铁谱分析法在某型船舶柴油机故障诊断中的实际应用研究

秦润轩，卞 磊，张红磊(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

铁谱分析法在某型船舶柴油机故障诊断中的实际应用研究

秦润轩，卞 磊，张红磊
(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

船舶柴油机是一个集往复件和回转件于一体的典型摩擦学系统，也一直是磨粒检测故障诊断中的应用对象，文章采用铁谱分析法对大型船用柴油机MAN Bamp;W 7K90MC进行了磨损检测实验。研究结果表明：通过对油液中磨粒图像识别分析而预测的故障，与实际拆装检测得出的故障基本吻合，有利于铁谱分析法在故障诊断中的推广应用。

铁谱分析法；船舶柴油机；故障诊断；应用研究

船舶柴油机在运行的过程中，运动副的机械磨损在所难免，磨损是引起主机零件失效的重要原因之一。为减少柴油机各运动系统的磨损，柴油机中都有润滑系统，润滑系统贯穿整个摩擦副，因此润滑油中含有丰富的机械零件信息，其磨损颗粒直接反映了零件的故障所在和柴油机工作状况[1-2]。目前国内外关于磨粒监测识别、故障诊断技术主要是油液检测法，常用的油液磨粒检测方法中主要有光谱油料分析法、磁塞检测法、铁谱分析法等。光谱油料分析法存在其局限性，无法测定大于10 μm的异常磨损产生的大颗粒金属磨粒；磁塞检测法仅对50 μm的磨粒敏感；而铁谱分析法可以观察到所有尺寸的磨粒，因此得以广泛应用[3-4]。该技术最早在20世纪70年代由美国海军研究人员提出，它是一种借助磁力将油液中的颗粒分离出来，并将颗粒排列在基片上(即制片)，然后在显微镜下观察磨粒的颜色、形状、大小等纹理特征，从而分析机器的磨损状态和故障所在。摩擦学的研究表明：磨损颗粒的种类和数量以及增加的速度与摩擦面材料的磨损程度及磨损速度有直接的关系；而磨粒的形态、颜色及纹理等则与磨损类型、磨损进程有密切关系。因此铁谱分析法在判断柴油机磨损故障的部位、严重程度、发展趋势及产生的原因等方面具有重要的作用。

1 铁谱谱片的制备

铁谱谱片的制备包括采样和制谱2个部分，本文以船舶主机MAN Bamp;W 7K90MC柴油机为研究对象，柴油机的各项参数如表1所示。该柴油机已在中远远洋船舶上服役多年，由于柴油机使用年限较长，因此，该柴油机在连续运转的过程中极易产生磨损颗粒和一些轻微故障，在实验室中使柴油机在额定工况下连续运转直至出现运转异常，然后再在润滑油中取样制作谱片。

表1 MAN Bamp;W 7K90MC柴油机各项参数

取样前准备好几个清洁的无色透明玻璃杯作为取样瓶，用取油工具从润滑油循环油管中抽取润滑油样，取样工作是铁谱分析的第一步，必须保证所取的油样含有能反映机器工况变化的磨损颗粒，只有这样才能通过铁谱分析法正确的分析柴油机的磨损状态和故障所在，取样时应注意以下几点。

1)取样点应尽量选择在润滑油过滤之前，并且不能从油管的死角、底部、侧部取样。

2)由于大多数磨粒的密度大于油液，为防止磨粒沉淀，取样时应尽量选择在柴油机运转时，或刚停机时取样。

3)取样时应始终在同一位置、同一条件下进行，由于本实验是在运转过程中取样，所以取样时保持柴油机的转速和负荷不变。

在进行润滑油样铁谱制片之前，为保证分析油样具有合适的粘度和一定的流动性，还应对样本进行稀释处理，其中包括浓度的稀释和粘度的稀释，以得到合适的磨粒浓度测量信息和数据。本实验是在油样中加入一定比例有机溶剂四氯乙烯，油样与四氯乙烯的体积混合比为3∶1，使两者充分混合，然后制作谱片。本实验采用的铁谱仪为FTP一X2型分析式铁谱仪，其工作原理如图1所示[5]。

1-油样；2-导油管；3-微量泵；4-玻璃基片；5-磁场装置；6-回油管；7-贮油杯。图1 FTP—X2型铁谱仪工作原理

铁谱谱片是根据分析铁谱仪的工作流程而制备的磨粒玻璃基片，为了对油样中的磨粒进行精确的分析，确保对设备磨损状态诊断和预测的准确性，必须制备出合格的铁谱片，良好的铁谱片应具备以下几个条件[6]。

1)磨粒在铁谱片上不能有重叠部分，以减少图像分析过程中的图像分割不精确性，且磨粒覆盖率gt;50%。

2)沉积磨粒在铁谱片上应按照其粒度大小排列。

3)铁谱片上不能有残余油液的痕迹，每个磨粒的轮廓线应清晰可见，表面细节可辨。

2 铁谱图像分析与磨损故障诊断

本实验研究采用美国OLYMPUS公司生产的BH—2型铁谱显微镜分析铁谱片,摩擦学研究结果表明，虽然机械系统的运动副摩擦机理非常复杂，表现在各种各样的磨粒形态特征上，但是同种磨损故障产生的磨损磨粒却具有相似的形态参数。根据故障机理和磨粒的形态参数的不同，通常把磨粒分为正常滑动磨粒、严重滑动磨粒、疲劳剥块磨粒、层状磨粒、球状磨粒、氧化物磨粒和有色金属磨粒等。运用磨粒的这些形态参数，可以对磨粒进行识别，从而判断磨损故障形式。

