一種艦用MTU柴油機(jī)狀態(tài)維修實(shí)踐

WAK Fernando，陳于濤，曹詩(shī)杰

一種艦用MTU柴油機(jī)狀態(tài)維修實(shí)踐

WAK Fernando，陳于濤，曹詩(shī)杰

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

斯里蘭卡的艦船裝備維修主要采用預(yù)防性計(jì)劃維修模式。本文針對(duì)維修模式改革需求，對(duì)各種現(xiàn)有維修模式進(jìn)行了分析比較，深入研究了狀態(tài)維修的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)有技術(shù)手段。研究了計(jì)劃維修模式下的艦用MTU柴油機(jī)大修數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的維修模式存在過(guò)度維修的傾向。因此斯里蘭卡海軍提出將狀態(tài)維修技術(shù)引入艦用MTU柴油機(jī)的維修工作實(shí)踐之中，并選取兩臺(tái)MTU柴油機(jī)，開(kāi)展了歷時(shí)兩年多的油液鐵譜分析以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)油液中金屬元素磨損數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，確定將W5和W6等級(jí)修理的時(shí)間間隔各延長(zhǎng)15%，從而減少維修費(fèi)用并提高維修效率。

維修 預(yù)防性計(jì)劃維修 狀態(tài)維修 油液分析 性能分析

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備可靠性已經(jīng)成為影響造船工業(yè)未來(lái)的重要因素之一，而維修是保證船舶各系統(tǒng)可靠性的有效方式。一般來(lái)講，維修是指使機(jī)械設(shè)備恢復(fù)到理想狀態(tài)的一系列操作，有固定的規(guī)則且不可隨意更改。維修的目的是延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，因此通常按計(jì)劃進(jìn)行，或根據(jù)實(shí)際情況采取其他措施以防止故障[1]。

維修的目標(biāo)可歸納如下：

1）延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；

2）保證設(shè)備處于最佳使用狀態(tài)；

3）確保緊急情況下設(shè)備隨時(shí)可用；

4）確保使用人員的安全。

1 維修模式概述

維修模式包括被動(dòng)維修、預(yù)防性計(jì)劃維修、主動(dòng)維修、可靠性維修、狀態(tài)維修等五種類型[2]。

被動(dòng)維修的含義是當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)才進(jìn)行維修，也即壞了才修。但有時(shí)故障會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的損害，且來(lái)不及維修，以至于整機(jī)報(bào)廢。

預(yù)防性計(jì)劃維修意味著在故障發(fā)生之前就維修，因?yàn)椤邦A(yù)防好于治療”。通過(guò)消除故障隱患，這種方式可以提高設(shè)備可靠性并預(yù)防故障導(dǎo)致的設(shè)備損害，以及降低成本。

預(yù)防性計(jì)劃維修通過(guò)各種操作規(guī)范來(lái)保持設(shè)備的良好狀態(tài)，是一個(gè)不斷重復(fù)的過(guò)程。此外，它也是一種按計(jì)劃實(shí)施的固定時(shí)間維修。但這種維修模式存在以下缺點(diǎn)：

1）機(jī)械設(shè)備的周期性拆解費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

2）頻繁的拆解可能會(huì)降低設(shè)備性能；

3）主要基于制造商的建議而不是實(shí)際情況；

4）一經(jīng)制定便很少修改；

5）仍然會(huì)出現(xiàn)“非計(jì)劃”的故障。

主動(dòng)維修是指利用各種技術(shù)手段來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命并盡量避免各種被動(dòng)維修，其核心是故障機(jī)理分析。通過(guò)主動(dòng)維修可以消除故障根源并逐步改進(jìn)設(shè)備工作狀態(tài)。

可靠性維修是指通過(guò)對(duì)故障模式進(jìn)行分析并實(shí)施針對(duì)性的主動(dòng)維修，從而保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)?？煽啃跃S修包含以下要點(diǎn)：

1）盡可能避免設(shè)備冗余；

2）優(yōu)先考慮基于狀態(tài)維修或主動(dòng)維修，而不是固定時(shí)間維修。

3）允許運(yùn)行中出現(xiàn)故障。狀態(tài)維修適用于需要保證可靠性并降低能耗和成本的設(shè)備，主要是通過(guò)連續(xù)或定期觀察并記錄選定的設(shè)備參數(shù)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)。

