(Flaw Detection and Fault Diagnosis)

本章重点：

1．了解无损检测的基本原理、特点，掌握各种检测方法的适应范围，达到能正确选用的目的。

2．了解常用的故障诊断方法(振动与噪声监测、油液监测、性能趋势监测、温度监测)的基本原理及在船舶机械中的应用。

讲解方法：

1．结合学生熟悉的医疗诊断方法来介绍本章涉及的无损检测方法和故障诊断，加速消除学生对这些内容的生疏感。

2．结合目前无人机舱的现状和船舶维修体制的改革要求，说明故障诊断工作的重要性。

3．课后马上安排无损检测实验，加深对方法的理解。

引 言

为了保证船舶动力装置运转可靠性和船舶航行的安全性，船舶机械在制造和安装过程中均要进行严格的质量检验。对于零件材料的内部缺陷采用各种先进的无损检验技术检验；对于船舶机械在船上安装，也即船舶在建造过程中不仅要进行安装质量检验，而且还要取得船级社检验的船级证书。船舶机械运转过程中产生的损伤同样危及着船舶动力装置的可靠性和船舶航行的安全性，轮机员要在日常的维护管理工作中进行各种检查与测量，有计划地维修以防止故障发生。同时，CCS要求业已取得船级证书的在航船舶保持船级，即为保持其入级的良好技术状态还要进行各种技术检验，如年度检验、中间检验、坞内检验和特别检验等。

在船舶条件下轮机员对缺陷零件可进行一般检验以判断零件的可使用性；船舶进厂修理时对重要缺陷零件应进行无损检验。

零件的缺陷(如裂纹、疲劳、磨损、腐蚀等)既是危险的，又往往是难免的，到一定时间总要出现。因此，采用一定的检测方法进行缺陷和机械故障的检测是非常重要的。对机器进行的检测方法是从医学诊断方法中学习得来的。其诊断方法和原理与人类目前采用的疾病诊断方法是很似的。不妨对比如下：

§5-1 船机零件的缺陷检验(Flaw Detection)

1 船机零件缺陷的简易检验方法

1.1 观察法(直观检验)Direct check

检查人员用眼睛或借助放大镜等观测零件表面的裂纹、磨损、腐蚀等情况。其准确程度与检验人员的经验有关。

1.2 听响法

原理：敲击零件，根据零件发出的声音来判断零件有无缺陷。

如：声音清脆，表明零件完好；声音沙哑，表明零件内部有缺陷。

这方法只能进行定性分析，完全依赖于检验人员的经验。

在生活中也应用较多：如买锅、买碗等，买西瓜判断方法相反。

1.3 测量法

分直接测量和间接测量。通过测量检测零件的磨损和腐蚀情况等。

应用：在船上用内径千分尺检查缸套的内径，计算圆度误差和圆柱度误差。

工具：千分尺、千分表、塞尺等。还可用专用工具(如样板)检查(如活塞顶的烧蚀情况检测)。

1.4 液压试验法

对要求具有较高密封性的零件进行液压或气压试验。通

过检查表面有无渗漏现象，来检查表面有无穿透性裂纹等。

试验用液体可用水或油，也可用空气，依有关要求而定。试验压力依零件工作条件而定。例如，柴油机气缸盖冷却水腔试验压力为0.7MPa，保持5min；气缸套上部(1／3气缸全长)是燃烧室组成部分，试验压力为1.5pz(气缸最大爆发压力)。图5-1为筒形活塞式柴油机气缸套内孔全长液压试验，试验压力为0.7MPa，保持5min后检查气缸套外表面有无渗漏现象。

2 船机零件缺陷的无损检测(Non-Destructive-Testing=NDT)

缺陷(特别是内部缺陷)的检测方法 无外乎两种：

1) 破坏法

即破开被检测对象，检查内部的质量，虽然可靠，但对零件的检验是行不通的，就象给人看病一样，总不能动不动就剖肠开肚进行检查。

2) 无损检验

在不破坏被检查对象的前提下(包括：形状、尺寸、性能等)测量其有关的参数。如测量温度、压力、缺陷等。目前，在狭义上来说：在不破坏零件的条件下探测零件表面及内部缺陷的方法,称为无损探伤。

无损探伤的种类：常规检测方法(渗透探伤、磁力探伤、超声波探伤、射线探伤、涡流探伤)和无损检测新技术(如声发射技术、激光全息检测技术、红外检测技术、及微波检测技术等)。

在国外，常有下列3个名词使用：

(1)无损检测(Nondestructive Testing=NDT)

(2)无损检验(Nondestructive Inspection=NDI)

(3)无损评价(Nondestructive Evaluation=NDE)

其中，NDT与NDI更为相近，NDT一般泛指材料和设备各种场合中使用的检测方法，NDI指出设备验收和在役情况下的检验，NDE是在无损检测更高层次的发展，着重对缺陷的危险程度进行评价。

在我国，无损检测技术是从50年代开始的，几乎所有的方法都得到了实际应用，并成立了中国机械工程学会无损检测学会(挂靠在上海材料研究所)。

2.1 超声波探伤(Ultrasonic Testing=UT)

