鐵譜分析技術(shù)在柴油機故障監(jiān)測和診斷中的應(yīng)用

王立華+趙東升+張健

摘 要：本文介紹了鐵譜分析技術(shù)的工作原理、分類以及柴油機常見故障的磨粒圖譜特征，運用鐵譜分析技術(shù)對艦船柴油機運行故障進行監(jiān)測與故障診斷，預(yù)先發(fā)現(xiàn)柴油機早期缺陷與故障，逐步實現(xiàn)柴油機狀態(tài)的預(yù)先維修，為艦船柴油機的使用與維修提供可靠依據(jù)，可以有效保證艦船柴油機的安全可靠運行。

關(guān)鍵詞：鐵譜分析技術(shù)；柴油機使用與維修；故障監(jiān)測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.027

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，裝備管理的理念已經(jīng)從常規(guī)管理向綜合管理的方向發(fā)展，形成了裝備管理的現(xiàn)代模式。

油液分析技術(shù)的主要作用[1，2]包括：（1）確定設(shè)備合理的換油時機；（2）檢驗設(shè)備用油品質(zhì)，防止假油或油錯用對設(shè)備造成損害；（3）確定設(shè)備主要磨損機理及磨損程度，實現(xiàn)設(shè)備資源合理調(diào)度；（4）診斷正在發(fā)生或潛在故障，為設(shè)備維修決策提供依據(jù)；（5）對設(shè)備的合理潤滑提供技術(shù)支持，實現(xiàn)設(shè)備的科學(xué)維護與保養(yǎng)；（6）為潤滑油、摩擦副等相關(guān)零部件的改進和創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

2 鐵譜分析儀器的分類及工作原理

實施鐵譜分析技術(shù)的重要工具之一是鐵譜儀，鐵譜儀運用比較廣泛的主要有四類[1，2]：（1）分析式鐵譜儀；（2）直讀式鐵譜儀；（3）旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀；（4）在線式鐵譜儀。

2.1 分析式式鐵譜儀

分析式鐵譜儀工作原理如圖1所示。

微量空氣泵以極小的流量將試管內(nèi)的油樣壓滴在以一定角度傾斜放置的高梯度強磁鐵上方的鐵譜基片上（傾斜角度為1?～2?左右）。在鐵譜基片上有一U形憎油性限流帶，限制油樣在基片上沿垂直于磁鐵磁力線的方向由上向下流動。借助于顯微鏡，分析磨粒的數(shù)量、尺寸分布、成分、類型等特征信息，這些磨粒能夠傳遞出機械摩擦副磨損狀態(tài)的重要信息。

2.2 旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀

旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀的工作原理是利用離心力和磁場的聯(lián)合作用，將油液中的磨損顆粒分離出來，按規(guī)則排列沉積在鐵譜基片上；借助于顯微鏡，分析磨粒的數(shù)量、尺寸分布、成分、類型等，測得內(nèi)圈大磨粒讀數(shù)Di和外圈小磨粒讀數(shù)Do，從而確定設(shè)備磨損的狀況。

2.3 在線式鐵譜儀

在線式鐵譜儀是一種基于特種傳感器嵌入被檢測設(shè)備內(nèi)部的在線監(jiān)測設(shè)備。在線式鐵譜儀直接安裝在現(xiàn)場柴油機潤滑系統(tǒng)的循環(huán)油路中，液體中的磨粒被磁場分離出來，磨粒按尺寸大小沉積，然后經(jīng)專用傳感器對磨粒進行簡單的定量分析，可直接提供油液中磨粒密度的在線讀數(shù)和大磨粒的百分比。通過磨粒濃度和大磨粒數(shù)量，可以判斷柴油機磨損狀態(tài)和故障前兆。

3 柴油機潤滑油中常見磨粒

（1）柴油機拉缸。柴油機拉缸前從潤滑油中分離出的球形顆粒，分析產(chǎn)生機理為：金屬表面粘著磨損，局部接觸點瞬間很高的閃溫使材料處于熔融狀態(tài)，在迅速冷卻中重結(jié)晶形成，可作為柴油機拉缸的重要判據(jù)。（2）柴油機活塞破裂。柴油機活塞裙部破裂產(chǎn)生的鋁合金塊狀顆粒，分析其產(chǎn)生機理為：接觸疲勞，疲勞裂紋逐漸擴展形成的。

（3）柴油機軸瓦磨損。柴油機軸瓦磨損產(chǎn)生的疲勞磨損顆粒是由于表面接觸疲勞形成的，分析可見主要成分為銅合金顆粒。（4）柴油機中的切削磨損顆粒。由于硬質(zhì)顆?；蛴驳耐蛊鸬那邢髯饔枚斐赡Σ粮北砻娌牧厦撀湫纬傻念w粒。

4 鐵譜分析技術(shù)應(yīng)用實例

2014年，某型高速大功率柴油機，其運行時間近三萬小時， 日常保養(yǎng)時對柴油機潤滑油進行監(jiān)測，各項理化指標正常，但在鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)潤滑油中出現(xiàn)較多的銅合金異常磨損顆粒，顆粒的數(shù)量較多；有較多疲勞磨粒，最大尺寸為21×37μm；有較多滑動磨粒，最大尺寸為27×51μm；有少量片狀磨粒，最大尺寸為38×25μm。由于鐵譜分析發(fā)現(xiàn)該柴油機存在較嚴重問題，立即對過濾器進行清洗，并對機油進行了反復(fù)的精細過濾處理。繼續(xù)運轉(zhuǎn)了592小時后，再次取樣分析，鐵譜分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)銅合金異常磨損顆粒數(shù)量仍然較多，且顆粒較大，異常磨損依然存在。對該柴油機安排拆機檢修，拆機結(jié)果發(fā)現(xiàn)右五缸連桿小端銅套松動，且已經(jīng)嚴重劃傷，連桿小端銅套已經(jīng)發(fā)生嚴重磨損。由于及時安排拆機檢修，只需要更換右五缸連桿小端銅套，避免了柴油機發(fā)生嚴重故障。

5 鐵譜分析技術(shù)應(yīng)用分析及趨勢

在用戶角度，一是定期對油品進行鐵譜分析，可以有效判斷柴油機的磨損狀態(tài)和故障前兆信號，能有效改善以往按工作時間定檢、及各級別保養(yǎng)的維護保障機制。二是在用戶最關(guān)注的在線的柴油機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面，鐵譜分析技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用發(fā)展方向有以下兩個方面：

一是鐵譜分析技術(shù)離線和在線技術(shù)的結(jié)合。

二是鐵譜分析技術(shù)與其他狀態(tài)檢測診斷技術(shù)的綜合。

6 結(jié)論

鐵譜分析技術(shù)能鑒別機械摩擦副在不同磨損狀態(tài)下所產(chǎn)生的各種特征磨損微粒。它著重于對金屬磨粒的形貌、大小及成分的微觀分析，直觀地獲得機械主要摩擦副表面的磨損情況。柴油機存在很多摩擦副組件，運用鐵譜分析技術(shù)對柴油機進行監(jiān)測診斷，能夠及早發(fā)現(xiàn)柴油機存在的早期故障，為柴油機的使用與維修提供可靠的技術(shù)支持，降低柴油機全壽命周期費用，延長使用壽命。

參考文獻：

[1]楊其明，嚴新平，賀石中.油液監(jiān)測分析現(xiàn)場實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006（08）.

[2]楊志伊，鄭文.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M].北京：中國計劃出版社，2006（06）.