(Flaw Detection and Fault Diagnosis)

本章重點(diǎn)：

1．了解無(wú)損檢測(cè)的基本原理、特點(diǎn)，掌握各種檢測(cè)方法的適應(yīng)范圍，達(dá)到能正確選用的目的。

2．了解常用的故障診斷方法(振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)、油液監(jiān)測(cè)、性能趨勢(shì)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè))的基本原理及在船舶機(jī)械中的應(yīng)用。

講解方法：

1．結(jié)合學(xué)生熟悉的醫(yī)療診斷方法來(lái)介紹本章涉及的無(wú)損檢測(cè)方法和故障診斷，加速消除學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的生疏感。

2．結(jié)合目前無(wú)人機(jī)艙的現(xiàn)狀和船舶維修體制的改革要求，說(shuō)明故障診斷工作的重要性。

3．課后馬上安排無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)方法的理解。

引 言

為了保證船舶動(dòng)力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和船舶航行的安全性，船舶機(jī)械在制造和安裝過(guò)程中均要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)。對(duì)于零件材料的內(nèi)部缺陷采用各種先進(jìn)的無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)檢驗(yàn)；對(duì)于船舶機(jī)械在船上安裝，也即船舶在建造過(guò)程中不僅要進(jìn)行安裝質(zhì)量檢驗(yàn)，而且還要取得船級(jí)社檢驗(yàn)的船級(jí)證書。船舶機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的損傷同樣危及著船舶動(dòng)力裝置的可靠性和船舶航行的安全性，輪機(jī)員要在日常的維護(hù)管理工作中進(jìn)行各種檢查與測(cè)量，有計(jì)劃地維修以防止故障發(fā)生。同時(shí)，CCS要求業(yè)已取得船級(jí)證書的在航船舶保持船級(jí)，即為保持其入級(jí)的良好技術(shù)狀態(tài)還要進(jìn)行各種技術(shù)檢驗(yàn)，如年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)、塢內(nèi)檢驗(yàn)和特別檢驗(yàn)等。

在船舶條件下輪機(jī)員對(duì)缺陷零件可進(jìn)行一般檢驗(yàn)以判斷零件的可使用性；船舶進(jìn)廠修理時(shí)對(duì)重要缺陷零件應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。

零件的缺陷(如裂紋、疲勞、磨損、腐蝕等)既是危險(xiǎn)的，又往往是難免的，到一定時(shí)間總要出現(xiàn)。因此，采用一定的檢測(cè)方法進(jìn)行缺陷和機(jī)械故障的檢測(cè)是非常重要的。對(duì)機(jī)器進(jìn)行的檢測(cè)方法是從醫(yī)學(xué)診斷方法中學(xué)習(xí)得來(lái)的。其診斷方法和原理與人類目前采用的疾病診斷方法是很似的。不妨對(duì)比如下：

§5-1 船機(jī)零件的缺陷檢驗(yàn)(Flaw Detection)

1 船機(jī)零件缺陷的簡(jiǎn)易檢驗(yàn)方法

1.1 觀察法(直觀檢驗(yàn))Direct check

檢查人員用眼睛或借助放大鏡等觀測(cè)零件表面的裂紋、磨損、腐蝕等情況。其準(zhǔn)確程度與檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

1.2 聽響法

原理：敲擊零件，根據(jù)零件發(fā)出的聲音來(lái)判斷零件有無(wú)缺陷。

如：聲音清脆，表明零件完好；聲音沙啞，表明零件內(nèi)部有缺陷。

這方法只能進(jìn)行定性分析，完全依賴于檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)。

在生活中也應(yīng)用較多：如買鍋、買碗等，買西瓜判斷方法相反。

1.3 測(cè)量法

分直接測(cè)量和間接測(cè)量。通過(guò)測(cè)量檢測(cè)零件的磨損和腐蝕情況等。

應(yīng)用：在船上用內(nèi)徑千分尺檢查缸套的內(nèi)徑，計(jì)算圓度誤差和圓柱度誤差。

工具：千分尺、千分表、塞尺等。還可用專用工具(如樣板)檢查(如活塞頂?shù)臒g情況檢測(cè))。

1.4 液壓試驗(yàn)法

對(duì)要求具有較高密封性的零件進(jìn)行液壓或氣壓試驗(yàn)。通

過(guò)檢查表面有無(wú)滲漏現(xiàn)象，來(lái)檢查表面有無(wú)穿透性裂紋等。

試驗(yàn)用液體可用水或油，也可用空氣，依有關(guān)要求而定。試驗(yàn)壓力依零件工作條件而定。例如，柴油機(jī)氣缸蓋冷卻水腔試驗(yàn)壓力為0.7MPa，保持5min；氣缸套上部(1／3氣缸全長(zhǎng))是燃燒室組成部分，試驗(yàn)壓力為1.5pz(氣缸最大爆發(fā)壓力)。圖5-1為筒形活塞式柴油機(jī)氣缸套內(nèi)孔全長(zhǎng)液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.7MPa，保持5min后檢查氣缸套外表面有無(wú)滲漏現(xiàn)象。

2 船機(jī)零件缺陷的無(wú)損檢測(cè)(Non-Destructive-Testing=NDT)

缺陷(特別是內(nèi)部缺陷)的檢測(cè)方法 無(wú)外乎兩種：

1) 破壞法

即破開被檢測(cè)對(duì)象，檢查內(nèi)部的質(zhì)量，雖然可靠，但對(duì)零件的檢驗(yàn)是行不通的，就象給人看病一樣，總不能動(dòng)不動(dòng)就剖腸開肚進(jìn)行檢查。

2) 無(wú)損檢驗(yàn)

在不破壞被檢查對(duì)象的前提下(包括：形狀、尺寸、性能等)測(cè)量其有關(guān)的參數(shù)。如測(cè)量溫度、壓力、缺陷等。目前，在狹義上來(lái)說(shuō)：在不破壞零件的條件下探測(cè)零件表面及內(nèi)部缺陷的方法,稱為無(wú)損探傷。

無(wú)損探傷的種類：常規(guī)檢測(cè)方法(滲透探傷、磁力探傷、超聲波探傷、射線探傷、渦流探傷)和無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)(如聲發(fā)射技術(shù)、激光全息檢測(cè)技術(shù)、紅外檢測(cè)技術(shù)、及微波檢測(cè)技術(shù)等)。

在國(guó)外，常有下列3個(gè)名詞使用：

(1)無(wú)損檢測(cè)(Nondestructive Testing=NDT)

(2)無(wú)損檢驗(yàn)(Nondestructive Inspection=NDI)

(3)無(wú)損評(píng)價(jià)(Nondestructive Evaluation=NDE)