1) 概述

利用超声波来检查金属或非金属材料零件内部缺陷的方法，称为超声波探伤。在船上的应用较广。

人耳的听觉范围(声波频率)：20Hz～20kHz，频率大于20kHz的声波，叫超声波。超声波的特点是：频率高，波长短，穿透力强，在介质中直线传播。高频率的超声波能形很窄的波束，即具有指向性。

超声波在介质中传播方式随振源在介质上施力方向与声波传播方向不同分为纵波、横波和表面波。

纵波——施加于介质质点的作用力使波传播方向与质点振动方向一致的振动波。当介质受到交变拉力或压力作用时就会产生纵波，它可在固体、液体和气体中传播，用于纵波探伤中。

横波——质点振动方向垂直于波的传播方向的振动波。当介质受到交变的剪切力作用时就会产生横波，只能在固体中传播，用于横波探伤中。

表面波——质点振动介于纵波与横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的振动波，用于表面波探伤中。

探伤用的超声波：0.5～25MHz，其中常用的0.4～5MHz。特殊要求的检测频率可达10MHz～50MHz。

2)探伤原理：超声波入射到构件后，如果遇到缺陷(或两种介质的界面)会出现折射或反射，用探头(注：探头可以产生超声波、发射超声波和接受超声波)接受，变成电信号，经放大显示在屏幕上，根据波形来确定缺陷的部位、大小和性质。

超声波探伤的方法按波的传播方式分为脉冲反射波法和透射波法；按耦合方式分为接触法和水浸法；按波型分为纵波法、横波法、表面波法。

换能器：超声波换能器俗称探头，主要由压电晶片构成，是产生和接收超声波的装置。主要有压电式、电磁式等。超声波探伤中主要利用压电式换能器，即电声、声电换能器。

某些单晶体和多晶陶瓷在应力作用下产生应变时，晶体内产生极化或电场，称为正压电效应。反之，当晶体处于电场中时，由于极化作用在晶体内产生应力或应变，称为逆压电效应。超声波探伤中使用的单晶体有石英、酒石酸钾钠、硫酸锂等，压电陶瓷有钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)等。利用石英、钛酸钡的正压电效应产生超声波，逆压电效应接收超声波。将高频振动(超声波)作用在晶体上，在晶体两个电极之间产生与超声波相同频率、强度及与超声波成正比的高频电压，即接收超声波。

探头分为直探头、斜探头、表面波探头、双晶探头、专用探头等。直探头可发射和接收纵波，斜探头可发射和接收横波。

超声波探伤中较为普遍采用纵波接触法，单探头或双探头发射和接收超声波。探头与零件表面上的耦合剂薄层接触进行探伤。单探头多用于探测中厚板、大型锻件、大厚度焊缝和形状简单的毛坯制件。双探头特别适于探测近表面的缺陷。

由发射波、缺陷波和底波在时间基线上的位置求出缺陷部。依缺陷波的幅度判断缺陷的大小，具体方法有当量法、定量法等。对于缺陷的性质则主要依缺陷波的形状和变化，结合零件的冶金、焊接或毛坯铸、锻工艺特点以及参照缺陷图谱和探伤人员的经验来判断。脉冲反射法是脉冲发生器发出的电脉冲激励探头晶体产生的超声脉冲波。一次脉冲反射波是以一次底波为依据进行探伤的方法。超声波以一定的速度向零件内部传播，一部分波遇到缺陷后反射，其余的波则继续传播至零件底面后反射，发射波、缺陷波和底波由探头接收放大后显示在荧屏上，如图5-8所示。

波形上有三个波：底面回波B、缺陷回波F和入射波T。根据底波B与缺陷回波F之间的信号差别，便可知缺陷是否存在、性质、部位及其大小。

★ 根据波形的特征，判断缺陷的有无及性质(裂纹、气孔、杂质等)。

★ X=LF/LB*T，得到缺陷的位置；LB--始波与底波之间的距离。

★ 根据缺陷回波的高度，判断缺陷的大小。

3) 特点：

优点： 适用的材料广(金属与非金属均可)；可在构件的一侧实现检测(厚度5～3000mm)；适合于自动化与计算机处理与显示；成本低；可显示内部缺陷。

缺点：对探伤人员的素质要求高，如果无外围设备，显示结果不可重现，有时结果难以解释。先进的仪器也很昂贵。

2.2 渗透探伤法(Penetrate Testing=PT)

1)概述

定义：利用液体的流动性、渗透性及表面裂纹的毛细管作用，将表面细微裂纹显示出来的方法。

方法是：将渗透剂涂于构件的被测表面，当表面有开口缺陷时，渗透剂就渗透到缺陷中，去除表面多余的部分，在涂以显象剂，在合适光线下观察放大了的缺陷痕迹，据此来判断缺陷的种类和大小，这就是渗透探伤法。

特点：是最简单、最古老的无损检测方法，可用于检测金属与非金属材料的表面裂纹。

2)方法一：煤油白粉法

操作方法：将清洗后的零件浸入煤油槽中或将煤油涂于零件表面，经过15～30min，把零件擦干，涂上白粉，干燥后适当敲击或加热零件，渗入缺陷的煤油会复渗于白粉上，出现黑色痕迹。

