佘 婷 ， 張 建， 程小亮， 劉德峰 ， 王競翔

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111；3.中科信工程咨詢(北京)有限責(zé)任公司，北京 100039； 4.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

船舶動力與傳動裝置是船舶的核心設(shè)備，它是否正常運行直接影響船舶的運行狀態(tài)。由于船舶動力與傳動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障種類繁多，往往容易產(chǎn)生錯判或漏判，常規(guī)的故障檢查方法不僅可靠性差、勞動強度大、診斷周期長，對于一個故障，往往需要反復(fù)停機、多次拆裝，才能找到原因。這種方法是基于故障已經(jīng)發(fā)展到直觀可見的程度，或已經(jīng)形成破壞性故障時才被發(fā)現(xiàn)，增加了船舶動力與傳動裝置的維護費用，降低了船舶系統(tǒng)的安全性和可靠性。據(jù)美國麻省理工學(xué)院的有關(guān)統(tǒng)計，在機械設(shè)備的故障中，70%是由于摩擦副表面磨損或腐蝕造成的[1]。而潤滑油在船舶動力與傳動裝置中循環(huán)流動，滑油品質(zhì)的變化和所含雜質(zhì)狀況可以提示零部件磨損的部位、類型和程度。據(jù)權(quán)威機構(gòu)認(rèn)定，油液監(jiān)測可以比振動監(jiān)測更準(zhǔn)確有效地判別和預(yù)測故障[2]。因而，利用滑油狀態(tài)信息開展船舶動力與傳動裝置健康狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

油液在線監(jiān)測技術(shù)起源于國防軍工領(lǐng)域，美國在1941年就成功地采用油液分析技術(shù)檢測出了柴油機的磨損失效。1976年美軍在國防部領(lǐng)導(dǎo)下成立了三軍聯(lián)合油料分析機構(gòu)(JOAP)，該機構(gòu)現(xiàn)已成為世界上最著名的油料分析機構(gòu)。Kongsberg開發(fā)的用于監(jiān)測大型二沖程柴油機的軸承磨損監(jiān)測系統(tǒng)，通過運用油液磨粒與水分分析，監(jiān)測十字頭軸承、曲柄銷軸承和主軸承的磨損情況。Kittiwake開發(fā)的一款推進器監(jiān)測系統(tǒng)——ThrusterSCAN，用于監(jiān)測定位推進器狀況，以優(yōu)化推進器的檢修工作和預(yù)測推進器潛在的故障，可監(jiān)測艦船滑油系統(tǒng)的品質(zhì)變化情況和磨損顆粒情況。美國海軍在艦船上運用的TELAS系統(tǒng)可監(jiān)測船用渦輪燃?xì)鈾C滑油的磨粒數(shù)量、濃度、水分含量及添加劑等多種參數(shù)，而AUTOlab系統(tǒng)用于柴油機滑油黏度、磨粒及污染物等參數(shù)監(jiān)測。

在國內(nèi)，針對發(fā)動機、液壓設(shè)備、傳動裝置、大型機械設(shè)備等高端精密裝備，油液在線監(jiān)測技術(shù)近年來越來越受到相關(guān)設(shè)計研制單位的重視，但由于缺乏關(guān)鍵的在線監(jiān)測傳感器，其實際應(yīng)用受到一定限制，對比國外仍有差距。

1 滑油狀態(tài)監(jiān)測原理

油液污染是造成船舶動力系統(tǒng)磨損的主要故障源。油液污染包括顆粒污染、水分、氣體、熱量和微生物等，其中尤其以顆粒污染和水分污染影響最為嚴(yán)重。油液中混入一定量的水分后，會使?jié)櫥腿榛拾诐釥顟B(tài)。這種白濁的乳化油進入油液系統(tǒng)內(nèi)部，不僅使元件內(nèi)部生銹，同時降低其潤滑性能，使零件的磨損加劇。潤滑系統(tǒng)內(nèi)的鐵系金屬生銹后，剝落的鐵銹在潤滑系統(tǒng)管道和元件內(nèi)流動，蔓延擴散下去，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)內(nèi)部生銹，產(chǎn)生更多的剝落鐵銹和氧化物[3]。對潤滑油來講，黏度是衡量潤滑能力的一個重要指標(biāo)，黏度值升高或降低均造成潤滑性能下降，這些性能變化又可能會進一步引發(fā)各種設(shè)備故障。因此，船舶動力與傳動裝置潤滑油狀態(tài)監(jiān)測是對油品本身性能和理化指標(biāo)(即黏度)進行監(jiān)測，對油液污染度(即含水量與金屬磨粒)進行監(jiān)測。

