气缸、活塞组件和主轴承等。2设备工况监测设备工况监测或称状态监测。它是通过测定机器某个较为单一的特征参数，例如温度、压力、振动等，来探明机器工作状态正常与否。若特征参数在允许范围之内则状态正常，否则异常，并且依异常程度确定维修对策。通过对机器进行定期或连续监测可以了解故障发展的趋势性规律，从而对机器运转状态进行预测，所以状态监测又称为趋势分析。一般状态监测所采用的仪器较为简单，易于操作，对人员的技术素质要求也不高，所以是一种简易诊断。若由计算机完成状态监测时，则构成自动监测系统。二、故障诊断技术1性能参数分析法又称性能监控，是船机故障诊断的核心技术。它是利用传感器或仪器、仪表测定船机设备的各项性能参数（如温度、压力、转速等），经数据处理、比较和分析后判断其运转状态和趋势。性能参数分析法诊断故障，早在船舶蒸汽机时代就已采用，轮机员用“听、摸、嗅、看”来了解主、辅机的运转参数，进而通过人脑快速思维分析判断机器的运转状况和运转趋势。至今，这种方法在现代船舶柴油机运转管理中仍被沿用，例如，用手触摸柴油机高压油管，依其脉动情况判断高压油泵的工作状况。性能参数监控范围广，可监控船上的零件、部件、机器、系统等。根据监控手段和数据处理方法的不同有以下两种：（1）图示法利用柴油机上的仪表或简单的测量工具，定时定位采集性能参数，并且每次测取数据都在相同的稳定工况下进行，以便对比分析。通常，测取34个参数并绘于同一坐标图中，反映某一零部件或运转状态的情况，从中分析判断出问题所在。例如柴油机气缸内燃烧状况可通过测取燃油消耗量、扫气压力和排烟温度等性能参数，作图显示气缸内各性能参数变化，分析诊断燃烧存在的问题及发展趋向。图示法性能监控可以有效地诊断故障，对降低维修费用、延长零部件及机器使用寿命和提高轮机员技术素质均十分有益。但此法是由人工采集参数，分析和比较来诊断故障则是一项十分繁重、麻烦的工作，需要轮机员有一定的技术水平。（2）监测装置和监控系统利用安装在机器上的传感器、计算机等构成监测装置或监控系统，传感器扫描各监测点的性能参数（如温度、压力、速度等），通过计算机记录、处理和显示，进而分析判断故障。活塞环磨损监测装置（SIPWA）是利用安装在气缸扫气口处的传感器检测特制的顶环一第一道活塞环外圆面上镶嵌一圈非磁性材料的楔形环带。当顶环通过扫气口时，传感器测量楔形环带宽度变化，实现对活塞环径向磨损的监控，并显示于屏幕上，如图5-10所示。当燃油净化不良时，顶环磨损增加，SIPWA给出警示，轮机员可及时采取措施。应用计算机自动监测和诊断故障的性能监控系统可以对整个柴油机动力装置进行监控，也可以对机器、零部件的工作过程进行监控。例如PAC监控系统可对动力装置中发动机运转、废气涡轮增压器运行、活塞环工作状态、气缸的润滑和磨损、气缸热负荷、燃烧和喷油系统等进行监控，DMC监测系统可对缸内燃烧和喷射过程进行监控。2振动监测船舶动力机械在运转中的振动是故障诊断的重要信息，振动信号的变化反映着机器内部状态的变化。因此，采集振动信号，经过信号处理、状态识别和趋势分析，就可诊断故障。据国内外统计资料表明，利用振动监测可以诊断绝大部分的机械故障，所以振动分析是一种应用广泛的重要诊断技术。振动监测技术包括以下内容：（1）振动信号的测取依振动频率不同配置相应的传感器，并安装在合适的测量点处采集振动信号。对应于低、中、高频振动信号分别选用位移、速度、加速度传感器，一般加速度传感器应用最为普遍。（2）信号处理利用信号分析仪将采集的振动信号进行处理，除掉原振动波形中无意义而又有害的波，并加工成便于精密分析的信号，进而提取机器故障的振动信号。