缺点：太小的裂纹不易显示(裂纹宽度不小于0.01mm，裂纹深度不小于0.03mm)。

3)方法二：着色探伤 Dye Penetrant Inspection

原理同上。区别：渗透剂(Penetrant)是有颜色(如红色)的溶液，显象剂(Developer)用白色液体，便于观察。

4)方法三：荧光探伤(Fluorescent Penetration Crack Testing)

渗透剂是荧光物质，当用(水银石英灯的)紫外线照射时，缺陷内的渗透剂会发出荧光，从而显示出表面裂纹。

缺点：需要紫外线的发射装置，暗室中进行，对人体有害。

5)渗透探伤的特点

优点：在NDT中成本最低，设备简单，操作方便，适用于所有材料，灵敏度比人的眼睛直接观察高5～10倍左右，显示结果直观。

缺点：仅适用于表面开口型缺陷类型，灵敏度不太高，不便于实现自动化，无深度显示。

2.3 磁粉探伤法(Magnetic Particle Testing=MT)

磁粉探伤或称磁力探伤。也是比较古老的无损检测方法，国外已有50年的历史，国内也有30多年。广泛用于检测铁磁性材料及其构件的表面和近表层的缺陷，可检测的缺陷类型：裂纹、重叠、分层等。

磁粉探伤可以探测材料或零件表面和近表面的缺陷，对裂纹、发纹、折叠、夹层和未焊透等缺陷极为灵敏。采用交流电磁化可探测表面下2mm以内的缺陷，采用直流电磁化可探测表面下6mm以内的缺陷。

磁粉探伤设备有固定式、移动式和手提式三种磁力探伤机。显示介质为较细的纯铁磁粉(Fe3O4)。直接使用干粉灵敏度高，但操作不便；把磁粉和煤油混合成湿粉，使用方便。

目前已研制成半自动、全自动磁粉探伤线和专用自动探伤机，如曲轴半自动探伤机、钢材自动磁粉探伤机。除部分项目或磁痕检查仍用目测外，磁粉探伤从零件装夹、磁化、喷粉到退磁等工序全部自动化。发展水下磁粉探伤，对船体水下部分、海上石油钻井平台的水下焊缝、海底管道等进行检测。

1)磁粉探伤原理：铁磁性材料构件的表面或近表层有缺陷时磁阻大，一旦被磁化，则会有部分磁力线外溢而形成漏磁场，它对施加到构件表面的磁粉会产生吸附作用，因而显示出缺陷的痕迹，根据磁粉的痕迹来判断缺陷的大小、取向和位置等。漏磁场的强度和分布，取决于缺陷的长度、取向、位置(近表层)和被测表面的磁化强度。当缺陷垂直于磁化方向时，灵敏度最高；当缺陷平行于磁化方向时，则无磁粉痕迹显示。

2)磁粉探伤方法

磁粉探伤方法按分类方法不同有——按磁化电流性质分为交流电磁化法和直流电磁化法；按磁场方向分为纵向磁化、周向磁化和复合磁化；按显示介质状态和性质分为干粉法、湿粉法和荧光磁粉法等；按磁化方法为直接通电法、局部磁化支杆法、心轴法、线圈法和铁轭法等。

按磁场方向分为：

(1)纵向磁化 零件磁化后产生平行零件轴线的磁力线，可以探测与零件轴线垂直或成一定角度的缺陷。采用直流电或交流电通过线圈或铁轭磁化，如图5-4。

(2)周向磁化 零件直接通电或使穿过零件的心轴通电，使在零件内产生垂直零件轴线的磁力线探测轴向缺陷，即平行或近平行零件轴线的缺陷，如图5-5。

(3)复合磁化 零件上同时产生纵向和周向磁力线，可以探测零件上任意方向上的缺陷，如图5-6。

3)磁化电流

磁粉探伤的磁化电流可采用直流电或交流电。为了获得强磁场和确保安全，选用低压大电流，一般电压在12V以下， 1000～4500A(大电流)，且因零件大小不同而不同。电流则因零件大小按经验公式求得。它们的特点：

直流电磁化：磁场强度大，磁力线在零件截面上分布均匀，适用于表面缺陷或近表层缺陷(6～7mm)的显示，设备复杂，使用不便，退磁困难，现在应用较少。

交流电磁化：穿透力小，适用于表面缺陷(集肤效应，1～1.5mm)。可探测表面以下2mm深度的缺陷，探测灵敏度高，易于退磁，设备简单，电源方便，应用广泛。

周向(横向)磁化可检查平行于轴线方向的表面缺陷，纵向(轴向)磁化可检查垂直于轴线方向的表面缺陷。

磁粉：较细的铁磁粉——Fe3O4

注意点：预处理：去污、取涂层、铁锈等。

后处理：退磁，以免影响零件的正常工作。零件磁粉探伤后必须退磁，若探伤后还要经700℃以上热处理，则可不退磁。

优、缺点：

优点：比渗透探伤灵敏，能探测近表层的缺陷；容易掌握、结果直观等。

缺点：仅适用于铁磁性材料的零件，无深度显示，仅对与磁力线垂直的缺陷敏感。

新进展：在探伤设备上，开发了先进的旋转磁场探伤机，可一次探测显示全方位的缺陷，并可连续探伤。其次是引入了计算机技术。

2.4 射线探伤(Radiography Testing=RT)

