探讨船舶柴油机摩擦磨损在线监测与远程故障诊断关键技术研究

摘要：船舶柴油机故障诊断系统是为了保证船舶柴油机的安全运行而研发出来的一项基于多尺传感器信息融合技术的系统。与此同时，为了正确的指出有待解决的问题和日后的科研方向，在船舶柴油机故障诊断系统的基础上，从摩擦学以及动力学的观点出发，深入研究船舶柴油机摩擦学系统状态监测和故障诊断的关键技术。

关键词：船舶柴油机 摩擦学系统 状态监测 故障诊断

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0129-02

由于国际贸易中的交易90%是水路运输，因此船舶运输业在我国国民经济中占有重要地位。柴油机在我国80%的船舶推动装置中得到使用，因此防止由船舶动力装置发生故障而引发的事故是我国船舶运输安全工作需要重点关注的地方。但是，即便如此，国内外由船舶动力装置发生故障导致的经济损失还是屡有发生。船舶的可靠性分析表明，船舶动力装置引发故障的比例占60%到80%以上，其中主柴油机系统发生的故障率就高达40%。因此，为了降低的动力装置发生故障的比率，保证动力机械设备的安全运行，应当积极开展船舶柴油机系统的故障识别，预测以及缓解理论的研究工作。

1 国内外研究现状及分析

1.1 耦合机理与诊断技术研究进展

随着机器使用时间不断累积，机器部件在摩擦磨损方面会呈现以下的变化：磨损量的变化，磨粒的出现，磨损表面的变化，震动、噪声、热力等参数信息的变化。当这些信息出现显著变化时，易导致磨损甚至故障的发生。众多的研究实验证明了动力学和内燃机系统的摩擦学存在强耦合的物理关系。对此，则需将系统的动力学行为和摩擦磨损状态耦合起来，加强系统的可检测性，为柴油机的系统评估提供可靠地理论依据。严格来说，检测量和故障特征之间、故障特征与故障源之间都存在一张非线性映射的关系。为此，仅仅依靠单一领域的故障特征量是无法完成诊断任务的，因为故障诊断技术中的难点来源于故障的多样性、不确定和各故障之间耦合的复杂性。例如：单独使用热力参数分析或者油液分析只能够诊断其30%到40%的船舶机器的故障。最新研究指出，为了保证更加准确的，可靠地诊断机器故障，加强其对状态监测的功能，可以将不同的监测技术之间进行耦合，从根本上帮助工业企业提升器维修策略，加强维修技术。

1.2 传感器研究进展

离线监测技术在我国船舶诊断技术中得到广泛应用，其具有精确度高的特点。但是其存在一个致命的缺点：无法保证数据的有效性，因此离线监测无法及时的诊断故障。从对船舶柴油机具体运行环境的角度来看，在线监测仪器和系统有望成为船舶运输业中新的宠儿，同时在线监测的发展是视情维修的必然产物，是顺应时代潮流的结果。

2 发展趋势

2.1 多传感信息融合技术

目前我国最有前途的故障诊断方向之一是多传感信息融合，它能够融合不同专业领域的传感信息问题，增加诊断范围，提高故障诊断准确性。目前我国船舶柴油机故障诊断领域中，已有部分的学者将震动分析和油液分析两种技术相结合，但是，两者之间存在的理论联系目前还没有学者进行公布。另一方面，值得学者们研究的不仅仅是震动分析和油液分析的两种技术结合，还有其他有效的方法，如瞬时转速、扭矩法、性能参数法等方法，也值得学者们探索研究，尽可做到将更多的方法分析融合到一个系统中，达到增强诊断系统能力的效果。图1所示为所研发的船舶机舱监控诊断系统。该系统中配置了多尺度传感信息，能够做到对船舶柴油机以及其他运行设备中存在的问题以及故障威胁作出及时的诊断，规避风险，避免发生重大的经济损失。比如：某次齿轮泵出现磨损故障时，柴油机齿轮泵位置温度不断，接着较大磨损颗粒出现在在线铁谱仪中（图2）。最后，使用光谱仪监测油液中的Fe和AL含量帮助工作人员锁定故障发生位置，从而检查齿轮磨损程度。

2.2 远程故障诊断

20世纪80年代西屋公司开始研究探索网络化监测诊断系统并建立沃伦多故障诊断中心（DOC）。与此同时，三菱重工研发成功远程机械状态监测系统。目前我国主要有武汉理工大学、哈尔滨大学和大连海事大学等研科院在船舶机械系统远程诊断方面进行相关的理论研究和产品开发工作。图3所示为船舶动力机械远程诊断系统。该系统结合了图1的诊断框架，能够及时反馈船舶柴油机存在的故障。

2.3 船舶柴油机在线监测技术

检测单元，信号转换单元，采集控制电路板和工作站都是我国船舶柴油机在线监测系统的组成部分。为了更好地根据实时的监测数据进行正确的故障诊断，工作站中还包括了专家诊断模块，可以发出相应的报警和解决方法。轮机人员可以通过相应的报警和解决方法进行更好的维护或者正确的修理（如图4）。

3 结语

综合以上所述，我国对复杂海洋环境下的船舶柴油机状态监测以及故障诊断的理论和技术均未成熟，依旧存在许多空白领域，同时在船舶柴油机摩擦学和动力学等信息融合方面的知识以及其存在的科学规律还未完全掌握和深刻的了解，没有研究出有效的融合、分析方法。为解决上诉问题，应当深入探析船舶柴油机运行过程中信号感知、信号融合等方面的相关信息，建立一个船舶柴油机远程智能故障诊断为中心的站点，同时提出能够提升监测故障的物力参数指标以及融合指标，保证船舶运行过程中的安全运行。

参考文献

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[2]谢小鹏，肖海兵，冯伟.基于能量耗损的发动机故障诊断方法研究[J].与密封，2011，36（5）：1-4.