其中，NDT與NDI更為相近，NDT一般泛指材料和設(shè)備各種場(chǎng)合中使用的檢測(cè)方法，NDI指出設(shè)備驗(yàn)收和在役情況下的檢驗(yàn)，NDE是在無(wú)損檢測(cè)更高層次的發(fā)展，著重對(duì)缺陷的危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在我國(guó)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是從50年代開始的，幾乎所有的方法都得到了實(shí)際應(yīng)用，并成立了中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)(掛靠在上海材料研究所)。

2.1 超聲波探傷(Ultrasonic Testing=UT)

1) 概述

利用超聲波來(lái)檢查金屬或非金屬材料零件內(nèi)部缺陷的方法，稱為超聲波探傷。在船上的應(yīng)用較廣。

人耳的聽覺(jué)范圍(聲波頻率)：20Hz～20kHz，頻率大于20kHz的聲波，叫超聲波。超聲波的特點(diǎn)是：頻率高，波長(zhǎng)短，穿透力強(qiáng)，在介質(zhì)中直線傳播。高頻率的超聲波能形很窄的波束，即具有指向性。

超聲波在介質(zhì)中傳播方式隨振源在介質(zhì)上施力方向與聲波傳播方向不同分為縱波、橫波和表面波。

縱波——施加于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的作用力使波傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致的振動(dòng)波。當(dāng)介質(zhì)受到交變拉力或壓力作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生縱波，它可在固體、液體和氣體中傳播，用于縱波探傷中。

橫波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的振動(dòng)波。當(dāng)介質(zhì)受到交變的剪切力作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生橫波，只能在固體中傳播，用于橫波探傷中。

表面波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的振動(dòng)波，用于表面波探傷中。

探傷用的超聲波：0.5～25MHz，其中常用的0.4～5MHz。特殊要求的檢測(cè)頻率可達(dá)10MHz～50MHz。

2)探傷原理：超聲波入射到構(gòu)件后，如果遇到缺陷(或兩種介質(zhì)的界面)會(huì)出現(xiàn)折射或反射，用探頭(注：探頭可以產(chǎn)生超聲波、發(fā)射超聲波和接受超聲波)接受，變成電信號(hào)，經(jīng)放大顯示在屏幕上，根據(jù)波形來(lái)確定缺陷的部位、大小和性質(zhì)。

超聲波探傷的方法按波的傳播方式分為脈沖反射波法和透射波法；按耦合方式分為接觸法和水浸法；按波型分為縱波法、橫波法、表面波法。

換能器：超聲波換能器俗稱探頭，主要由壓電晶片構(gòu)成，是產(chǎn)生和接收超聲波的裝置。主要有壓電式、電磁式等。超聲波探傷中主要利用壓電式換能器，即電聲、聲電換能器。

某些單晶體和多晶陶瓷在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，晶體內(nèi)產(chǎn)生極化或電場(chǎng)，稱為正壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)晶體處于電場(chǎng)中時(shí)，由于極化作用在晶體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，稱為逆壓電效應(yīng)。超聲波探傷中使用的單晶體有石英、酒石酸鉀鈉、硫酸鋰等，壓電陶瓷有鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛(PbTiO3)等。利用石英、鈦酸鋇的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，逆壓電效應(yīng)接收超聲波。將高頻振動(dòng)(超聲波)作用在晶體上，在晶體兩個(gè)電極之間產(chǎn)生與超聲波相同頻率、強(qiáng)度及與超聲波成正比的高頻電壓，即接收超聲波。

探頭分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、專用探頭等。直探頭可發(fā)射和接收縱波，斜探頭可發(fā)射和接收橫波。

超聲波探傷中較為普遍采用縱波接觸法，單探頭或雙探頭發(fā)射和接收超聲波。探頭與零件表面上的耦合劑薄層接觸進(jìn)行探傷。單探頭多用于探測(cè)中厚板、大型鍛件、大厚度焊縫和形狀簡(jiǎn)單的毛坯制件。雙探頭特別適于探測(cè)近表面的缺陷。

由發(fā)射波、缺陷波和底波在時(shí)間基線上的位置求出缺陷部。依缺陷波的幅度判斷缺陷的大小，具體方法有當(dāng)量法、定量法等。對(duì)于缺陷的性質(zhì)則主要依缺陷波的形狀和變化，結(jié)合零件的冶金、焊接或毛坯鑄、鍛工藝特點(diǎn)以及參照缺陷圖譜和探傷人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。脈沖反射法是脈沖發(fā)生器發(fā)出的電脈沖激勵(lì)探頭晶體產(chǎn)生的超聲脈沖波。一次脈沖反射波是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。超聲波以一定的速度向零件內(nèi)部傳播，一部分波遇到缺陷后反射，其余的波則繼續(xù)傳播至零件底面后反射，發(fā)射波、缺陷波和底波由探頭接收放大后顯示在熒屏上，如圖5-8所示。

波形上有三個(gè)波：底面回波B、缺陷回波F和入射波T。根據(jù)底波B與缺陷回波F之間的信號(hào)差別，便可知缺陷是否存在、性質(zhì)、部位及其大小。

★ 根據(jù)波形的特征，判斷缺陷的有無(wú)及性質(zhì)(裂紋、氣孔、雜質(zhì)等)。

★ X=LF/LB*T，得到缺陷的位置；LB--始波與底波之間的距離。

★ 根據(jù)缺陷回波的高度，判斷缺陷的大小。

3) 特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)： 適用的材料廣(金屬與非金屬均可)；可在構(gòu)件的一側(cè)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)(厚度5～3000mm)；適合于自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)處理與顯示；成本低；可顯示內(nèi)部缺陷。

缺點(diǎn)：對(duì)探傷人員的素質(zhì)要求高，如果無(wú)外圍設(shè)備，顯示結(jié)果不可重現(xiàn)，有時(shí)結(jié)果難以解釋。先進(jìn)的儀器也很昂貴。

2.2 滲透探傷法(Penetrate Testing=PT)

1)概述

定義：利用液體的流動(dòng)性、滲透性及表面裂紋的毛細(xì)管作用，將表面細(xì)微裂紋顯示出來(lái)的方法。

方法是：將滲透劑涂于構(gòu)件的被測(cè)表面，當(dāng)表面有開口缺陷時(shí)，滲透劑就滲透到缺陷中，去除表面多余的部分，在涂以顯象劑，在合適光線下觀察放大了的缺陷痕跡，據(jù)此來(lái)判斷缺陷的種類和大小，這就是滲透探傷法。

特點(diǎn)：是最簡(jiǎn)單、最古老的無(wú)損檢測(cè)方法，可用于檢測(cè)金屬與非金屬材料的表面裂紋。

2)方法一：煤油白粉法

操作方法：將清洗后的零件浸入煤油槽中或?qū)⒚河屯坑诹慵砻妫?jīng)過(guò)15～30min，把零件擦干，涂上白粉，干燥后適當(dāng)敲擊或加熱零件，滲入缺陷的煤油會(huì)復(fù)滲于白粉上，出現(xiàn)黑色痕跡。