1)概述

定义：利用X射线或g射线来检验零件内部缺陷的方法，称为射线探伤。

原理：不同的物质对射线的吸收和衰减作用是不同的。当射线穿过密度大的物质时，被吸收的多，由于缺陷处的密度与金属本身的密度不同，因此在零件下面的底片上就会产生不同的感光度，即在底片上显示出零件内部缺陷的大小、种类、分布状态等。

g射线比X射线的穿透力强，但灵敏度不如X射线。

2)特点

优点：适用于所有材料，底片可永久保存，可展示内部缺陷的大小、形状和位置等。

缺点：射线对人体有害，缺陷的深度很难辨别，成本高(底片、暗室。化学药品等)，厚件的曝光时间长，零件的两面都能操作等。

3)发展方向

现有常规设备的改进(如；减少重量和体积等)，计算机的应用，提高胶片的质量(系列化)，开发便携式可移动的高能射线加速设备等。

2.5 涡流探伤法(Eddy Current Testing=ET) (简单介绍)

1)概述

利用电磁感应的原理，使被检件的表面感应出涡流，零件中存在缺陷时会改变涡流的强弱，涡流产生反作用磁场，又使检测线圈的阻抗发生变化，因此通过检测线圈的阻抗的变化，来判断缺陷的有无，这种探伤方法称为涡流探测法。

出现于40年代，我国50年代开始研究。

由于交流感应电流的集肤效应，所以ET法仅能用于导体表层(表面和近表层)的缺陷检测。

2)特点

优点：涡流探伤可探测零件表面0.11mm～0.2mm深处的缺陷，灵敏度较高，检测速度快，易于实现高速自动化检测；属于电学测量法，容易实现自动化和计算机化；设备可以轻，可以原地探恻；对封闭在表层下的缺陷有很高的检测灵敏度；探伤深度比磁粉探伤所达到的深；能提供缺陷的深度信息；非接触式的检测方法等。

缺点：理论复杂；距表层较深的缺陷难检测(集肤效应)；影响因素多；涡流探伤仅适用于导电材料，对缺陷显示不直观，更不适于形状复杂零件的探伤。

3)发展方向

分析方法：相位分析、相关分析、幅值分析等。

计算机的应用和探头的改进(旋转探头、扇形探头等)。

2.6 无损检测新技术 (简单介绍)

除上面所提的5种常规检测方法外，被列为新技术的主要有：

1)声发射技术 (Acoustic Emission＝AE)

疲劳裂纹(裂纹产生与扩展时均有应变能产生，发出弹性波)的监测等，快速、动态、整体的NDT方法。声发射检测是一种动态无损检测技术，是利用加载条件下零件内部缺陷活动发射出声波信号来探恻缺陷。而其它无损检测则是静态的，是外加信号检测零件内部缺陷。声发射无损检测具有以下特点：

(1)除极少数材料外，金属和非金属材料在一定条件下均有声发射现象，所以声发射检测不受材料限制；

(2)不仅可以探测缺陷，且可依声发射波的特点和诱发条件了解缺陷形成和预测其发展；

(3)操作简便，可大面积探测和监视缺陷活动情况；

(4)声发射检验时环境有很大的干扰噪声。

2)激光全息照相技术: 空间像，缺陷的立体形态。类似于CT等。

2.7 综合探伤法

由于各种方法各有特点及最适用的探测对象和应用范围，所以要综合应用，即合理地将各种方法配合使用，达到好的检测效果。具体是：

1)以磁粉探伤和渗透探伤检测表面缺陷；

2)以涡流、磁力探伤检测近表层缺陷；

3)以超声波探伤检测内部缺陷，找出疑点；

4)用射线探伤对内部疑点进行透视检查。

小结：

注：表层缺陷包括：表面缺陷和近表层缺陷

§5-2 船机故障诊断技术 (Fault Diagnosis)

1 概述

1.1 故障诊断

故障诊断是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。

通俗的讲，就是给机器或设备“看病”的技术。

1)船机状态信息

船机状态恶化就会产生相应于状态变化的各种信息，并显示出来。这些信息主要有以下三种类型。

(1)机械信息：机械状态恶化产生运转状态变化的信息，其中直接与功能有关的信息有：力、压力、扭矩、转速等；其他运转状态信息有：振动、声音、温度等；

(2)电磁信息：主要有电流、电压、电磁感应密度、导磁等信息；

(3)化学信息：机械状态恶化产生的气、液、固体等信息，例如排烟、磨损产物、润滑油变质等信息。

2)故障诊断过程

故障诊断过程主要包括以下三个阶段的工作：

(1)信息采集：选用传感器采集信息，如温度、压力或振动传感器。采集故障信息的方式可选用连续监控方式或定期(定时)停机检测方式获取，同时可直接测定或间接测定。

(2)数据处理：或称特征提取。把原始信息进行处理，获取反映故障最敏感的性能参数。

(3)状态识别、判断和预测：根据特征参数，参照相应规范、运用各种知识和经验，对机器状态进行识别。对早期故障进行诊断，对故障的部位、原因和程度作出判断，对其发展趋势进行预测，为确定维修决策提供技术依据。识别的方法主要有对比、分类、聚类、辨识和推理等。

