铁谱分析技术在柴油机故障监测和诊断中的应用

王立华+赵东升+张健

摘 要：本文介绍了铁谱分析技术的工作原理、分类以及柴油机常见故障的磨粒图谱特征，运用铁谱分析技术对舰船柴油机运行故障进行监测与故障诊断，预先发现柴油机早期缺陷与故障，逐步实现柴油机状态的预先维修，为舰船柴油机的使用与维修提供可靠依据，可以有效保证舰船柴油机的安全可靠运行。

关键词：铁谱分析技术；柴油机使用与维修；故障监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.027

1 前言

随着科学技术的不断发展，装备管理的理念已经从常规管理向综合管理的方向发展，形成了装备管理的现代模式。

油液分析技术的主要作用[1，2]包括：（1）确定设备合理的换油时机；（2）检验设备用油品质，防止假油或油错用对设备造成损害；（3）确定设备主要磨损机理及磨损程度，实现设备资源合理调度；（4）诊断正在发生或潜在故障，为设备维修决策提供依据；（5）对设备的合理润滑提供技术支持，实现设备的科学维护与保养；（6）为润滑油、摩擦副等相关零部件的改进和创新提供科学依据。

2 铁谱分析仪器的分类及工作原理

实施铁谱分析技术的重要工具之一是铁谱仪，铁谱仪运用比较广泛的主要有四类[1，2]：（1）分析式铁谱仪；（2）直读式铁谱仪；（3）旋转式铁谱仪；（4）在线式铁谱仪。

2.1 分析式式铁谱仪

分析式铁谱仪工作原理如图1所示。

微量空气泵以极小的流量将试管内的油样压滴在以一定角度倾斜放置的高梯度强磁铁上方的铁谱基片上（倾斜角度为1?～2?左右）。在铁谱基片上有一U形憎油性限流带，限制油样在基片上沿垂直于磁铁磁力线的方向由上向下流动。借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸分布、成分、类型等特征信息，这些磨粒能够传递出机械摩擦副磨损状态的重要信息。

2.2 旋转式铁谱仪

旋转式铁谱仪的工作原理是利用离心力和磁场的联合作用，将油液中的磨损颗粒分离出来，按规则排列沉积在铁谱基片上；借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸分布、成分、类型等，测得内圈大磨粒读数Di和外圈小磨粒读数Do，从而确定设备磨损的状况。

2.3 在线式铁谱仪

在线式铁谱仪是一种基于特种传感器嵌入被检测设备内部的在线监测设备。在线式铁谱仪直接安装在现场柴油机润滑系统的循环油路中，液体中的磨粒被磁场分离出来，磨粒按尺寸大小沉积，然后经专用传感器对磨粒进行简单的定量分析，可直接提供油液中磨粒密度的在线读数和大磨粒的百分比。通过磨粒浓度和大磨粒数量，可以判断柴油机磨损状态和故障前兆。

3 柴油机润滑油中常见磨粒

（1）柴油机拉缸。柴油机拉缸前从润滑油中分离出的球形颗粒，分析产生机理为：金属表面粘着磨损，局部接触点瞬间很高的闪温使材料处于熔融状态，在迅速冷却中重结晶形成，可作为柴油机拉缸的重要判据。（2）柴油机活塞破裂。柴油机活塞裙部破裂产生的铝合金块状颗粒，分析其产生机理为：接触疲劳，疲劳裂纹逐渐扩展形成的。

（3）柴油机轴瓦磨损。柴油机轴瓦磨损产生的疲劳磨损颗粒是由于表面接触疲劳形成的，分析可见主要成分为铜合金颗粒。（4）柴油机中的切削磨损颗粒。由于硬质颗粒或硬的凸起的切削作用而造成摩擦副表面材料脱落形成的颗粒。

4 铁谱分析技术应用实例

2014年，某型高速大功率柴油机，其运行时间近三万小时， 日常保养时对柴油机润滑油进行监测，各项理化指标正常，但在铁谱分析中发现润滑油中出现较多的铜合金异常磨损颗粒，颗粒的数量较多；有较多疲劳磨粒，最大尺寸为21×37μm；有较多滑动磨粒，最大尺寸为27×51μm；有少量片状磨粒，最大尺寸为38×25μm。由于铁谱分析发现该柴油机存在较严重问题，立即对过滤器进行清洗，并对机油进行了反复的精细过滤处理。继续运转了592小时后，再次取样分析，铁谱分析的结果发现铜合金异常磨损颗粒数量仍然较多，且颗粒较大，异常磨损依然存在。对该柴油机安排拆机检修，拆机结果发现右五缸连杆小端铜套松动，且已经严重划伤，连杆小端铜套已经发生严重磨损。由于及時安排拆机检修，只需要更换右五缸连杆小端铜套，避免了柴油机发生严重故障。

5 铁谱分析技术应用分析及趋势

在用户角度，一是定期对油品进行铁谱分析，可以有效判断柴油机的磨损状态和故障前兆信号，能有效改善以往按工作时间定检、及各级别保养的维护保障机制。二是在用户最关注的在线的柴油机状态监测和故障诊断方面，铁谱分析技术和设备的应用发展方向有以下两个方面：

一是铁谱分析技术离线和在线技术的结合。

二是铁谱分析技术与其他状态检测诊断技术的综合。

6 结论

铁谱分析技术能鉴别机械摩擦副在不同磨损状态下所产生的各种特征磨损微粒。它着重于对金属磨粒的形貌、大小及成分的微观分析，直观地获得机械主要摩擦副表面的磨损情况。柴油机存在很多摩擦副组件，运用铁谱分析技术对柴油机进行监测诊断，能够及早发现柴油机存在的早期故障，为柴油机的使用与维修提供可靠的技术支持，降低柴油机全寿命周期费用，延长使用寿命。

参考文献：

[1]杨其明，严新平，贺石中.油液监测分析现场实用技术[M].北京：机械工业出版社，2006（08）.

[2]杨志伊，郑文.设备状态监测与故障诊断[M].北京：中国计划出版社，2006（06）.