2 狀態(tài)維修特點(diǎn)及技術(shù)手段

狀態(tài)維修（CBM）是一種根據(jù)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)來(lái)確定維修措施的策略，認(rèn)為只有當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)表明設(shè)備出現(xiàn)性能下降或故障征兆時(shí)才需要進(jìn)行維修。獲取這些指標(biāo)通常包括無(wú)損檢測(cè)、性能數(shù)據(jù)分析和相關(guān)測(cè)試。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)以連續(xù)或間隔方式采集并存儲(chǔ)[3-4]。

不同于采用預(yù)定周期的計(jì)劃維修方式，基于狀態(tài)維修只有在設(shè)備狀態(tài)觸發(fā)設(shè)定條件時(shí)才采取相關(guān)措施，從而使維修間隔得以延長(zhǎng)。狀態(tài)維修的實(shí)施包括三個(gè)方面：監(jiān)測(cè)、診斷和維修。

2.1 狀態(tài)維修的優(yōu)缺點(diǎn)

狀態(tài)維修的優(yōu)勢(shì)可概括如下：

1）在設(shè)備工作時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，不影響正常操作；

2）減小故障造成的損失；

3）提高設(shè)備可靠性；

4）減少重大故障的維修時(shí)間；

5）優(yōu)化維修間隔；

6）操作人員更加安全；

狀態(tài)維修的缺點(diǎn)如下：

1）狀態(tài)測(cè)試設(shè)備的安裝和維護(hù)費(fèi)用較高；

2）需要專人負(fù)責(zé)狀態(tài)測(cè)試與分析；

3）不易檢測(cè)到設(shè)備疲勞或均勻磨損故障；

4）工作環(huán)境對(duì)狀態(tài)傳感器的損害；

5）安裝傳感器可能需要改動(dòng)系統(tǒng)；

6）維修周期不可預(yù)測(cè)。

2.2 狀態(tài)維修的技術(shù)手段

狀態(tài)維修的技術(shù)手段有許多[5-9]，常用的有以下幾種：

1）振動(dòng)分析：諸如壓縮機(jī)、泵和電機(jī)一類的旋轉(zhuǎn)設(shè)備通常表現(xiàn)出一定的振動(dòng)。當(dāng)性能下降或出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)的強(qiáng)度會(huì)增加，從而被振動(dòng)傳感器探測(cè)到；

2）紅外分析：紅外相機(jī)可以用來(lái)檢測(cè)高溫設(shè)備的溫度狀態(tài)；

3）超聲分析：探測(cè)設(shè)備的內(nèi)部缺陷。

4）聲學(xué)分析：用來(lái)探測(cè)氣體、液體或泄漏；

5）油液分析：通過(guò)測(cè)量油液中的顆粒數(shù)量與大小來(lái)確定設(shè)備狀態(tài)。磨損產(chǎn)物分析與鐵譜法是油液分析的主要方法；

6）電學(xué)分析：電機(jī)電流等參數(shù)；

7）性能分析：綜合系統(tǒng)參數(shù)如壓力、溫度和流量等進(jìn)行設(shè)備工作性能分析。

3 斯里蘭卡艦船現(xiàn)有維修模式

目前斯里蘭卡海軍主要是按照設(shè)備生產(chǎn)商給出的維修計(jì)劃對(duì)船舶主機(jī)進(jìn)行維護(hù)。例如MTU主機(jī)，自1984年開(kāi)始投入使用，已按照維修計(jì)劃進(jìn)行過(guò)多次大修。其維修等級(jí)如表1所示。

檢測(cè)分析結(jié)果表明，在MTU各型主機(jī)的大修中，主軸頸軸承磨損占到12.5%-77%，連桿軸承磨損占比40%-80%，凸輪磨損占比20%-65%，詳情如圖1至圖4所示。

分析上圖后可以發(fā)現(xiàn)，按照現(xiàn)行預(yù)防性計(jì)劃維修方案，諸如軸承、活塞和齒輪等活動(dòng)部件并未達(dá)到其最大磨損限度就被更換。因此可以認(rèn)為這一維修模式存在過(guò)度維修的傾向，從而導(dǎo)致人力物力等方面花費(fèi)過(guò)高。

表1 斯里蘭卡海軍各型主機(jī)維修等級(jí)