缺點(diǎn)：太小的裂紋不易顯示(裂紋寬度不小于0.01mm，裂紋深度不小于0.03mm)。

3)方法二：著色探傷 Dye Penetrant Inspection

原理同上。區(qū)別：滲透劑(Penetrant)是有顏色(如紅色)的溶液，顯象劑(Developer)用白色液體，便于觀察。

4)方法三：熒光探傷(Fluorescent Penetration Crack Testing)

滲透劑是熒光物質(zhì)，當(dāng)用(水銀石英燈的)紫外線照射時(shí)，缺陷內(nèi)的滲透劑會(huì)發(fā)出熒光，從而顯示出表面裂紋。

缺點(diǎn)：需要紫外線的發(fā)射裝置，暗室中進(jìn)行，對(duì)人體有害。

5)滲透探傷的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：在NDT中成本最低，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適用于所有材料，靈敏度比人的眼睛直接觀察高5～10倍左右，顯示結(jié)果直觀。

缺點(diǎn)：僅適用于表面開口型缺陷類型，靈敏度不太高，不便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)深度顯示。

2.3 磁粉探傷法(Magnetic Particle Testing=MT)

磁粉探傷或稱磁力探傷。也是比較古老的無(wú)損檢測(cè)方法，國(guó)外已有50年的歷史，國(guó)內(nèi)也有30多年。廣泛用于檢測(cè)鐵磁性材料及其構(gòu)件的表面和近表層的缺陷，可檢測(cè)的缺陷類型：裂紋、重疊、分層等。

磁粉探傷可以探測(cè)材料或零件表面和近表面的缺陷，對(duì)裂紋、發(fā)紋、折疊、夾層和未焊透等缺陷極為靈敏。采用交流電磁化可探測(cè)表面下2mm以內(nèi)的缺陷，采用直流電磁化可探測(cè)表面下6mm以內(nèi)的缺陷。

磁粉探傷設(shè)備有固定式、移動(dòng)式和手提式三種磁力探傷機(jī)。顯示介質(zhì)為較細(xì)的純鐵磁粉(Fe3O4)。直接使用干粉靈敏度高，但操作不便；把磁粉和煤油混合成濕粉，使用方便。

目前已研制成半自動(dòng)、全自動(dòng)磁粉探傷線和專用自動(dòng)探傷機(jī)，如曲軸半自動(dòng)探傷機(jī)、鋼材自動(dòng)磁粉探傷機(jī)。除部分項(xiàng)目或磁痕檢查仍用目測(cè)外，磁粉探傷從零件裝夾、磁化、噴粉到退磁等工序全部自動(dòng)化。發(fā)展水下磁粉探傷，對(duì)船體水下部分、海上石油鉆井平臺(tái)的水下焊縫、海底管道等進(jìn)行檢測(cè)。

1)磁粉探傷原理：鐵磁性材料構(gòu)件的表面或近表層有缺陷時(shí)磁阻大，一旦被磁化，則會(huì)有部分磁力線外溢而形成漏磁場(chǎng)，它對(duì)施加到構(gòu)件表面的磁粉會(huì)產(chǎn)生吸附作用，因而顯示出缺陷的痕跡，根據(jù)磁粉的痕跡來(lái)判斷缺陷的大小、取向和位置等。漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布，取決于缺陷的長(zhǎng)度、取向、位置(近表層)和被測(cè)表面的磁化強(qiáng)度。當(dāng)缺陷垂直于磁化方向時(shí)，靈敏度最高；當(dāng)缺陷平行于磁化方向時(shí)，則無(wú)磁粉痕跡顯示。

2)磁粉探傷方法

磁粉探傷方法按分類方法不同有——按磁化電流性質(zhì)分為交流電磁化法和直流電磁化法；按磁場(chǎng)方向分為縱向磁化、周向磁化和復(fù)合磁化；按顯示介質(zhì)狀態(tài)和性質(zhì)分為干粉法、濕粉法和熒光磁粉法等；按磁化方法為直接通電法、局部磁化支桿法、心軸法、線圈法和鐵軛法等。

按磁場(chǎng)方向分為：

(1)縱向磁化 零件磁化后產(chǎn)生平行零件軸線的磁力線，可以探測(cè)與零件軸線垂直或成一定角度的缺陷。采用直流電或交流電通過(guò)線圈或鐵軛磁化，如圖5-4。

(2)周向磁化 零件直接通電或使穿過(guò)零件的心軸通電，使在零件內(nèi)產(chǎn)生垂直零件軸線的磁力線探測(cè)軸向缺陷，即平行或近平行零件軸線的缺陷，如圖5-5。

(3)復(fù)合磁化 零件上同時(shí)產(chǎn)生縱向和周向磁力線，可以探測(cè)零件上任意方向上的缺陷，如圖5-6。

3)磁化電流

磁粉探傷的磁化電流可采用直流電或交流電。為了獲得強(qiáng)磁場(chǎng)和確保安全，選用低壓大電流，一般電壓在12V以下， 1000～4500A(大電流)，且因零件大小不同而不同。電流則因零件大小按經(jīng)驗(yàn)公式求得。它們的特點(diǎn)：

直流電磁化：磁場(chǎng)強(qiáng)度大，磁力線在零件截面上分布均勻，適用于表面缺陷或近表層缺陷(6～7mm)的顯示，設(shè)備復(fù)雜，使用不便，退磁困難，現(xiàn)在應(yīng)用較少。

交流電磁化：穿透力小，適用于表面缺陷(集膚效應(yīng)，1～1.5mm)。可探測(cè)表面以下2mm深度的缺陷，探測(cè)靈敏度高，易于退磁，設(shè)備簡(jiǎn)單，電源方便，應(yīng)用廣泛。

周向(橫向)磁化可檢查平行于軸線方向的表面缺陷，縱向(軸向)磁化可檢查垂直于軸線方向的表面缺陷。

磁粉：較細(xì)的鐵磁粉——Fe3O4

注意點(diǎn)：預(yù)處理：去污、取涂層、鐵銹等。

后處理：退磁，以免影響零件的正常工作。零件磁粉探傷后必須退磁，若探傷后還要經(jīng)700℃以上熱處理，則可不退磁。

優(yōu)、缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：比滲透探傷靈敏，能探測(cè)近表層的缺陷；容易掌握、結(jié)果直觀等。

缺點(diǎn)：僅適用于鐵磁性材料的零件，無(wú)深度顯示，僅對(duì)與磁力線垂直的缺陷敏感。

新進(jìn)展：在探傷設(shè)備上，開發(fā)了先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)探傷機(jī)，可一次探測(cè)顯示全方位的缺陷，并可連續(xù)探傷。其次是引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)。

2.4 射線探傷(Radiography Testing=RT)