利用铁谱显微镜对柴油机的相应谱片进行观察和分析，在谱片上发现了数量较多的油泥，在不同的谱位上还存在着球状磨粒、切削磨粒、疲劳块状磨粒、有色金属磨粒以及一些正常磨粒等。油泥和非金属结晶体的铁谱图片如图2所示，油泥和非金属结晶体都与润滑油的变质和污染有关。如果润滑油在使用过程中受到高温作用，如由于活塞环失效、燃气直接接触润滑油以及不完全燃烧逐渐生成的积炭溶解；或燃油漏入滑油系统内，逐渐生成有机酸、硫化物等，都会使润滑油发生劣化现象，逐渐产生油泥和非金属结晶体。后经实际拆机检查，发现该柴油机进气口有喷机油的现象，机油进入燃烧室后，与燃油一起参与了燃烧，说明上述铁谱分析的结果基本是正确的。

图2 油泥和非金属结晶体铁谱图像

图3 球状磨粒图像

在54.8 mm和55 mm谱位上存在着球状磨粒，如图3所示，球状磨粒有可能是由滚动轴承的疲劳磨损所致，也有可能是发生了腐蚀磨损，腐蚀磨损产生的球状磨粒一般尺寸较小，从图3可以看出，该谱片中的球状磨粒尺寸较大，可能是摩擦生热产生高温，由高温引起了疲劳磨损所致。经拆机检查是该柴油机滚动轴承磨损较严重所致。

在谱位上发现存在着疲劳块状磨粒和切削磨粒，疲劳块状磨粒如图4所示，为进一步进行实验观察，在330 ℃下对该谱片进一步做加热分析，发现疲劳块状磨粒表面呈蓝回火色，这是低合金钢类材料的特征回火色，说明疲劳块状磨粒来自低合金钢类材料。根据柴油机的油路分析，切削磨损微粒和疲劳块状磨粒极有可能都来自活塞环，此疲劳块状磨粒尺寸较大，表明该机车的活塞环可能已经发生了较严重的疲劳磨损。切削磨粒如图5所示，该磨粒则是由于该机车的活塞环表面有硬质点切入软表面引起切削磨损而产生。

图4 疲劳块状磨粒

图5 切削磨粒

该柴油机对应谱片中的有色金属微粒也很典型，如图6所示。对谱片加热分析时，微粒颜色基本不变，经分析，该有色金属微粒也是铝磨粒。此谱片中，铝磨粒的尺寸较大，显然是由于发生了严重滑动磨损而产生的，同时，图5加温后所示的铝磨粒表面有一些孔洞，这是由于铝磨粒从零件表面掉下来后受压所致，据此认为该柴油机的活塞有不正常磨损。当然，在铁谱图像中发现较多的还是正常磨损颗粒如图7所示。

图6 有色金属磨粒图像

图7 正常磨损颗粒

3 结束语

1)通过以上对铁谱图像的分析与实际的拆机检查所得出的结论为：该船舶柴油机由于润滑不良，已经发生了较为严重的不同形式的磨损，其磨损状态应引起注意，拆机检查时已发现活塞与缸套组件存在不同程度的磨损，持续运转下去易发生拉缸烧瓦故障，铁谱分析法在该型船舶柴油机的故障分析与实际情况基本吻合。

2)铁谱分析法在柴油机故障诊断中是一种有效的检测方法，其作用不容小觑，但是由于需要结合过硬的机械摩擦学知识水平，才能准确地预测和分析故障所在，限制了其应用范围。

3)由于存在需结合摩擦学知识来分析铁谱图像的缺点，若将其分析技术建立一套有效的专家库诊断系统，进行自动识别和故障预测将扩大铁谱分析技术的应用范围。

[1] 张叶龙，赵宝刚，徐久军，等.缸套—活塞环摩擦学系统分析[J].中国修船，2008(1):30-33.

[2] 刘洪贺，杜善刚，王冲.某船右主机活塞拉缸故障分析与排除[J].中国修船，2013(4):10-12.

[3] 杜杰伟，毛俊元，陈凯军，等.基于光纤传感的发动机零部件磨损状态监测与评价[J].起重运输机械, 2014(7):115-119.

[4]左洪福，涂群章，李艳军.润滑油液污染颗粒图像监测系统与实验研究[J].兵工学报,2005,26(5):625-628.

[5] 陈娟.不同磨损状态的磨粒特征研究[D].昆明：昆明理工大学,2007.

[6] 李美荣.铁谱分析技术及其在工程机械故障诊断中的应用[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2009(1)：46-47.

Marine diesel engine is a collection of reciprocating and rotating parts of a typical tribological system,which have always been application object in fault diagnosis with grinding particle detection.In this paper,iron spectrum analysis method is used to make a wear test for the large marine diesel engine MAN Bamp;W 7K90 MC.The results show that fault prediction through the wear particle image recognition analysis accords basically with the actual disassembly fault detection,which is favorable for promoting application of iron spectrum analysis in fault dignosis.

iron spectrum analysis;marine diesel engine;fault diagnosis;application research

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.02.012

国家级“大学生创新创业训练计划”(20141049712003)；武汉理工大学自主创新基金项目(2014-HY-B1-06)

秦润轩(1993-)，男，回族，新疆乌鲁木齐人，在读本科生，研究方向为能源动力系统及自动化、机械设备。

2014-11-12