1.1 油液黏度檢測原理

黏度是衡量油品潤滑能力的一個重要指標(biāo)。對油品黏度監(jiān)測，是判斷設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)以及確定是否換油的重要依據(jù)。目前，具有代表性的是美國劍橋公司生產(chǎn)的在線式工業(yè)用黏度傳感器[4]。

該傳感器采用了活塞型黏度計技術(shù)，檢測方法源于傳統(tǒng)的落體法。按照斯托克斯黏性阻力定律，在流體緩慢流過靜止的物體或者物體在流體中運動時，流體內(nèi)各部分流動的速度不同，存在黏滯阻力。黏滯阻力的大小與物體的運動速度成正比。流體的黏度愈高，黏滯阻力愈大，物體通過某一定距離的時間就愈長[5]。通過測量物體經(jīng)過流體中某一定距離的時間，即可計算出流體的黏度。

該傳感器由活塞和套筒組件構(gòu)成的黏度檢測頭、儀表和溫度補償裝置組成。黏度傳感器工作原理圖如圖1所示。檢測頭內(nèi)置2個磁性線圈。當(dāng)傳感器插入到管路中，被測液體樣品流入測量室中，磁化的活塞周圍充滿液體樣品。傳感器中內(nèi)置的2個線圈通過磁力，以一個恒力將活塞在預(yù)定的距離(大約0.2 in)內(nèi)來回推送。同時準(zhǔn)確測定循環(huán)時間?；钊h(huán)周期長則說明油品黏度高。根據(jù)活塞完成一次雙向循環(huán)所需的時間就可精確測量樣品的黏度值。流轉(zhuǎn)格柵不停地將新鮮樣品導(dǎo)入測量室中。

圖1 黏度傳感器工作原理圖

如果傳感器配置的測量范圍是5～100 cP，24 cP的周期時間一般是6 s，全量程校正時間(與測量范圍無關(guān))為大約26 s。圖2為黏度傳感器外形圖。

圖2 黏度傳感器外形圖

1.2 油液水分檢測原理

水分是指油品中的水含量。實驗表明，隨著含水量逐漸增加，潤滑油的抗磨性逐漸下降，當(dāng)含水量超過0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，達到1%甚至更高的時候，抗磨性急劇下降，潤滑油的潤滑性喪失[6]。

國內(nèi)外開發(fā)的油液在線水分監(jiān)測傳感器技術(shù)主要采用電學(xué)方法。其原理就是利用油液的電化學(xué)性能如介電常數(shù)來反映油品的污染狀況[7]。油液是一種復(fù)雜的混合物，可以看作是弱極性液體電介質(zhì)，介電常數(shù)大約為2.0左右。介電常數(shù)的大小只與物質(zhì)的種類有關(guān)，不同物質(zhì)介電常數(shù)差別較大，如水的介電常數(shù)遠大于油的介電常數(shù)[8]。當(dāng)有水進入油液后，由于水的介電常數(shù)遠大于油液的介電常數(shù)，作為電介質(zhì)的油液其介電常數(shù)將發(fā)生變化，通過設(shè)計特殊的電容結(jié)構(gòu)檢測介電常數(shù)的變化，可以得到油液中的含水量。

航空工業(yè)北控所開發(fā)了油液水分在線檢測傳感器，如圖3所示。其探頭結(jié)構(gòu)采用了同軸圓柱形電容結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3 水分傳感器外形圖

圖4 同軸圓柱形電容結(jié)構(gòu)