1)概述

定義：利用X射線或g射線來(lái)檢驗(yàn)零件內(nèi)部缺陷的方法，稱為射線探傷。

原理：不同的物質(zhì)對(duì)射線的吸收和衰減作用是不同的。當(dāng)射線穿過(guò)密度大的物質(zhì)時(shí)，被吸收的多，由于缺陷處的密度與金屬本身的密度不同，因此在零件下面的底片上就會(huì)產(chǎn)生不同的感光度，即在底片上顯示出零件內(nèi)部缺陷的大小、種類、分布狀態(tài)等。

g射線比X射線的穿透力強(qiáng)，但靈敏度不如X射線。

2)特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：適用于所有材料，底片可永久保存，可展示內(nèi)部缺陷的大小、形狀和位置等。

缺點(diǎn)：射線對(duì)人體有害，缺陷的深度很難辨別，成本高(底片、暗室。化學(xué)藥品等)，厚件的曝光時(shí)間長(zhǎng)，零件的兩面都能操作等。

3)發(fā)展方向

現(xiàn)有常規(guī)設(shè)備的改進(jìn)(如；減少重量和體積等)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，提高膠片的質(zhì)量(系列化)，開發(fā)便攜式可移動(dòng)的高能射線加速設(shè)備等。

2.5 渦流探傷法(Eddy Current Testing=ET) (簡(jiǎn)單介紹)

1)概述

利用電磁感應(yīng)的原理，使被檢件的表面感應(yīng)出渦流，零件中存在缺陷時(shí)會(huì)改變渦流的強(qiáng)弱，渦流產(chǎn)生反作用磁場(chǎng)，又使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化，因此通過(guò)檢測(cè)線圈的阻抗的變化，來(lái)判斷缺陷的有無(wú)，這種探傷方法稱為渦流探測(cè)法。

出現(xiàn)于40年代，我國(guó)50年代開始研究。

由于交流感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，所以ET法僅能用于導(dǎo)體表層(表面和近表層)的缺陷檢測(cè)。

2)特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：渦流探傷可探測(cè)零件表面0.11mm～0.2mm深處的缺陷，靈敏度較高，檢測(cè)速度快，易于實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化檢測(cè)；屬于電學(xué)測(cè)量法，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)化；設(shè)備可以輕，可以原地探惻；對(duì)封閉在表層下的缺陷有很高的檢測(cè)靈敏度；探傷深度比磁粉探傷所達(dá)到的深；能提供缺陷的深度信息；非接觸式的檢測(cè)方法等。

缺點(diǎn)：理論復(fù)雜；距表層較深的缺陷難檢測(cè)(集膚效應(yīng))；影響因素多；渦流探傷僅適用于導(dǎo)電材料，對(duì)缺陷顯示不直觀，更不適于形狀復(fù)雜零件的探傷。

3)發(fā)展方向

分析方法：相位分析、相關(guān)分析、幅值分析等。

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和探頭的改進(jìn)(旋轉(zhuǎn)探頭、扇形探頭等)。

2.6 無(wú)損檢測(cè)新技術(shù) (簡(jiǎn)單介紹)

除上面所提的5種常規(guī)檢測(cè)方法外，被列為新技術(shù)的主要有：

1)聲發(fā)射技術(shù) (Acoustic Emission＝AE)

疲勞裂紋(裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展時(shí)均有應(yīng)變能產(chǎn)生，發(fā)出彈性波)的監(jiān)測(cè)等，快速、動(dòng)態(tài)、整體的NDT方法。聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是利用加載條件下零件內(nèi)部缺陷活動(dòng)發(fā)射出聲波信號(hào)來(lái)探惻缺陷。而其它無(wú)損檢測(cè)則是靜態(tài)的，是外加信號(hào)檢測(cè)零件內(nèi)部缺陷。聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)具有以下特點(diǎn)：

(1)除極少數(shù)材料外，金屬和非金屬材料在一定條件下均有聲發(fā)射現(xiàn)象，所以聲發(fā)射檢測(cè)不受材料限制；

(2)不僅可以探測(cè)缺陷，且可依聲發(fā)射波的特點(diǎn)和誘發(fā)條件了解缺陷形成和預(yù)測(cè)其發(fā)展；

(3)操作簡(jiǎn)便，可大面積探測(cè)和監(jiān)視缺陷活動(dòng)情況；

(4)聲發(fā)射檢驗(yàn)時(shí)環(huán)境有很大的干擾噪聲。

2)激光全息照相技術(shù): 空間像，缺陷的立體形態(tài)。類似于CT等。

2.7 綜合探傷法

由于各種方法各有特點(diǎn)及最適用的探測(cè)對(duì)象和應(yīng)用范圍，所以要綜合應(yīng)用，即合理地將各種方法配合使用，達(dá)到好的檢測(cè)效果。具體是：

1)以磁粉探傷和滲透探傷檢測(cè)表面缺陷；

2)以渦流、磁力探傷檢測(cè)近表層缺陷；

3)以超聲波探傷檢測(cè)內(nèi)部缺陷，找出疑點(diǎn)；

4)用射線探傷對(duì)內(nèi)部疑點(diǎn)進(jìn)行透視檢查。

小結(jié)：

注：表層缺陷包括：表面缺陷和近表層缺陷

§5-2 船機(jī)故障診斷技術(shù) (Fault Diagnosis)

1 概述

1.1 故障診斷

故障診斷是一種了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)，確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。

通俗的講，就是給機(jī)器或設(shè)備“看病”的技術(shù)。

1)船機(jī)狀態(tài)信息

船機(jī)狀態(tài)惡化就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)于狀態(tài)變化的各種信息，并顯示出來(lái)。這些信息主要有以下三種類型。

(1)機(jī)械信息：機(jī)械狀態(tài)惡化產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變化的信息，其中直接與功能有關(guān)的信息有：力、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速等；其他運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息有：振動(dòng)、聲音、溫度等；

(2)電磁信息：主要有電流、電壓、電磁感應(yīng)密度、導(dǎo)磁等信息；

(3)化學(xué)信息：機(jī)械狀態(tài)惡化產(chǎn)生的氣、液、固體等信息，例如排煙、磨損產(chǎn)物、潤(rùn)滑油變質(zhì)等信息。

2)故障診斷過(guò)程

故障診斷過(guò)程主要包括以下三個(gè)階段的工作：

(1)信息采集：選用傳感器采集信息，如溫度、壓力或振動(dòng)傳感器。采集故障信息的方式可選用連續(xù)監(jiān)控方式或定期(定時(shí))停機(jī)檢測(cè)方式獲取，同時(shí)可直接測(cè)定或間接測(cè)定。

(2)數(shù)據(jù)處理：或稱特征提取。把原始信息進(jìn)行處理，獲取反映故障最敏感的性能參數(shù)。

(3)狀態(tài)識(shí)別、判斷和預(yù)測(cè)：根據(jù)特征參數(shù)，參照相應(yīng)規(guī)范、運(yùn)用各種知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)早期故障進(jìn)行診斷，對(duì)故障的部位、原因和程度作出判斷，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為確定維修決策提供技術(shù)依據(jù)。識(shí)別的方法主要有對(duì)比、分類、聚類、辨識(shí)和推理等。