将先进的传感技术、信息处理技术与船机设备诊断领域专家的丰富经验和思维方式相结合形成船机设备故障诊断专家系统。专家系统实际上是人工智能计算机程序系统，它利用大量专家的专门知识、经验和方法解决实际的复杂故障诊断问题。所以，称这种诊断为基于知识的故障诊断，它是智能诊断，是故障诊断的发展方向。

3)设备工况监测

设备工况监测或称状态监测，与故障诊断技术不同。它是通过测定机器某个较为单一的特征参数，例如温度、压力、振动等，来探明机器工作状态正常与否。若特征参数在允许范围之内则状态正常，否则异常。并且依异常程度确定维修对策。通过对机器进行定期或连续监测可以了解故障发展的趋势性规律，从而对机器运转状态进行预测。所以状态监测又称为趋势分析。

1.2 发展简介

故障诊断作为一门完整的学科，只有20多年的历史，而在船舶上的应用始于50、60年代，60年代起步、70年代完善、80年代进入实用。

故障诊断是船舶自动化、无人机舱的前提，是实现状态维修的关键。目前在船舶机械中，已经有广泛的应用。

2 性能趋势监测 (Performance Monitoring Technique)

2.1 性能参数分析法

又称性能监控，是船机故障诊断的核心技术。具体方法是利用传感器或仪器、仪表测定船机设备的各项性能参数(如温度、压力、转速、油耗等)，将这些参数进行处理，然后同基准参数值进行比较，得到结论(如偏高、偏低、过高、过低等)，从而可以看出机械在性能方面存在的问题，并进行分析判断其故障部位及发展趋势。

“趋向分析”侧重于多次监测结果之间的比较及参数的变化趋势。

性能参数分析法诊断故障，早在船舶蒸汽机时代就已采用，轮机员用“听、摸、嗅、看”来了解主、辅机的运转参数，进而通过人脑快速思维分析判断机器的运转状况和运转趋势。例如，用手触摸柴油机高压油管，依其脉动情况判断高压油泵的工作状况。

根据监控手段和数据处理方法的不同有以下两种：

1)图示法。利用柴油机上的仪表或简单的测量工具，定时定位采集性能参数，并且每次测取数据都在相同的稳定工况下进行，以便对比分析。通常，测取3～4个参数并绘于同一坐标图中，反映某一零部件或运转状态的情况，从中分析判断出问题所在。例如，柴油机气缸内燃烧状况可通过测取燃油消耗量、扫气压力和排烟温度等性能参数，作图显示气缸内各性能参数变化，分析诊断燃烧存在的问题及发展趋向。

图示法性能监控可以有效地诊断故障，对降低维修费用、延长零部件及机器使用寿命和提高轮机员技术素质均十分有益。

2.2 特点

优点： 简单易行，无须添置复杂的设备，设备上的仪表往往就是监测仪器。

缺点：对一些早期故障不敏感，有时故障发展到一定的程度才会导致性能参数的变化。

2.3 性能参数的比较方法

★对标比较：将测得的数据与标准值进行比较；

★纵向比较：将本次测得的数据与以往的数据进行比较；

★横向比较：将测得数据与周围同种设备的性能指标进行比较，如某缸的数据与其它气缸的数据进行比较。

2.4 性能参数监测应注意的问题

1)选择的监测参数应与故障之间应具有较高的的灵敏度和较好的对应性；

2)选择的监测参数最好能借助于机械上现有的仪表就可测得或添置较少的测量仪器即可；

3)监测参数应具有足够的信息量，并具有典型意义；

4)要注意监测数据的积累、加工处理等，从中归纳出有规律的东西；

5)要注意诊断规则与经验的积累，为创建专家系统做准备。

2.5 性能参数监测的实施方法

一般步骤为：测量®记录®分析，具体实施时有以下几种方法：

★ 由操作人员记运行日记，这种方法最原始，仍在用；

★ 半自动化系统：仪表测量或遥测，并自动显示；

★ 自动化系统(或专家系统)：自动进行测量、记录、分析处理、打印输出、自动报警和进行干预等。

2.6 实例分析——柴油机的性能参数监测

1)概述

性能参数监测是柴油机监测的基本方法之一，目前应用很广，也很实用、经济。

2)监测参数

★ 输出功率：总的技术指标，与燃烧系统的故障关系密切，一般规定功率下降20％为大修标准。

★ 燃油消耗率：经济性指标。

★ 其它：如滑油温度、冷却水温、滑油(或冷却水)压力、

曲柄箱压力和柴油机瞬态转速、废气温度等。

3)柴油机拉缸的监测

拉缸是柴油机的一种常见故障。其常见的外部特征有：柴油机曲柄箱通气口的排烟明显增多、转速自动降低、功率下降、机油温度明显升高、振动加剧等，根据这些参数的特征变化，就可诊断故障是否存在。

