浅析工程船舶动力机械状态监测与故障诊断现状及发展

浅析工程船舶动力机械状态监测与故障诊断现状及发展

张鑫业

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摘要：目前，工程船舶的种类很多，基于不同水上水下工程的基本需求，需要运用到的特殊机械装置不同，很多水上水下工程都需要工程船舶来完成，在这个过程中，如果工程船舶动力机械出现问题，船舶无法正常运作，除了会对工程本身的进度与质量造成影响外，还有可能会造成非常严重的安全隐患，因此，对于工程船舶的“心脏”——动力机械的状态监测和故障诊断就显得尤为必要。

关键词：工程船舶；动力机械；状态监测；故障诊断

引言

船舶是水路运输中的重要运输设备，也是海洋开发和捍卫国家海权不可或缺的重要工具，而动力装置则是船舶的核心。挖泥船，也被称为疏浚船舶，可以在航道疏浚及港口建设中发挥十分重要的作用。在挖泥船系统中，不仅包含主推进系统，还同时存在进行疏浚施工的挖泥作业系统，因此工作环境通常较为恶劣，在一定程度上增加了动力机械设备故障的风险，对作业开展的稳定性造成了严重阻碍。为此，需要积极展开对挖泥船动力设备的状态监测和故障诊断。

1开展工程船舶动力机械CMFD研究的意义

1.1推动船舶维修制度的改革

开展工程船舶CMFD技术研究和应用可以推进维修保障模式从依靠人员经验向依靠计数手段方向发展，改变当前定时维修、经验维修、事后维修的模式和以时间为基础的船舶预防性维修体制，克服当前维修体制的弊端，尽快形成以视情维修和以可靠性为中心的现代维修体制，积极推进船舶维修制度的改革，满足现代工程船舶的需求。

1.2降低维修成本，提高经济效益

CMFD技术在工程船舶动力机械上的广泛实施，可以及早发现故障征兆，最大限度地减少计划外维修、消除冗余检查和经常性地计划内维护以及带来的过剩维修；避免了突发故障（特别重大事故）的发生；使系统零部件的寿命得到充分发挥，延长了检修周期，提高维修的精度和速度，降低维修费用，获得最佳经济效益。从而使工程船舶动力机械的维修更加合理，同时提高了设备的利用率，带来了巨大的经济效益和社会效益。

1.3提高故障预测能力，确保系统安全性和可靠性

CMFD在工程船舶动力机械的实施可以大大提高系统故障预测能力，从而确保系统的安全性。借助CMFD的状态监测和故障预测能力，可以有效地掌握系统的运行状态，及早采取措施和手段控制系统故障发展趋势和消除故障，进而避免系统停机和突发故障，大大提高了系统的安全性和可靠性。

2船舶动力机械领域CMFD技术

2.1柴油机状态监测和故障诊断

柴油机系统主要包含燃油、配气、滑油、冷却等多个不同子系统，每个子系统之间相互作用，一旦发生故障，则不会呈现出一一对应的简单对照关系，既可能出现一因多果的问题，也可能存在一果多因的现象，同时，也存在故障源和故障相互交叉的情形。（1）可以借助热力参数诊断的方法确定柴油机的故障情况，结合空气、滑油等参数，明确其中的异常现象和故障问题并予以处理。一般可以通过燃油系统、增压空气系统、冷却系统等性能参数实现对柴油机运行状态的监测诊断。（2）可以依托瞬时转速诊断方法确定柴油机的状态，结合气管压力判断柴油机汽缸的实际燃烧情况。如果工况相对稳定，则可能因气体的压力作用和惯性而相应影响柴油机的瞬时转速，以发挥良好的诊断效果。通常借助磁电式、霍尔式或光电式传感器实现对柴油机运行状态的瞬时转速诊断。（3）借助振动信号分析的方法予以判定，动力设备机器的运行状态通常借助信号的形式予以展现，利用信号分析处理的方法可以确定动力设备的具体特征，以明确把握特征参量的整体变化情况和设备的设计工况，并据此开展故障诊断。