將先進(jìn)的傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)與船機(jī)設(shè)備診斷領(lǐng)域?qū)＜业呢S富經(jīng)驗(yàn)和思維方式相結(jié)合形成船機(jī)設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)實(shí)際上是人工智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它利用大量專家的專門知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和方法解決實(shí)際的復(fù)雜故障診斷問(wèn)題。所以，稱這種診斷為基于知識(shí)的故障診斷，它是智能診斷，是故障診斷的發(fā)展方向。

3)設(shè)備工況監(jiān)測(cè)

設(shè)備工況監(jiān)測(cè)或稱狀態(tài)監(jiān)測(cè)，與故障診斷技術(shù)不同。它是通過(guò)測(cè)定機(jī)器某個(gè)較為單一的特征參數(shù)，例如溫度、壓力、振動(dòng)等，來(lái)探明機(jī)器工作狀態(tài)正常與否。若特征參數(shù)在允許范圍之內(nèi)則狀態(tài)正常，否則異常。并且依異常程度確定維修對(duì)策。通過(guò)對(duì)機(jī)器進(jìn)行定期或連續(xù)監(jiān)測(cè)可以了解故障發(fā)展的趨勢(shì)性規(guī)律，從而對(duì)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。所以狀態(tài)監(jiān)測(cè)又稱為趨勢(shì)分析。

1.2 發(fā)展簡(jiǎn)介

故障診斷作為一門完整的學(xué)科，只有20多年的歷史，而在船舶上的應(yīng)用始于50、60年代，60年代起步、70年代完善、80年代進(jìn)入實(shí)用。

故障診斷是船舶自動(dòng)化、無(wú)人機(jī)艙的前提，是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的關(guān)鍵。目前在船舶機(jī)械中，已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。

2 性能趨勢(shì)監(jiān)測(cè) (Performance Monitoring Technique)

2.1 性能參數(shù)分析法

又稱性能監(jiān)控，是船機(jī)故障診斷的核心技術(shù)。具體方法是利用傳感器或儀器、儀表測(cè)定船機(jī)設(shè)備的各項(xiàng)性能參數(shù)(如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、油耗等)，將這些參數(shù)進(jìn)行處理，然后同基準(zhǔn)參數(shù)值進(jìn)行比較，得到結(jié)論(如偏高、偏低、過(guò)高、過(guò)低等)，從而可以看出機(jī)械在性能方面存在的問(wèn)題，并進(jìn)行分析判斷其故障部位及發(fā)展趨勢(shì)。

“趨向分析”側(cè)重于多次監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的比較及參數(shù)的變化趨勢(shì)。

性能參數(shù)分析法診斷故障，早在船舶蒸汽機(jī)時(shí)代就已采用，輪機(jī)員用“聽、摸、嗅、看”來(lái)了解主、輔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)人腦快速思維分析判斷機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和運(yùn)轉(zhuǎn)趨勢(shì)。例如，用手觸摸柴油機(jī)高壓油管，依其脈動(dòng)情況判斷高壓油泵的工作狀況。

根據(jù)監(jiān)控手段和數(shù)據(jù)處理方法的不同有以下兩種：

1)圖示法。利用柴油機(jī)上的儀表或簡(jiǎn)單的測(cè)量工具，定時(shí)定位采集性能參數(shù)，并且每次測(cè)取數(shù)據(jù)都在相同的穩(wěn)定工況下進(jìn)行，以便對(duì)比分析。通常，測(cè)取3～4個(gè)參數(shù)并繪于同一坐標(biāo)圖中，反映某一零部件或運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的情況，從中分析判斷出問(wèn)題所在。例如，柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒狀況可通過(guò)測(cè)取燃油消耗量、掃氣壓力和排煙溫度等性能參數(shù)，作圖顯示氣缸內(nèi)各性能參數(shù)變化，分析診斷燃燒存在的問(wèn)題及發(fā)展趨向。

圖示法性能監(jiān)控可以有效地診斷故障，對(duì)降低維修費(fèi)用、延長(zhǎng)零部件及機(jī)器使用壽命和提高輪機(jī)員技術(shù)素質(zhì)均十分有益。

2.2 特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單易行，無(wú)須添置復(fù)雜的設(shè)備，設(shè)備上的儀表往往就是監(jiān)測(cè)儀器。

缺點(diǎn)：對(duì)一些早期故障不敏感，有時(shí)故障發(fā)展到一定的程度才會(huì)導(dǎo)致性能參數(shù)的變化。

2.3 性能參數(shù)的比較方法

★對(duì)標(biāo)比較：將測(cè)得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較；

★縱向比較：將本次測(cè)得的數(shù)據(jù)與以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；

★橫向比較：將測(cè)得數(shù)據(jù)與周圍同種設(shè)備的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，如某缸的數(shù)據(jù)與其它氣缸的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

2.4 性能參數(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)注意的問(wèn)題

1)選擇的監(jiān)測(cè)參數(shù)應(yīng)與故障之間應(yīng)具有較高的的靈敏度和較好的對(duì)應(yīng)性；

2)選擇的監(jiān)測(cè)參數(shù)最好能借助于機(jī)械上現(xiàn)有的儀表就可測(cè)得或添置較少的測(cè)量?jī)x器即可；

3)監(jiān)測(cè)參數(shù)應(yīng)具有足夠的信息量，并具有典型意義；

4)要注意監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累、加工處理等，從中歸納出有規(guī)律的東西；

5)要注意診斷規(guī)則與經(jīng)驗(yàn)的積累，為創(chuàng)建專家系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

2.5 性能參數(shù)監(jiān)測(cè)的實(shí)施方法

一般步驟為：測(cè)量?記錄?分析，具體實(shí)施時(shí)有以下幾種方法：

★ 由操作人員記運(yùn)行日記，這種方法最原始，仍在用；

★ 半自動(dòng)化系統(tǒng)：儀表測(cè)量或遙測(cè)，并自動(dòng)顯示；

★ 自動(dòng)化系統(tǒng)(或?qū)＜蚁到y(tǒng))：自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、記錄、分析處理、打印輸出、自動(dòng)報(bào)警和進(jìn)行干預(yù)等。

2.6 實(shí)例分析——柴油機(jī)的性能參數(shù)監(jiān)測(cè)

1)概述

性能參數(shù)監(jiān)測(cè)是柴油機(jī)監(jiān)測(cè)的基本方法之一，目前應(yīng)用很廣，也很實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。

2)監(jiān)測(cè)參數(shù)

★ 輸出功率：總的技術(shù)指標(biāo)，與燃燒系統(tǒng)的故障關(guān)系密切，一般規(guī)定功率下降20％為大修標(biāo)準(zhǔn)。

★ 燃油消耗率：經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

★ 其它：如滑油溫度、冷卻水溫、滑油(或冷卻水)壓力、

曲柄箱壓力和柴油機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速、廢氣溫度等。

3)柴油機(jī)拉缸的監(jiān)測(cè)