4)利用安装在机器上的传感器扫描各监测点的性能参数(如温度、压力、速度等)，通过计算机记录、处理和显示，进而可以分析判断故障。

活塞环磨损监测装置(SIPWA)是利用安装在气缸扫气口处的传感器检测特制的顶环——第一道活塞环外圆面上镶嵌一圈非磁性材料的楔形环带。当顶环通过扫气口时，传感器测量楔形环带宽度变化，实现对活塞环径向磨损的监控，并显示于屏幕上，如图5-10所示。当燃油净化不良时，顶环磨损增加，SIPWA给出警示，轮机员及时采取措施。

应用计算机自动监测和诊断故障的性能监控系统可以对整个柴油机动力装置进行监控，也可以对机器、零部件的工作过程进行监控。例如PAC监控系统可对动力装置中发动机运转、废气涡轮增压器运行、活塞环工作状态、气缸的润滑和磨损、气缸热负荷、燃烧和喷油系统等进行监控。DMC监测系统可对缸内燃烧和喷射过程进行监控。

3 振动与噪声监测(Noise & Vibration Monitoring)

对机械系统来说，振动和噪声是最重要的诊断信息，是机器运转过程的一种属性，即使最精密的机器也不可避免地产生振动和噪声。应用非常广，理论和测量技术比较成熟，是一种非常重要的诊断方法。

噪声是不规则振动在空气中传播引起的，从本质上讲也是振动。根据声响的差异进行诊断是古老而有常用的方法。过去是靠人耳的感觉和经验进行，今天可以借助于仪器(如录音机、频谱分析仪等)进行。

原理：每一零件都有自己的固有振动频率，振动特性的突变，一定是由于某种原因引起的，通过测量振动随时间的变化曲线(时域曲线)，对波形进行分析(分析方法有：幅域分析、频域分析、时域分析等)，找出特征信息，进行诊断(部位和原因)。

实例分析： 噪声分析在机务管理中的应用，确定吊缸时间和预测零件达到磨损极限的时间等。

实例：用振动监测发动机的状态是一种有效的方法。活塞与缸套间隙的变化将引起缸套振动特征的改变，又根据活塞撞击缸套—机身振动的传递特性，可利用机身的振动特性

来预测间隙的变化。

★ 利用缸套的振动响应判断间隙的变化：

Sf为缸套振动加速度功率谱；

D为某105型柴油机的冷态间隙值。

下图说明：不同间隙时，功率谱有明显的差别，即振动能量的分布有明显差别，

D＝0.07～0.1mm

f, kHz

Sf

拉缸时

f, kHz

Sf

f, kHz

Sf

D＝0.20～0.25mm

f, kHz

Sf

D＝0.85～0.7mm

★ 利用机身振动来判断间隙的变化：

现场监测时，传感器是难以置于缸套上的，如果把传感器放在机身上，所测信号也能反映缸套间隙的变化机身的横向振动主要是由活塞撞击引起的(相关分析已经证明了这一点)。缸套与机身的振动加速度响应功率谱特征完全相同。

注：Sf不同气缸间隙时机身的振动加速度功率谱。从图中可见：小间隙时，能量主要集中在第一频带内；大间隙时，能量主要集中在第二频带。当功率谱中，高频成分明显增加时，可判断为拉缸的前兆。

★利用振动信号的频谱图来判断排气阀门间隙是否正常：

分别将排气阀门的间隙正常(0.25mm)和间隙不正常(0.62mm)时的发动机振动信号进行自谱分析，其频谱分别如图所示。从图中可以明显看出，两种情况的频谱图有很大差别，因此可以把振动信号的频谱图的变化作为判断排气阀门是否正常的一种依据。

4 温度监测 (Temperature Monitoring)

机械工作状态的改变一般会导致温度的改变，如轴承的损坏或润滑不良,会导致温度的升高。

温度监测可分为接触式测温和非接式测温。

4.1 接触式测温

1)接触式温度计

2)温度指示带 用于检查表面温度的简便方法,可以检查电气设备是否过热。

3)温度指示粉笔 粗略检查温度的方法。每种粉笔都有一个标定温度。

4)温度指示涂料 大面积检查温度的方法,根据涂料颜色的差别,可以判断各点的温差。

4.2 非接触式测温

红外检测技术(Infra-Red Monitoring)

原理：红外线(0.75～1000mm)是具有强烈的热效应的辐射波，是不可见的光，物体的温度与辐射能(功率)有一定的关系。温度升高，热辐射增大。

温度 ® 辐射能(红外线)® 红外探测器 ® 信号分析

仪器：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪。

特点：测温速度快、灵敏(0.01～0.1℃)、测量范围宽(－273℃～3200℃).