2.2 液压设备状态监测和故障诊断

一般而言，液压系统的液压元件及设备主要安装于主甲板及室外，其所处的工作环境一般相对较为恶劣，其中的污染物主要源于液压油泵、柱塞、电磁阀及油缸等设备，在设备运行阶段可能发生一定的磨损，导致液压油在氧化作用下产生过量的金属磨损颗粒，同时，也可能源于设备维护及使用阶段的污染物。针对挖泥船的液压系统予以监测，要求充分关注挖泥设备液压系统、艏锚机液压系统、艉锚液压系统和艉系泊液压系统，然而，无需关注排放系统和其他液压系统，如侧推系统、水密门液压系统等。一般而言，通过液压系统污染度在线监测数据，有关管理人员往往只能建立对液压系统污染情况的认知，然而，由于造成污染的最主要原因在于外界污染物，由于过度的外界污染物而导致系统发生严重磨损，同时，也可能由于磨损颗粒过多。如果仅仅依靠污染度在线监测的方式，往往难以做出精准的判断。为了建立对污染源的深刻认知，可以依托光谱分析和理化分析等多种技术，若光谱检测结果表面液压油中的铁、铜等金属元素的浓度明显增加，则可以确定污染源为系统内部，也即系统内的元器件存在较大的磨损。如果系统发生了严重污染，并不表示系统中磨损严重，然而，如果该系统长期处于严重污染的状态中，则会导致严重的设备磨损问题，要求在污染早期进行积极过滤，明确造成污染的主要原因并予以消除，以降低元器件磨损风险。

3综合诊断系统

上述的技巧与方法共同形成了工程船舶动力机械状态监测和故障分析的综合诊断，实际上，对于工程船舶而言，不同性质不同作业内容的工程船舶所经受的考验和自然影响因素不同，又因其水上作业的独特性，在实际的监测过程中需要运用的手段也不相同，而不同的诊断方法共同构成了工程船舶的综合诊断系统。综合诊断系统中主要包含以下几个模块，其一是对于热力参数的监测模块，在上文中已经进行了简要阐述，这里不做过多赘述，需要注意的是热力参数监测实际上是对于整个工程船舶动力运作系统的分析，对于工程船舶动力机械正常运作起到至关重要的作用；其二是瞬间转速模块的监测，瞬间转速是对其平衡性能的重要考量，因此是极为重要的一个模块；其三是对于气缸压力功率谱的监测模块，主要针对的内容是采油机的工作性能，以上三种形式都是在基于现有数值和已有数值的对比中，对于问题进行监测，形成良好的监测系统。其四是声发射监测，声发射的主要监测内容就是气阀漏气问题，其五是轴系振动，轴系振动是基于瞬时转速数值开展，通过对于瞬时转速波动图的分析，对于瞬时转速形成良好的计算分析，进而实时实现对于柴油机的监测；其六是轴功率监测，与上述内容相同，轴功率也是搭建在性能监测的基础上开展的，最后是对于动力机械在燃油消耗量监测。综合监测系统共同为工程船舶动力机械状态服务，为了让工程船舶始终保持在较好的工程运作状态中，不会由于故障问题的不及时处理造成不必要的损失。通过综合监测，实时对于船体动力机械进行分析，针对已有问题给出最优的解决方案，从而保证工程船舶动力机械的正常运作，工程船舶作业的有序进行。

结语

综上所述，现阶段已有多种工程船舶动力机械CMFD技术投入了应用，且其数量呈现出明显的增长趋势，并逐渐从局部监测到全面监测的方向发展，监测手段也逐渐从单一化向多种监测手段共存的方向发展。现阶段，在实际故障诊断时，所使用的方法仍然存在一定的局限性，因此，需要积极探索可以综合利用先进监测技术及故障诊断方法的全新路径，让船舶动力机械故障诊断工作的准确性和效率得到充分提升，以推动工程船舶动力机械的智能化发展。

参考文献

[1]胡以怀，陈宝忠，邹建军.船舶机损案例的人为因素失误分析[J].中国航海，2020（3）.

[2]杨建国，王晓武.船舶柴油机监测与故障诊断技术现状及发展趋势[J].中国航海，2020（2）.

[3]严立，朱新河，严志军.船舶螺旋桨轴状态监测研究[J].中国修船，2019(4).