拉缸是柴油機(jī)的一種常見故障。其常見的外部特征有：柴油機(jī)曲柄箱通氣口的排煙明顯增多、轉(zhuǎn)速自動(dòng)降低、功率下降、機(jī)油溫度明顯升高、振動(dòng)加劇等，根據(jù)這些參數(shù)的特征變化，就可診斷故障是否存在。

4)利用安裝在機(jī)器上的傳感器掃描各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的性能參數(shù)(如溫度、壓力、速度等)，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄、處理和顯示，進(jìn)而可以分析判斷故障。

活塞環(huán)磨損監(jiān)測(cè)裝置(SIPWA)是利用安裝在氣缸掃氣口處的傳感器檢測(cè)特制的頂環(huán)——第一道活塞環(huán)外圓面上鑲嵌一圈非磁性材料的楔形環(huán)帶。當(dāng)頂環(huán)通過(guò)掃氣口時(shí)，傳感器測(cè)量楔形環(huán)帶寬度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞環(huán)徑向磨損的監(jiān)控，并顯示于屏幕上，如圖5-10所示。當(dāng)燃油凈化不良時(shí)，頂環(huán)磨損增加，SIPWA給出警示，輪機(jī)員及時(shí)采取措施。

應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷故障的性能監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)柴油機(jī)動(dòng)力裝置進(jìn)行監(jiān)控，也可以對(duì)機(jī)器、零部件的工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。例如PAC監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)動(dòng)力裝置中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、廢氣渦輪增壓器運(yùn)行、活塞環(huán)工作狀態(tài)、氣缸的潤(rùn)滑和磨損、氣缸熱負(fù)荷、燃燒和噴油系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)控。DMC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)缸內(nèi)燃燒和噴射過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

3 振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)(Noise & Vibration Monitoring)

對(duì)機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)和噪聲是最重要的診斷信息，是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的一種屬性，即使最精密的機(jī)器也不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。應(yīng)用非常廣，理論和測(cè)量技術(shù)比較成熟，是一種非常重要的診斷方法。

噪聲是不規(guī)則振動(dòng)在空氣中傳播引起的，從本質(zhì)上講也是振動(dòng)。根據(jù)聲響的差異進(jìn)行診斷是古老而有常用的方法。過(guò)去是靠人耳的感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，今天可以借助于儀器(如錄音機(jī)、頻譜分析儀等)進(jìn)行。

原理：每一零件都有自己的固有振動(dòng)頻率，振動(dòng)特性的突變，一定是由于某種原因引起的，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)隨時(shí)間的變化曲線(時(shí)域曲線)，對(duì)波形進(jìn)行分析(分析方法有：幅域分析、頻域分析、時(shí)域分析等)，找出特征信息，進(jìn)行診斷(部位和原因)。

實(shí)例分析： 噪聲分析在機(jī)務(wù)管理中的應(yīng)用，確定吊缸時(shí)間和預(yù)測(cè)零件達(dá)到磨損極限的時(shí)間等。

實(shí)例：用振動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)是一種有效的方法。活塞與缸套間隙的變化將引起缸套振動(dòng)特征的改變，又根據(jù)活塞撞擊缸套—機(jī)身振動(dòng)的傳遞特性，可利用機(jī)身的振動(dòng)特性

來(lái)預(yù)測(cè)間隙的變化。

★ 利用缸套的振動(dòng)響應(yīng)判斷間隙的變化：

Sf為缸套振動(dòng)加速度功率譜；

D為某105型柴油機(jī)的冷態(tài)間隙值。

下圖說(shuō)明：不同間隙時(shí)，功率譜有明顯的差別，即振動(dòng)能量的分布有明顯差別，

D＝0.07～0.1mm

f, kHz

Sf

拉缸時(shí)

f, kHz

Sf

f, kHz

Sf

D＝0.20～0.25mm

f, kHz

Sf

D＝0.85～0.7mm

★ 利用機(jī)身振動(dòng)來(lái)判斷間隙的變化：

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，傳感器是難以置于缸套上的，如果把傳感器放在機(jī)身上，所測(cè)信號(hào)也能反映缸套間隙的變化機(jī)身的橫向振動(dòng)主要是由活塞撞擊引起的(相關(guān)分析已經(jīng)證明了這一點(diǎn))。缸套與機(jī)身的振動(dòng)加速度響應(yīng)功率譜特征完全相同。

注：Sf不同氣缸間隙時(shí)機(jī)身的振動(dòng)加速度功率譜。從圖中可見：小間隙時(shí)，能量主要集中在第一頻帶內(nèi)；大間隙時(shí)，能量主要集中在第二頻帶。當(dāng)功率譜中，高頻成分明顯增加時(shí)，可判斷為拉缸的前兆。

★利用振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖來(lái)判斷排氣閥門間隙是否正常：

分別將排氣閥門的間隙正常(0.25mm)和間隙不正常(0.62mm)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自譜分析，其頻譜分別如圖所示。從圖中可以明顯看出，兩種情況的頻譜圖有很大差別，因此可以把振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖的變化作為判斷排氣閥門是否正常的一種依據(jù)。

4 溫度監(jiān)測(cè) (Temperature Monitoring)

機(jī)械工作狀態(tài)的改變一般會(huì)導(dǎo)致溫度的改變，如軸承的損壞或潤(rùn)滑不良,會(huì)導(dǎo)致溫度的升高。

溫度監(jiān)測(cè)可分為接觸式測(cè)溫和非接式測(cè)溫。

4.1 接觸式測(cè)溫

1)接觸式溫度計(jì)

2)溫度指示帶 用于檢查表面溫度的簡(jiǎn)便方法,可以檢查電氣設(shè)備是否過(guò)熱。

3)溫度指示粉筆 粗略檢查溫度的方法。每種粉筆都有一個(gè)標(biāo)定溫度。

4)溫度指示涂料 大面積檢查溫度的方法,根據(jù)涂料顏色的差別,可以判斷各點(diǎn)的溫差。

4.2 非接觸式測(cè)溫

紅外檢測(cè)技術(shù)(Infra-Red Monitoring)

原理：紅外線(0.75～1000mm)是具有強(qiáng)烈的熱效應(yīng)的輻射波，是不可見的光，物體的溫度與輻射能(功率)有一定的關(guān)系。溫度升高，熱輻射增大。

溫度 ? 輻射能(紅外線)? 紅外探測(cè)器 ? 信號(hào)分析

儀器：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀。

特點(diǎn)：測(cè)溫速度快、靈敏(0.01～0.1℃)、測(cè)量范圍寬(－273℃～3200℃).

