船舶柴油机拉缸故障振动诊断技术.doc

船舶柴油机拉缸故障振动诊断技术柴油机是目前占主导地位的船舶动力装置之一，在船舶运行中故障率也是最高的。对柴油机故障及时准确地检测和诊断，是防止故障发生并把故障排除在萌芽状态的关键，而常见故障中又以“拉缸”现象出现最为频繁。[1-3]据某远洋运输公司统计，其属下船舶发生的54起主机故障中，拉缸出现8起，占14.8%。如某船是1997年建造的第5代集装箱船，主机型号为MAN-B&W-10L90MC，由于活塞环与缸套材料不匹配，运转12000h内出现多次拉缸现象导致活塞环断裂甚至缸套裂纹。柴油机拉缸现象引起柴油机制造厂家和广大航运界柴油机用户的高度重视。[4-8]如何在拉缸故障初期就对柴油机检测并加以诊断，及时采取有效的措施减少损失，避免更大的事故发生，已经成为业内人士广泛关注的柴油机故障诊断课题之二。1柴油机拉缸故障的表现和传统诊断方法“拉缸”是柴油机运行中常见的严重故障之一，是活塞、活塞环或活塞销在缸套中运动时，因某种原因造成部分零件损坏形成干磨擦，使缸套表面或者活塞因相互作用被拉伤、拉毛或划出沟纹而影响柴油机正常运转的严重磨损损伤现象。[9-13]船舶柴油机的拉缸一般出现在新船出厂后的磨合初期和船舶大修以后的磨合试运行期间，在成熟产品的使用中也常发生，特别是高速强化柴油机在试车、磨合、试航、大风浪航行、登陆等不正常工况条件下工作时发生拉缸的可能性更大。[14]柴油机出现拉缸现象时，轻者柴油机尚能运转，但起动困难、功率下降、排出大量黑烟、振动加剧、机体内发出敲击声，有可能会从加机油口处看到青烟冒出；重者活塞卡死在缸套里，发生胀缸或咬缸事故，柴油机熄火，曲轴无法转动，活塞、活塞环、缸套等零部件严重损坏。[15]低速柴油机拉缸破坏的过程比较长，而中高速柴油机拉缸破坏过程一般仅有几十分钟，甚至几分钟内发生巨大破坏。理论上可造成拉缸的原因主要有以下几方面：气缸润滑；冷却和排气；活塞环或活塞销卡环故障；活塞和缸套；柴油机设计方面；运行维护等。[16-19]油机拉缸的表现来进行故障诊断的传统方法主要依靠操作人员听觉、视觉、触觉等方面的实船经验来进行判断。这需要操作人员有较高的素质和负责的工作态度，主观性很强，而且拉缸事故发生到可以被轮机员觉察的程度，柴油机的缸套和活塞等部件的磨擦拉伤已经非常严重。[20-22]对柴油机的滑油进行金属含量分析是进行柴油机磨损状态检测的有效手段[23-26]，但由于目前分析方法的限制，还只能做离线判断而不能进行拉缸发生之初的实时诊断[27]。缸套水和滑油温度及压力的检测比较简便，而且检测数据可靠，可以作为参考依据[28-31]；然而，温度升高和压力变化是一个受多种因素影响且相对拉缸滞后的过程，对其检测也同样不能用于实时诊断。在曲轴箱内安装油雾浓度传感器可以有效识别燃气下窜情况下的拉缸故障并提前进行报警，但适用范围仅限于活塞环破坏导致燃烧室密封失效的情况，不能做到完全可靠。[32]拉缸故障发生时，因缸套和活塞等部件的磨擦力剧增，柴油机为克服其磨擦力做功使油耗大大增加，实时测量油耗可以检测到这种异常并进行报警，但由于其检测费用很高使得此方法可行性不高。表1列举一些传统诊断方法的优缺点。表1船舶柴油机拉缸故障传统诊断方法比较检测方法优点缺点人工经验简单、方便主观性强、无法预报油液分析分析磨损状态准确可靠离线分析、仅作参考温度或压力数据可靠、方法简单干扰因素较多、相对滞后油雾检测提前准确报警仅适用于燃气下窜的拉缸油耗测量可实时检测成本较高2拉缸故障的振动诊断技术柴油机工作时激振力源十分复杂，是一种多激励、多振型的复杂振动系统。[33，34]基于振动信号分析与处理的柴油机故障诊断技术，具有分析设备完善、诊断结果准确和便于实时诊断等优点。在柴油机运行状态下，可以利用柴油机表面或内部的各种振动信号诊断柴油机是否产生拉缸现象。[35-37]主要振动诊断方法有3种：机体振动信号、声发射信号和扭振信号。2.1利用机体振动信号诊断拉缸机体表面的振动信号由各种激励综合作用产生，是反映柴油机不同的工作过程或故障内在关系极其有效的敏感参数。[38]柴油机发生拉缸故障时，缸套与活塞、活塞环或活塞销之间的润滑油膜被破坏，两者直接构成干磨擦，在燃烧室爆发压力的推动下互相撞击挤压，使得机体表面振动加剧，振动特征发生变化。因此，可用机体的振动信号来诊断柴油机的运行状态，方法简单准确，可行性较好。[39]使用机体振动信号诊断时，可以采用时域信号或者频域信号两种方法进行。利用机体振动的时域信号进行检测时，可以在每缸缸套外表面各选一个测点，测取正常工作状况下的振动幅值与时间的相互关系曲线作为标准信号。柴油机的实际运行中，测点位置不改变，测取实时的振动信号，同时与标准信号比较。若发现实际信号中振动的幅值有较大幅度的加强，则表明柴油机内部可能产生引发剧烈振动