信号处理是振动监测技术的核心。（3）状态识别根据提取的故障信息频谱，参考有关故障的振动频谱对机器状态作出判断，并对故障原因进行分析。（4）诊断决策依故障诊断的结果确定防止或消除故障的对策，预测机器状态变化的趋向等。振动监测所用的振动信号测试分析仪种类繁多，分为简易型、半精密型和精密型，并且有通用与专用之分。简易型检测仪为便携式，体积小、重最轻、携带方便、操作简易，并能快速显示测试结果，价格便宜。如便携式测振仪、冲击脉冲计等。精密型测试仪器测量精度高，抗干扰能力强，现场采集信号和进行分析，但不能立即获得测试结果，操作复杂，价格较贵。精密测试仪包括传感器、放大器、记录仪和信号分析仪。自20世纪70年代起振动分析就已应用在船舶机械上，如目前用于舰船动力装置振动分析和船用柴油机拉缸、曲柄销轴承过度磨损、增压器压气机滑动轴承咬死等的振动分析。通过这些故障的振动频谱图与正常图谱的分析、比较，进行故障诊断和原因分析等。3噪声监测船舶机械噪声是机器运转时各种声音的汇合，包括气流声，如柴油机排气声、燃烧噪声，增压器中的吸排气声等；金属敲击声，如活塞敲缸、气阀落座声等；结构件振动声，如各种罩壳、箱盖等的振动噪声；摩擦副相对运动声，如齿轮、轴承等摩擦副发出的声响等等。船舶机械的噪声是其运转状态的外部表现形式，反映着船机设计、制造、安装和修理的质量及其维护管理的质量。采集噪声信号进行信号处理、状态识别，实现船机故障诊断和预测。噪声听诊器是简易噪声检测仪，它通过测量噪声变化来检查机器状态。近年来随着高新技术的发展，大量测试分析仪器的出现有力地推动噪声监测技术的发展，如采用高保真磁带录音机和信号分析仪采集噪声信号和进行信号的分析处理等。此外用于振动测试的仪器和分析方法也可用于噪声监测。4油液监测柴油机运转过程中，即使各运动副处于良好的液体润滑状态也不可避免地产生摩擦热和磨损。润滑油的温度升高使其理化性能逐下降，更重要的是容纳了大量的磨损产物金属颗粒和其他污染微粒。润滑油中的金属磨粒成分，颗粒大小和多少与摩擦副的工作情况密切相关。因此，润滑油中的金属磨粒是摩擦副技术状态的外部信息。油液监测技术是通过采集船机设备润滑油样，利用各种分析手段检测油样的性能和其所携带的反映摩擦副技术状态的磨损微粒，获得油样性能参数值和磨粒的成分、尺寸、形貌和数量等信息，以定性和定量地判断船机设备的磨损状态及预测其发展趋势。润滑油监测技术包括润滑油理化性能检测和磨损微粒的分析。根据润滑油理化性能的变化，检测船机设备的润滑状态和由此引起的故障；根据磨粒分析判断磨损部位和程度，诊断磨损故障。油液监测技术的监测过程包括取油样、理化性能检测、磨粒分析、分析和诊断等步骤。油液监测技术包括：经验法油样理化性能检测滤纸法常规化验法油液检测技术磁塞法油样磨粒分析光谱分析法铁谱分析法颗粒计数器法1）理化性能检测（1）经验法是一种定性简易检测方法。轮机员在日常的轮机管理中，经常通过观察润滑油的颜色、闻气味、用手捻搓等了解润滑油的粘度和金属屑、污染物及乳化变质等的情况，粗略判断油的质量和摩擦副的磨损程度。（2）滤纸法滤纸斑点试验法是测定油品理化性能常用的简易定性分析法。取油样滴于滤纸上，待其充分扩散后观察纸上的油滴斑痕图像，并与新油试样图像比较。油渍越黑表明油越脏。中心黑点较小、颜色较浅和四周黄色油渍面积较大，表明滑油尚可使用；黑点较大，呈黑褐色、均匀无颗粒，表明滑油已变质，应换油。（3）常规化验法船机润滑油常规化验法是普遍采用的一种定期、定量指标检测方法。对船用柴油机润滑系统每隔34个月取一次油样进行定量分析。主要检验项目有：粘度、闪点、酸值、总碱值、水分和机械杂质等