應(yīng)用：火車車軸的檢測(cè)；鍋爐的檢測(cè)；高架高壓線的檢測(cè)等。

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

所謂油液分析是指收集潤(rùn)滑劑,對(duì)潤(rùn)滑劑的性質(zhì)及潤(rùn)滑劑中的微粒進(jìn)行定性和定量分析,以判斷機(jī)器工作是否正常,進(jìn)行故障診斷和預(yù)報(bào)的方法。

這種方法使用很廣,是目前中國(guó)船級(jí)社推薦使用的監(jiān)測(cè)方法。常用的油液分析方法有:

5.1 潤(rùn)滑劑理化性能分析(常規(guī)分析)

根據(jù)潤(rùn)滑劑本身性能的變化,來(lái)判斷磨損狀態(tài)。防止因潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致的故障。

1)油液常規(guī)理化分析簡(jiǎn)介

原理：

潤(rùn)滑劑的性能與機(jī)械設(shè)備的磨損狀態(tài)、設(shè)備的使用壽命有著密切的關(guān)系,可以說(shuō)潤(rùn)滑劑性能的劣化必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)的劣化,因此對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行理化性能指標(biāo)的監(jiān)測(cè),就可以達(dá)到磨損狀態(tài)間接監(jiān)測(cè)的目的,可以防止因潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致的失效。通過(guò)檢測(cè)油品的性質(zhì)、觀察其變化,是監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑條件改變?cè)斐蓹C(jī)械磨損失效的最簡(jiǎn)單、最直接的方法。(類似于貧血與健康的關(guān)系)

2)潤(rùn)滑油的理化性能指標(biāo)及監(jiān)測(cè)

☆ 潤(rùn)滑油的理化性能指標(biāo)有：

(1)粘度：主要指標(biāo),對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)影響最大,必檢指標(biāo)。

(2)總堿值：防止造成機(jī)械設(shè)備的酸腐蝕。

(3)水份：會(huì)造成油的乳化,難以形成油膜,使?jié)櫥Ч儾?此外還會(huì)加速設(shè)備的腐蝕。

(4)油性(或極壓性) 它表示油膜的吸附強(qiáng)度,取決于油的化學(xué)成分,一般用四球機(jī)檢測(cè)。

(5)閃點(diǎn)：表示油著火危險(xiǎn)性的指標(biāo),決定了工作溫度的高低。

(6)凝點(diǎn)：低溫性能。

(7)機(jī)械雜質(zhì)：油中的各種沉淀物,如砂土、磨粒等,反映油品的純潔性,含量高時(shí)會(huì)加速磨損。

(8)其它：如灰分、殘?zhí)俊⑺苄运釅A等。

使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況,選擇其中幾個(gè)進(jìn)行監(jiān)測(cè),達(dá)到對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑條件監(jiān)測(cè)的目的。

5.2 磨粒檢測(cè)：光譜分析、鐵譜分析、磁塞檢測(cè)

1)油料的光譜分析 (Spectrometric Oil Analysis Program 即SOAP)

光譜分析是利用原子或分子的發(fā)射與吸收光譜進(jìn)行物質(zhì)的化學(xué)組成分析的物理方法。

利用光譜分析的方法,鑒別潤(rùn)滑油中磨粒的成分和數(shù)量,據(jù)此預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的磨損狀態(tài)的方法,稱為光譜油料分析。

◇光譜分析的基本原理

光譜分析的基本原理就是利用各種分子或原子都有自己的特定的光譜波長(zhǎng)。根據(jù)分析時(shí)這些特征光譜是否出現(xiàn)及出現(xiàn)的強(qiáng)弱,來(lái)分析化學(xué)成分。如:

部分元素的特征譜線波長(zhǎng)：銅(Cu) 3247埃；鐵(Fe)3270埃； 鉛(Pb)2833埃； 鋁(Al)3092埃； 錫(Sn) 2354埃

◇光譜分析的類型：光譜分析方法按應(yīng)用可分為發(fā)射光譜分析和原子吸收光譜分析。

發(fā)射光譜分析(Emission Spectrometric Analysis)

基本原理

利用物質(zhì)(或試樣)受電能或熱能激發(fā)后,輻射出的特征譜線來(lái)判斷物質(zhì)組成(化學(xué)成分)的方法,稱為原子發(fā)射光譜分析法。

在油料進(jìn)行光譜分析時(shí),熱能(或電能)能把潤(rùn)滑油中所含的Fe、Ni、Cr、Cu等元素激發(fā),然后根據(jù)這些金屬雜質(zhì)發(fā)出的特征譜的強(qiáng)度對(duì)這些元素進(jìn)行定量分析。

產(chǎn)品類型

美國(guó)的Baird公司生產(chǎn)的MOA型直讀式發(fā)射光譜儀和超譜公司生產(chǎn)的超譜M型光譜儀是目前較為先進(jìn)的發(fā)射光譜儀，用光電倍增管把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，直接給出分析結(jié)果，整個(gè)程序由計(jì)算機(jī)控制。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便,分析速度快(美國(guó)的儀器,40秒內(nèi)便可測(cè)定一個(gè)油樣中10種元素的含量)，讀數(shù)準(zhǔn)確，分析容量大,適用大規(guī)模含有多種材質(zhì)摩擦副(如柴油機(jī))的設(shè)備群體的監(jiān)測(cè)。

缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴(6萬(wàn)美元)，安裝條件嚴(yán)格，試驗(yàn)費(fèi)用高，現(xiàn)場(chǎng)難以推廣；只能對(duì)油中<10μm的磨粒提供分析結(jié)果，而對(duì)較大磨粒(與嚴(yán)重磨損狀態(tài)對(duì)應(yīng))不能反映。

◇原子吸收光譜分析(Atomic Absorption Spectrometry ="AAS")

a.定義

利用測(cè)定試樣所產(chǎn)生的原子蒸汽(基態(tài)原子)對(duì)待測(cè)元素特定波長(zhǎng)的吸收來(lái)確定試樣中該元素的濃度的方法，稱為原子吸收光譜分析。

b.油液原子吸收光譜分析的原理

它是將油液中的磨粒熱解原子化，根據(jù)原子蒸汽對(duì)各種不同波長(zhǎng)的單色光源發(fā)出的特征輻射線吸收作用不同來(lái)確定油液中各種元素的含量。原子蒸汽的吸光度與原子濃度成正比。

特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 分析靈敏度高,精度高,適用范圍廣,取樣量少。

缺點(diǎn):

(1)測(cè)一個(gè)元素要換一個(gè)燈(光源)，比較麻煩；

(2)乙炔法要用燃料，不方便，不安全；

(3)只能給出油液中磨粒的元素含量，不能給出磨粒的形狀、尺寸等信息。在判斷磨損類型與預(yù)報(bào)突發(fā)性故障方面存在不足。

◇光譜油料分析的實(shí)施

★元素的來(lái)源

(1) 金屬元素( Fe,Ni,Al,Sn,Pb等)，來(lái)自金屬零件的磨損產(chǎn)物；

(2) 污染元素(Si,Ca等)，來(lái)自空氣或冷卻水；

(3) 添加劑元素(P,S,Cl等)，來(lái)自油的添加劑。

★分析方法的內(nèi)涵(實(shí)質(zhì))