圖1 主軸頸軸承磨損分析

圖2 連桿軸承磨損分析

4 基于油液分析的MTU柴油機(jī)狀態(tài)識(shí)別

MTU或其他主機(jī)的大修計(jì)劃主要是基于其使用情況。如MTU TE 94主機(jī)W6的維修間隔是6000小時(shí)；IDS的正常使用被定義為工作時(shí)間10%為最大功率，70%為平均功率，20%為低功率。但研究表明FAC主機(jī)主要工作在低功率區(qū)間。

此外對(duì)于是否有必要在6000小時(shí)進(jìn)行MTU TE94/TB93中W6主機(jī)的大修也有爭(zhēng)論，因?yàn)镸TU TC81中W6主機(jī)可工作9000小時(shí)，且負(fù)載類似甚至更大。澳大利亞的W6通過(guò)狀態(tài)維修可工作18000小時(shí)，而計(jì)劃維修一般間隔為7000小時(shí)。因此有必要在計(jì)劃維修中引入狀態(tài)分析。

基于以上事實(shí)，斯里蘭卡海軍已計(jì)劃對(duì)主機(jī)狀態(tài)進(jìn)行全面分析以延長(zhǎng)大修周期。作為試點(diǎn)，選取同一條船的兩臺(tái)主機(jī)，在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行滑油樣本的狀態(tài)對(duì)比分析。根據(jù)這一方案，在每次滑油更換時(shí)都要進(jìn)行鐵譜分析以了解油液樣本中的金屬顆粒分布情況，從而判斷主機(jī)的工作狀態(tài)。

根據(jù)ASTM D 5185標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)滑油樣本進(jìn)行了譜分析。此外按照ASTM D 445標(biāo)準(zhǔn)并參照澳大利亞BR 6140標(biāo)準(zhǔn)中的最大許可值對(duì)滑油粘度進(jìn)行了測(cè)試。油液樣本的元素分析結(jié)果如圖5和圖6所示（ppm濃度與時(shí)間的關(guān)系）。

圖3 凸輪軸軸承磨損分析

圖4 氣缸套磨損分析

圖5 左舷主機(jī)金屬磨損情況（短期）

圖6 右舷主機(jī)金屬磨損情況（短期）

根據(jù)分析結(jié)果，可以觀測(cè)到相比于左舷主機(jī)，該船右舷主機(jī)油液樣本中的鐵和銅元素稍微偏多，但仍處于許可范圍之內(nèi)。這些元素的來(lái)源為：

1）鐵：活塞環(huán)，滾珠軸承，齒輪，氣缸，閥門和其他含鐵部件；

2）銅：軸承，電刷，冷凝管，閥門導(dǎo)管等。

根據(jù)元素濃度和全部運(yùn)行周期之間的關(guān)系，可以得到趨勢(shì)分析圖，如圖7和圖8所示。

圖7 左舷主機(jī)金屬磨損情況（長(zhǎng)期）

圖8 右舷主機(jī)金屬磨損情況（長(zhǎng)期）

5 結(jié)論

基于狀態(tài)維修的實(shí)際應(yīng)用目前還有一些問(wèn)題有待解決，主要是測(cè)試設(shè)備和人員培訓(xùn)方面的經(jīng)費(fèi)開(kāi)支導(dǎo)致方案初期費(fèi)用較高。此外狀態(tài)維修需要引入一些新技術(shù)，其實(shí)施也會(huì)遇到各種困難。

目前斯里蘭卡海軍已經(jīng)開(kāi)始利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)分析?；偷蔫F譜分析與主機(jī)狀態(tài)的相關(guān)研究表明，滑油中的鐵元素的增加應(yīng)當(dāng)引起重視并給予持續(xù)關(guān)注。此外如含水量等其他方面的油液檢測(cè)也應(yīng)同步進(jìn)行。

考慮到MTU主機(jī)一般工作在額定負(fù)載以下，建議結(jié)合狀態(tài)分析開(kāi)展?fàn)顟B(tài)維修，將MTU TE94和TB93主機(jī)的高等級(jí)維修間隔延長(zhǎng)15%左右，即維修等級(jí)W5延長(zhǎng)500小時(shí)，等級(jí)W6延長(zhǎng)1000小時(shí)，從而減少維護(hù)費(fèi)用并提高維修效率。

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An Condition Based Maintenance Practise to MTU Marine Diesel Engines

WAK Fernando, Chen Yutao, Cao Shijie

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U672

A

1003-4862（2019）11-0033-05

2019-05-14

Fernando（1981-），男，工程師。研究方向：船舶動(dòng)力裝置科學(xué)管理。E-mail: yutao_jack_chen@163.com