其中實心銅柱作為電容的一極，外壁的圓筒作為電容的另一極。油液從圓柱筒中流過時，圓柱形電容傳感器的電容值的變化反映了油液作為電介質(zhì)發(fā)生的介電常數(shù)的變化。

設(shè)定長度為L的同軸圓柱形電容器，其半徑分別為a和b(b>a)，L>(b-a)，傳感器的靈敏度與極板的長度L成正比，與In(b/a)成反比。

1.3 油液金屬磨粒檢測原理

磨損顆粒在線監(jiān)測是采用安裝在設(shè)備潤滑系統(tǒng)上的監(jiān)測傳感器實時采集流經(jīng)摩擦副后的油液中所含磨損顆粒量信息并提供超限報警功能的一門油液在線監(jiān)測技術(shù)。

針對磨損金屬顆粒具有鐵磁性的特點，在傳統(tǒng)磁塞傳感器的基礎(chǔ)上對傳感器探頭進行改進，增加了燒蝕電路，可以半定量地實現(xiàn)對鐵磁性金屬磨粒的監(jiān)測?；驹淼刃D如圖5所示。

圖5 基本原理等效圖

傳感器探頭兩極等效于開關(guān)J1兩端。當(dāng)沒有金屬屑末搭在探頭兩極時等效于J1斷開，此時電源為電容C1進行充電；設(shè)備正常運行過程中產(chǎn)生的微小鐵磁性金屬屑末堆積到一定程度時，探頭兩極短路，相當(dāng)于J1閉合，此時電容C1將在微小鐵磁性金屬屑末堆積處放電，將金屬屑末擊飛，等效于J1斷開；此時大電容C1充電，準(zhǔn)備下一次燒蝕；大的鐵磁性金屬屑末搭載在探頭兩極時，等效于J1閉合，電容C1放電燒蝕大金屬屑末，但無法使電極斷開，燒蝕電路識別該信號，通過RS485總線將報警信號上傳給監(jiān)控終端，提示用戶異常狀態(tài)。

油液磨粒傳感器由鐵磁性探頭、快插自閉閥、燒蝕系統(tǒng)和通信電纜組成。燒蝕系統(tǒng)包括燒蝕電路以及單片機控制模塊兩部分組成。傳感器探頭旋入自閉閥中的部分主要由環(huán)狀永磁體和2個放電電極組成，信號調(diào)理電路安裝于傳感器探頭尾部，磨粒在線檢測傳感器外形如圖6所示。

圖6 磨粒傳感器結(jié)外形圖

2 滑油狀態(tài)監(jiān)測試驗

在船舶動力系統(tǒng)其中的一個動力單元，共計5個測點處安裝了9臺油液在線檢測傳感器。其中在滑油總管處安裝了1臺如圖2所示的美國劍橋Viscopro2100型黏度傳感器，在3臺動力設(shè)備回油管路處分別安裝了3臺如圖3所示的北控所研制的Csf-dr-1型水分傳感器，在滑油總管與動力設(shè)備回油管路處分別安裝了5臺如圖6所示的北控所研制的Cxm-dd-1型磨粒傳感器?；蜖顟B(tài)監(jiān)測試驗硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

3 試驗結(jié)果

3.1 油液黏度檢測試驗結(jié)果

被測潤滑油為68號汽輪機油，溫度40 ℃時的運動黏度為68 mm2/s。通過動力黏度與運動黏度關(guān)系換算，滑油40 ℃時的動力黏度約為59.16 cP。潤滑油黏度隨著溫度的變化而變化，溫度升高，黏度值下降。經(jīng)過實測發(fā)現(xiàn)，船舶動力系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，滑油溫度變化范圍為37.3～39.2 ℃，黏度變化范圍為60.9～67.9 cP，如圖8所示，滿足黏度與溫度的變化關(guān)系。

圖7 監(jiān)測試驗硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖8 被測油液黏度與溫度曲線圖