应用：火车车轴的检测；锅炉的检测；高架高压线的检测等。

5 油液分析 (Oil debris Monitoring or Wear Monitoring)

所谓油液分析是指收集润滑剂,对润滑剂的性质及润滑剂中的微粒进行定性和定量分析,以判断机器工作是否正常,进行故障诊断和预报的方法。

这种方法使用很广,是目前中国船级社推荐使用的监测方法。常用的油液分析方法有:

5.1 润滑剂理化性能分析(常规分析)

根据润滑剂本身性能的变化,来判断磨损状态。防止因润滑不良而导致的故障。

1)油液常规理化分析简介

原理：

润滑剂的性能与机械设备的磨损状态、设备的使用寿命有着密切的关系,可以说润滑剂性能的劣化必然会导致机械设备磨损状态的劣化,因此对润滑剂进行理化性能指标的监测,就可以达到磨损状态间接监测的目的,可以防止因润滑不良而导致的失效。通过检测油品的性质、观察其变化,是监测润滑条件改变造成机械磨损失效的最简单、最直接的方法。(类似于贫血与健康的关系)

2)润滑油的理化性能指标及监测

☆ 润滑油的理化性能指标有：

(1)粘度：主要指标,对润滑状态影响最大,必检指标。

(2)总碱值：防止造成机械设备的酸腐蚀。

(3)水份：会造成油的乳化,难以形成油膜,使润滑效果变差,此外还会加速设备的腐蚀。

(4)油性(或极压性) 它表示油膜的吸附强度,取决于油的化学成分,一般用四球机检测。

(5)闪点：表示油着火危险性的指标,决定了工作温度的高低。

(6)凝点：低温性能。

(7)机械杂质：油中的各种沉淀物,如砂土、磨粒等,反映油品的纯洁性,含量高时会加速磨损。

(8)其它：如灰分、残炭、水溶性酸碱等。

使用时可根据实际情况,选择其中几个进行监测,达到对设备润滑条件监测的目的。

5.2 磨粒检测：光谱分析、铁谱分析、磁塞检测

1)油料的光谱分析 (Spectrometric Oil Analysis Program 即SOAP)

光谱分析是利用原子或分子的发射与吸收光谱进行物质的化学组成分析的物理方法。

利用光谱分析的方法,鉴别润滑油中磨粒的成分和数量,据此预测被监测对象的磨损状态的方法,称为光谱油料分析。

◇光谱分析的基本原理

光谱分析的基本原理就是利用各种分子或原子都有自己的特定的光谱波长。根据分析时这些特征光谱是否出现及出现的强弱,来分析化学成分。如:

部分元素的特征谱线波长：铜(Cu) 3247埃；铁(Fe)3270埃； 铅(Pb)2833埃； 铝(Al)3092埃； 锡(Sn) 2354埃

◇光谱分析的类型：光谱分析方法按应用可分为发射光谱分析和原子吸收光谱分析。

发射光谱分析(Emission Spectrometric Analysis)

基本原理

利用物质(或试样)受电能或热能激发后,辐射出的特征谱线来判断物质组成(化学成分)的方法,称为原子发射光谱分析法。

在油料进行光谱分析时,热能(或电能)能把润滑油中所含的Fe、Ni、Cr、Cu等元素激发,然后根据这些金属杂质发出的特征谱的强度对这些元素进行定量分析。

产品类型

美国的Baird公司生产的MOA型直读式发射光谱仪和超谱公司生产的超谱M型光谱仪是目前较为先进的发射光谱仪，用光电倍增管把光信号转变成电信号，直接给出分析结果，整个程序由计算机控制。

优点：操作简便,分析速度快(美国的仪器,40秒内便可测定一个油样中10种元素的含量)，读数准确，分析容量大,适用大规模含有多种材质摩擦副(如柴油机)的设备群体的监测。

缺点：价格昂贵(6万美元)，安装条件严格，试验费用高，现场难以推广；只能对油中<10μm的磨粒提供分析结果，而对较大磨粒(与严重磨损状态对应)不能反映。

◇原子吸收光谱分析(Atomic Absorption Spectrometry ="AAS")

a.定义

利用测定试样所产生的原子蒸汽(基态原子)对待测元素特定波长的吸收来确定试样中该元素的浓度的方法，称为原子吸收光谱分析。

b.油液原子吸收光谱分析的原理

它是将油液中的磨粒热解原子化，根据原子蒸汽对各种不同波长的单色光源发出的特征辐射线吸收作用不同来确定油液中各种元素的含量。原子蒸汽的吸光度与原子浓度成正比。

特点

优点: 分析灵敏度高,精度高,适用范围广,取样量少。

缺点:

(1)测一个元素要换一个灯(光源)，比较麻烦；

(2)乙炔法要用燃料，不方便，不安全；

(3)只能给出油液中磨粒的元素含量，不能给出磨粒的形状、尺寸等信息。在判断磨损类型与预报突发性故障方面存在不足。

◇光谱油料分析的实施

★元素的来源

(1) 金属元素( Fe,Ni,Al,Sn,Pb等)，来自金属零件的磨损产物；

(2) 污染元素(Si,Ca等)，来自空气或冷却水；

(3) 添加剂元素(P,S,Cl等)，来自油的添加剂。

★分析方法的内涵(实质)

