工程船舶动力机械状态监测和故障诊断技巧分析

段旭阳

（海军工程大学，湖北 武汉 430033）

工程船舶动力机械状态监测和故障诊断技巧分析

段旭阳

（海军工程大学，湖北 武汉 430033）

船舶航行中，动力装置为“心脏”，一旦出现故障会带来严重后果。本文首先对当前工程船舶动力机械状态监测和故障诊断的常见诊断方法及诊断技巧进行了分析，并在此基础上，结合多种诊断方法建立工程船舶动力机械状态监测和故障诊断系统，实现对机械状态的实时监测，确保运行安全。

工程船舶；动力机械；状态监测；故障诊断

船舶航行中，动力装置为运行“心脏”，一旦出现故障会给整个船舶带来严重后果。而状态监测和故障诊断（CMFD）为一种综合性技术，这种技术融合多学科知识，将模式识别、状态监测还有信号处理决策等技术融合为一体，能够对动力机械的工作状态进行在线分析，对机械状态趋势进行预测，分析故障类型与程度，并根据监测数据对动力机械进行针对性维修保养。

1 工程船舶动力机械状态监测和故障诊断方法

1.1 瞬时转速监测诊断

船舶正常航行中，柴油机瞬时转速在较小范围内规律性变化。但是柴油机出现故障，瞬时转速的规律性变化就会被破坏，柴油机瞬时转速的波动会出现图1的变化。

图1 柴油机瞬时转速波动率峰值的变化图

图1所示的是MANB＆W 6L16/24柴油机瞬时转速的波动图，这些柴油机结构的尺寸大，轴系激励复杂，轴系扭转振动会对瞬时转速产生较大影响。当柴油机第2缸及第4缸工况正常的时候，如果做工能力的下降幅度分别达到10%还有20%，则能得到图1所示瞬时转速的波动率计算结果。瞬时转速的波动峰值同各个缸运行中的平衡性是相关的，因此能利用这一特性对柴油机工作状态进行监测及诊断，在监测过程中，通常会用到转矩估计监测法、波形分析监测法还有多特征综合监测法这三种瞬时转速监测方法。

1.2 热力参数监测诊断

热力参数监测诊断属于一种常见的船舶动力机械状态监测诊断方法，其监测时通过对柴油机工作过程中的热力参数变化情况来对船舶工作状态进行判断的一种方法。监测过程中需要对柴油机主要热力参数（气缸压力、排气温度、滑油温度、进出口温度、转速等）进行实时记录分析，并在系统中录入正常参数，将船舶运行参数同正常参数进行对比，一旦变化幅度超出正常范围，系统会做出预警，并根据参数变化给出柴油机性能，并给出具体的解决方法。

1.3 振动监测诊断

振动监测诊断指的是对船舶正常工作时柴油机的振动信号进行监测诊断，对这些信号进行测试分析，处理后对运动件工作状态进行有效诊断。这种诊断方法能够对柴油机状态快速在线诊断。但是诊断过程中存在如下几个技术难点：（1）运动件众多，形状各异，激励力传播途径会对机体表面产生大小不一的贡献。（2）激励力众多，频率不一，信号识别困难。（3）激励力间相互干扰耦合，敏感测点选择困难。（4）柴油机的振动还有受到其他因素影响（如工况、温度、润滑油的黏度等）。鉴于上述技术难点，监测过程中需要掌握各种激励源信号识别技术，能够对信号干扰进行有效处理，并能根据信号对柴油机工作状态的特征参数进行有效提取，建立判据。

1.4 声发射诊断

声发射诊断指的是在遭到内力或者外力作用时，材料会通过弹性波形式将应变能释放出来的一种现象。固体材料在内部如出现缺陷，外力作用下会出现声反射，从这点来说，声发射信号中蕴含着材料缺陷的全部信息。而声发射监测则是对声信号进行在线监测，对信号进行分析处理，通过信号分析对材料内部具体状态进行判断，当前这种监测方法在机械设备故障监测中应用比较广泛。

2 工程船舶动力机械状态监测和故障诊断技巧

上面对工程船舶动力机械状态监测和故障诊断方法进行了具体介绍，结合上述方法，下面对活塞—缸套磨损还有柴油机气阀漏气的诊断技巧进行具体阐述。

2.1 活塞-缸套磨损的诊断技巧

对于工程船舶来讲，柴油机活塞-缸套磨损的诊断原理为：不同磨损状态之下，活塞会在侧推力的作用下向气缸套撞击，并在撞击过程中产生能量及运动位移的相对变化；变化过程中，机身会随激励源变化而发生参数（振动振级、振动信号的功率谱分布、振动能量等）的变化；系统对机身表面的振动响应特征进行分析，参照内部所保存的磨损状态参数，通过对比就能够对活塞—缸套的磨损状态进行诊断。如果活塞—缸套磨损较大，功率谱会存在较大差异。

2.2 柴油机气阀漏气的诊断技巧

图2 工程船舶动力机械状态监测和故障综合诊断系统

船舶航行，柴油机正常工作，缸盖需要五个主要激励力，其中进气门开启、关闭冲击力，排气门开启、关闭冲击力，还有缸内的气体压力，在这五个激励力下，气阀的工作状态能够通过缸盖的振动信号有效表达出来。如果将缸盖系统看作是频不变系统，那么上述所提到的五种激励力之间属于线性无关的关系，气阀在不同工作状态下，缸盖的振动信号功率谱图会呈现出明显差异。时转速的监测模块：对柴油机工作中的瞬时转速进行计算及分析，通过对比分析监测柴油机动力的平衡性能。（3）气缸压力功率谱的监测模块：对气缸的压力数据进行测量记录，通过数据分析对柴油机工作性能进行监测诊断。（4）声发射的监测模块：对柴油机缸盖振动中产生的声发射信号进行分析处理，从而判断气阀是否存在漏气故障。（5）轴系振动的监测模块：对柴油机运行数据进行采集，通过计算处理模块分析处理，获得瞬时转速波形图还有扭振时域、频域波形图，对柴油机一阶、二阶振动幅值进行监测诊断。（6）轴功率的监测模块：对柴油机轴功率进行计算处理，并获得平均转速还有输出扭矩值，通过对这些数值参数对比分析，对柴油机的性能进行监测诊断。（7）工程船舶动力机械性能的监测模块：对船舶运行中，动力机械在单位时间内的燃油消耗量进行监测，结合轴功率及航行速度等参数对工程船舶动力机械的总体性能进行判断，并给出工况最佳优化方案。

3 工程船舶动力机械状态监测和故障综合诊断系统

结合上述论述，参照多参数与综合诊断方法将柴油机热力参数、气缸压力功率谱、声发射参数、活塞—缸套磨损参数、气阀状态参数、船舶运行性能参数等进行集成，最终实现了对船舶动力机械的状态监测及故障诊断。具体如图2所示。

工程船舶动力机械状态监测和故障综合诊断系统主要包含下列模块：（1）柴油机热力参数的监测模块：对柴油机运行过程中燃油、滑油运行状态，进、排气阀门运行状态、冷却阀门等工作状态进行监测，并将这些状态通过工作温度、功率、压力等指数进行反应，对柴油机主要部件工作中的热力参数进行提取，从而对系统整体运行状态进行判断。（2）瞬

4 结语

工程船舶动力机械故障诊断属于一门综合技术，需要将多学科知识融为一体，利用多种技术对柴油机故障信息进行综合诊断，只有这样才能实现对工程船舶动力机械进行实时状态监测及故障诊断，确保运行安全。

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U664.121

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1671-0711（2016）12（上）-0069-02