3.2 油液水分檢測試驗結(jié)果

對圖7中所有測點采集油樣，采用SPECTRO便攜式水分測試儀FluidScan Q1000測試，所有測點含水量均在500 ppm以下。通過潤滑油狀態(tài)監(jiān)測試驗發(fā)現(xiàn)，測點1、3、4、5的含水量均顯示0.05%。測點1與測點2的含水量變化曲線如圖9所示。

由于試驗中所采用的水分在線檢測傳感器的量程為0.05%～10%，而實測含水量均在0.05%以下，故測點1、3、4、5的含水量顯示與實際情況相符。而測點2的含水量分布不穩(wěn)定，數(shù)值偏大，某些數(shù)值大于10%，與實際情況不符。通過分析可能由于探頭兩極間存在較多金屬顆粒，使得水分在線檢測傳感器探頭兩極出現(xiàn)了間歇性短路的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傳感器輸出不穩(wěn)定。設(shè)備停機期間拆卸測點2的水分在線檢測傳感器，發(fā)現(xiàn)探頭兩極間確有一段長度大約為3 mm金屬屑末。對傳感器探頭進行清洗維護后，輸出正常，含水量一致輸出0.05%，且不隨溫度的變化而變化，如圖10所示。

圖9 測點1與測點2含水量變化曲線圖

圖10 測點2溫度與含水量變化曲線圖

3.3 油液磨粒檢測試驗結(jié)果

磨粒在線檢測傳感器的輸出值為磨粒增量，表示吸附的鐵磁性顆粒使得傳感器探頭電極短路的累加次數(shù)。吸附的鐵磁性顆粒越多，越容易導(dǎo)致探頭電極短路。通過試驗發(fā)現(xiàn)，測點1、2、4、5的磨粒增量為0，只有測點3的磨粒增量有變化，大約4 h增加4次，如圖11所示。通過對測點工況進行分析發(fā)現(xiàn)，測點3的用油設(shè)備為減速齒輪裝置，相比其他用油設(shè)備，磨損要劇烈一些，由于設(shè)備在運行初期都會有段磨合期，該種磨損為正常磨損。潤滑油狀態(tài)監(jiān)測試驗?zāi)チz測結(jié)果與實際工況相符。

測點3的磨粒增量劇烈變化，大約11 min增加55次，與正常狀態(tài)下的磨粒增量變化有很大區(qū)別,如圖12所示。后經(jīng)對現(xiàn)場實際工況了解后得知，滑油泵電機出現(xiàn)鎖死故障，導(dǎo)致滑油泵刨軸，使得滑油管路中出現(xiàn)了大量的磨損顆粒。由此可見，對船舶動力與傳動裝置潤滑油狀態(tài)監(jiān)測可以反應(yīng)用油設(shè)備的故障狀態(tài)。

圖11 正常狀態(tài)下的測點1和測點3的磨粒增量變化曲線圖

圖12 異常狀態(tài)下的磨粒增量變化曲線圖

4 結(jié)束語

通過理論研究與試驗驗證，論述了油液監(jiān)測技術(shù)在船舶動力與傳動裝置狀態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用的可行性和有效性。通過對滑油狀態(tài)實現(xiàn)在線監(jiān)測，可以提高船舶動力系統(tǒng)的安全性和可靠性，根據(jù)實時監(jiān)測的結(jié)果，及時掌握設(shè)備運行狀態(tài)或故障征兆，以便采取相應(yīng)的有效措施，排除故障隱患。

油液監(jiān)測在船用領(lǐng)域也需要大量的基礎(chǔ)工作，如通過長時間連續(xù)的含水量監(jiān)測獲得管道、閥門的泄露情況，通過長時間連續(xù)的金屬磨粒監(jiān)測獲得設(shè)備的磨損情況。主要是摸清不同故障模式下潤滑油性能和理化指標(biāo)與污染度狀況，經(jīng)過長期積累建立船舶動力與傳動裝置滑油監(jiān)測專家系統(tǒng)，實現(xiàn)對異常情況的確認(rèn)。經(jīng)過長時間理論與相關(guān)的船舶應(yīng)用的結(jié)合，油液監(jiān)測技術(shù)定將在船舶動力與傳動裝置的狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，進一步保障船舶動力系統(tǒng)的安全。