是根据油液中元素的种类及含量，反推出磨损零件及磨损的程度。

元素的种类 —→ 磨损零件；元素的含量 —→磨损的程度。

★光谱分析判断标准

在通常情况下，滑油中元素的浓度值的高低，反映了磨损量的大小，因此，可以用元素浓度值的大小及变化趋势，作为判断故障的依据。

对各种机械，根据大量实验数据，经统计分析，对照验证，定出各种元素浓度的最大允许值，作为判断有无异常磨损的依据。

◇光谱监测技术在柴油机中的应用

柴油机是监测技术应用最广的领域之一，主要是因为它所处的重要地位所决定的，开展柴油机的工况监测与故障诊断，对提高交通运能源消耗具有重要的意义。

由于柴油机中的摩擦副较多，影响因数复杂，要想判断磨粒的来源，必须对其中的各种摩擦副材料十分熟悉，光谱分析结果对判断磨粒的来源极其重要。

下表可作为判断金属磨粒的来源的参考。

光谱监测磨粒来源
 

2)铁谱监测技术 (Ferrographic Monitoring Technique)

铁谱技术产生于70年代，是目前使用最广泛、最有发展前途的油液分析技术。

定义：铁谱技术(Ferrography)是利用高梯度强磁场，将润滑剂中所包含的磨粒按其粒度大小有序地沉积下来，然后借助于其它各种分析方法对磨粒进行定性和定量分析的技术。

铁谱监测的原理：将润滑剂流过一个高梯度强磁场，利用磁力把铁磁性磨粒或污染物微粒从润滑剂中分离出来，并按颗粒的大小有序地沉积,然后借助于光学或电子手段可以获得磨粒形貌、大小、浓度、成分等方面的信息。测定的内容包括:

(1) 磨粒的浓度和颗粒的大小，它反映了机器磨损的严重程度。

(2) 磨粒的大小和形貌，它反映了磨粒产生的原因和机理，如由轻微磨损产生、由疲劳磨损产生。

(3) 磨粒的成份,它反映了磨粒产生的部位，即发生磨损的零件。

可见，通过对沉积磨粒的分析，可以掌握机器运行时的实际磨损情况，判断磨损的状态，这正是铁谱分析可以用来监测机器设备运行工况的原因。

仪 器

★分析式铁谱系统，它由两部分组成：分析式铁谱仪和铁谱显微镜。

★直读铁谱仪 (Direct Reading Ferrograph)

作用:用来直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分布，只能作定量分析，但比分析式铁谱仪的定量分析准确，检测更简

单、迅速、成本低，适用于现场条件下使用，因此是设备监测和故障诊断的较好手段之一。

铁谱监测实例：船用柴油机的监测

某拖轮:润滑油样的直读数在两周内连续升高，制成谱片后，发现有许多严重磨损微粒和大量正常磨损的铸铁微粒，表明活塞或缸套即将损坏，进厂维修时发现活塞和缸套过度磨损和拉伤。

☆ 小结

1)铁谱分析的实质

铁谱分析是根据油样中磨粒的形貌、尺寸、数量、成分等的分析，反推出磨损零件、磨损的类型及磨损的程度等。

①磨粒的数量(浓度、大小)：反映了磨损的程度。

②磨粒的尺寸、形状:反映了磨损的类型(型式)。如：

细长的磨粒——切削(磨粒磨损)；细小而非常多的磨粒——腐蚀磨损；球形磨粒——滚动疲劳磨损；表面粗糙，有拉毛、擦伤痕迹的磨粒——严重粘着磨损等。

③磨粒的成分： 反映了磨粒的来源

油液的微粒大致来自三个方面：

A. 来自机器零件地金属及其氧化物颗粒，包括:黑色金属颗粒(如铁，钢等)、有色金属颗粒(如铜、铝等)、红色氧化物、黑色氧化物。

B. 润滑油产物：摩擦聚合物、积炭等。

C. 外来污染物：泥砂、灰尘、纤维等。

3)磁塞检测 (Magnetic Chip Detector)

利用安装在润滑系统中一个磁性探头，采集润滑油中的铁磁性磨粒,然后进行分析。特点

① 是一种简单的在线监测方法；成本低，已经成功地用于航空发动机的监测；

② 一般只能收集大的磨粒，尺寸范围在25～400μm，小磨粒磁矩小，不易收集；

③ 当磁性探头达到饱和后，磁头就失去吸附磨粒的能力，可能会失去很多的信息，

④ 探头一般要经常更换，一般25～27小时更换一次，比较繁琐；

⑤ 这种方法一般适用于单一摩擦副的监测(如齿轮、轴承等)。

小结： 几种常用油液分析方法的对比

★ 对磨粒尺寸的敏感范围

光谱法对<10μm的磨粒敏感,而对大磨粒不敏感;

磁塞法对>50μm的磨粒敏感,而对小磨粒不敏感(磁矩小);

铁谱法对10～50μm的磨粒都敏感。

★ 分析的原理不同

①光谱法是根据磨粒的成分及含量，反推出磨损程度及磨损零件;

②铁谱法是根据磨粒的成分、形状、数量、尺寸等反推出磨损程度、磨损零件及磨损的类型;

③磁塞法一般是根据磨粒的数量(浓度)，粗略地判断磨损状态。

★ 各有优缺点(略)