是根據(jù)油液中元素的種類及含量，反推出磨損零件及磨損的程度。

元素的種類 —→ 磨損零件；元素的含量 —→磨損的程度。

★光譜分析判斷標(biāo)準(zhǔn)

在通常情況下，滑油中元素的濃度值的高低，反映了磨損量的大小，因此，可以用元素濃度值的大小及變化趨勢(shì)，作為判斷故障的依據(jù)。

對(duì)各種機(jī)械，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)照驗(yàn)證，定出各種元素濃度的最大允許值，作為判斷有無(wú)異常磨損的依據(jù)。

◇光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)在柴油機(jī)中的應(yīng)用

柴油機(jī)是監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一，主要是因?yàn)樗幍闹匾匚凰鶝Q定的，開展柴油機(jī)的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷，對(duì)提高交通運(yùn)能源消耗具有重要的意義。

由于柴油機(jī)中的摩擦副較多，影響因數(shù)復(fù)雜，要想判斷磨粒的來(lái)源，必須對(duì)其中的各種摩擦副材料十分熟悉，光譜分析結(jié)果對(duì)判斷磨粒的來(lái)源極其重要。

下表可作為判斷金屬磨粒的來(lái)源的參考。

光譜監(jiān)測(cè)磨粒來(lái)源
 

2)鐵譜監(jiān)測(cè)技術(shù) (Ferrographic Monitoring Technique)

鐵譜技術(shù)產(chǎn)生于70年代，是目前使用最廣泛、最有發(fā)展前途的油液分析技術(shù)。

定義：鐵譜技術(shù)(Ferrography)是利用高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)，將潤(rùn)滑劑中所包含的磨粒按其粒度大小有序地沉積下來(lái)，然后借助于其它各種分析方法對(duì)磨粒進(jìn)行定性和定量分析的技術(shù)。

鐵譜監(jiān)測(cè)的原理：將潤(rùn)滑劑流過(guò)一個(gè)高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)，利用磁力把鐵磁性磨粒或污染物微粒從潤(rùn)滑劑中分離出來(lái)，并按顆粒的大小有序地沉積,然后借助于光學(xué)或電子手段可以獲得磨粒形貌、大小、濃度、成分等方面的信息。測(cè)定的內(nèi)容包括:

(1) 磨粒的濃度和顆粒的大小，它反映了機(jī)器磨損的嚴(yán)重程度。

(2) 磨粒的大小和形貌，它反映了磨粒產(chǎn)生的原因和機(jī)理，如由輕微磨損產(chǎn)生、由疲勞磨損產(chǎn)生。

(3) 磨粒的成份,它反映了磨粒產(chǎn)生的部位，即發(fā)生磨損的零件。

可見，通過(guò)對(duì)沉積磨粒的分析，可以掌握機(jī)器運(yùn)行時(shí)的實(shí)際磨損情況，判斷磨損的狀態(tài)，這正是鐵譜分析可以用來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)器設(shè)備運(yùn)行工況的原因。

儀 器

★分析式鐵譜系統(tǒng)，它由兩部分組成：分析式鐵譜儀和鐵譜顯微鏡。

★直讀鐵譜儀 (Direct Reading Ferrograph)

作用:用來(lái)直接測(cè)定油樣中磨粒的濃度和尺寸分布，只能作定量分析，但比分析式鐵譜儀的定量分析準(zhǔn)確，檢測(cè)更簡(jiǎn)

單、迅速、成本低，適用于現(xiàn)場(chǎng)條件下使用，因此是設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷的較好手段之一。

鐵譜監(jiān)測(cè)實(shí)例：船用柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)

某拖輪:潤(rùn)滑油樣的直讀數(shù)在兩周內(nèi)連續(xù)升高，制成譜片后，發(fā)現(xiàn)有許多嚴(yán)重磨損微粒和大量正常磨損的鑄鐵微粒，表明活塞或缸套即將損壞，進(jìn)廠維修時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞和缸套過(guò)度磨損和拉傷。

☆ 小結(jié)

1)鐵譜分析的實(shí)質(zhì)

鐵譜分析是根據(jù)油樣中磨粒的形貌、尺寸、數(shù)量、成分等的分析，反推出磨損零件、磨損的類型及磨損的程度等。

①磨粒的數(shù)量(濃度、大小)：反映了磨損的程度。

②磨粒的尺寸、形狀:反映了磨損的類型(型式)。如：

細(xì)長(zhǎng)的磨粒——切削(磨粒磨損)；細(xì)小而非常多的磨粒——腐蝕磨損；球形磨粒——滾動(dòng)疲勞磨損；表面粗糙，有拉毛、擦傷痕跡的磨粒——嚴(yán)重粘著磨損等。

③磨粒的成分： 反映了磨粒的來(lái)源

油液的微粒大致來(lái)自三個(gè)方面：

A. 來(lái)自機(jī)器零件地金屬及其氧化物顆粒，包括:黑色金屬顆粒(如鐵，鋼等)、有色金屬顆粒(如銅、鋁等)、紅色氧化物、黑色氧化物。

B. 潤(rùn)滑油產(chǎn)物：摩擦聚合物、積炭等。

C. 外來(lái)污染物：泥砂、灰塵、纖維等。

3)磁塞檢測(cè) (Magnetic Chip Detector)

利用安裝在潤(rùn)滑系統(tǒng)中一個(gè)磁性探頭，采集潤(rùn)滑油中的鐵磁性磨粒,然后進(jìn)行分析。特點(diǎn)

① 是一種簡(jiǎn)單的在線監(jiān)測(cè)方法；成本低，已經(jīng)成功地用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)；

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

③ 當(dāng)磁性探頭達(dá)到飽和后，磁頭就失去吸附磨粒的能力，可能會(huì)失去很多的信息，

④ 探頭一般要經(jīng)常更換，一般25～27小時(shí)更換一次，比較繁瑣；

⑤ 這種方法一般適用于單一摩擦副的監(jiān)測(cè)(如齒輪、軸承等)。

小結(jié)： 幾種常用油液分析方法的對(duì)比

★ 對(duì)磨粒尺寸的敏感范圍

光譜法對(duì)<10μm的磨粒敏感,而對(duì)大磨粒不敏感;

磁塞法對(duì)>50μm的磨粒敏感,而對(duì)小磨粒不敏感(磁矩小);

鐵譜法對(duì)10～50μm的磨粒都敏感。

★ 分析的原理不同

①光譜法是根據(jù)磨粒的成分及含量，反推出磨損程度及磨損零件;

②鐵譜法是根據(jù)磨粒的成分、形狀、數(shù)量、尺寸等反推出磨損程度、磨損零件及磨損的類型;

③磁塞法一般是根據(jù)磨粒的數(shù)量(濃度)，粗略地判斷磨損狀態(tài)。

★ 各有優(yōu)缺點(diǎn)(略)