直读铁谱在舰船机械状态监测上的应用

杜柱石，何 雷

（海军91202 部队，辽宁 葫芦岛 125004）

现代舰船种类型号多样，舰船上需要使用润滑油的机械设备更是多种多样，包括主机、副机、齿轮箱等设备，在这些舰船机械发生的故障类型里，磨损类故障占机械设备总故障率的60%～70%。因此，利用润滑油分析技术对磨损类故障诊断，是非常有效的手段。

铁谱技术是利用高梯度的强磁场，将机械润滑油中所含的产生于磨损或其他的机理磨粒，按其粒度大小依序分离出来，并通过对磨粒的形貌、大小、成分以及粒度分布等，进行定性和定量观测，获得有关摩擦副和润滑系统工作状态的重要信息。直读式铁谱仪主要用来进行定量分析，即监测油液中的粒度分布情况，进而得出油液的污染度和机械的磨损度。通过对分析油样的快速测试和定量数据的趋势评估，回答设备“是否有问题”。

铁谱技术可分析润滑油中所含铁磁性金属磨损颗粒，其中分析铁谱可进行定性分析，直读铁谱可进行定量分析。通过对磨粒的定性、定量分析，可达到监测机械设备用油部位磨损状态及故障诊断的目的。直读铁谱仪操作迅速、简便，且价格低廉，可应用于油润滑的机器中，作为防止零件失效的判断（预测）方法，它对于零件磨损加剧的征兆—磨屑浓度和尺寸分布的变化是很敏感的，特别是针对舰船的传动系统、液压系统的轴承等易磨损部位。

本文采用ZTP-X2 型直读铁谱仪，对某型船用齿轮箱在用润滑油进行了跟踪监测。

1 直读铁谱仪分析方法

直读铁谱仪能够定量地分析油样中大小磨粒的浓度，是一种定量分析的铁谱仪，具有结构简单、制谱与读谱合二为一、分析过程简便迅速并且价格便宜的优点。

1.1 常用定量分析判据

直读铁谱仪以DL和DS为基本定量分析参数，即每mL 分析油液中，存在的磨粒相对含量百分数，单位为%/mL，其中DL表征大磨粒（＞5 μm），DS表征小磨粒（1～2 μm）。

DL和DS可以粗线条地表征油样中磨粒的粒度分布特点，但如果要全面、灵敏地反映油样中磨粒量的变化，还需要其他定量分析判据。

（1）LPC 为磨损烈度。定义：LPC=DL- DS，为大、小磨粒读数之差。其含义为在总磨损量中，严重磨损的大颗粒所占比重的大小。它是不正常磨损的一个重要标志，对大磨粒的变化比较敏感。

（2）IS为磨损烈度指数。定义：IS= DL×（DL-DS），它同时敏感于油样中的磨粒总量和大磨粒的浓度，综合地反映了磨损速率和磨损量。

（3）WPC 为磨粒浓度。定义：WPC=（DL+DS）/N，N 为分析油样的体积分数稀释度，常用于需要经常调整油样量或磨粒浓度需要稀释的场合。

（4）PLP 为大磨粒百分数。定义：PLP= [(DL–DS)/（DL+DS）]×100%，PLP 主要反映大磨粒量占总量的份额，对于机器的严重磨损十分敏感。

（5）∑（DL+DS）和∑（DL - DS）为磨粒浓度和磨损烈度累加值。

这是两个同时使用的判据。在稳定的正常磨损阶段，两指标在对时间的曲线图上，都应是斜率不变、平行走向的直线。一旦斜率陡增，而且突然相互靠拢，则表明出现异常磨损。

选择哪一项指标作为定量分析的判据，要根据应用场合的具体情况而定，并非越复杂越好。对于粒度分布差异较小的船用机械设备油样，因为DL与DS值十分接近，为了提高判据的灵敏度，就可以选择IS（磨损烈度指数）判据，IS同时敏感于油样中的磨粒总量和大磨粒的浓度，综合反映磨损速率和磨损量，比较适用分析磨粒浓度值偏小的润滑油。

1.2 磨损定量趋势分析

设备在运转期内，其磨损过程分为3个阶段：磨合阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。

设备工作状态正常时，铁谱定量分析判据随着时间的变化趋势平缓，通过对大量的样本测试数据求平均值，可以得出设备运转正常的磨损基线值，从而定出3 条控制线，以便从时间上把握设备的工况和磨损状态，3 条控制线包括：基准线、警告线和危险线，如图1 所示。

图1 三线值法示意图

1.3 控制线数值的计算方法

3 条控制线数值计算方法如下：

（1）基准值Vb。Vb=0.8（D+2 S），式中，D 为“正常”样本{Di }(i =1，2，…，n)的数学期望值，即算术平均值。

（2）警告值VW。VW=D+S2。以样本{Di}的统计量标准方差S2作为随机方差б2的估计量，其中，S即样本标准差。

（3）危险值Vc。Vc=D+3S。

1.4 判断结论

在建立3个阈值之后，对于一个己测出直读数DL和DS，并计算出IS值的油样，在判断其是否正常时，按以下几种情况，分别得出各自的结论：

（1）当监测的特征参数IS＜Vb时，磨损状态处于正常区域，设备能够安全可靠地工作；

（2）当Vb＜IS＜VW时，是发展为异常磨损的前兆，有必要引起注意，应加强对设备的监测，一旦发现问题可及早处理；

（3）当VW＜IS＜Vc 时，磨损状态处于警告区域，此时设备的磨损处于异常状态。由异常磨损达到失效需要经历一个过程，在这一过程中磨粒的IS值将以较快速率增大，虽然发生了不正常磨损，但还不至于立即发生故障失效，因此，称VW为警告线，可据此立即采取措施，避免状况的恶化；

（4）当监测的特征参数IS＞Vc 时，磨损状态处于危险区域，磨损量的增长速度很高，机械将发生故障失效。

实际操作时，如果有了基线，就可以将某一次检测值与3 条线相比较，判断出这台设备的状态优劣。

2 监测控制线的建立

2.1 分析参数的测定

以从现场取得的一批某船齿轮箱润滑油作为测定对象，利用ZTP-X2 型直读铁谱仪测定DL和Ds值，然后计算出IS，测定和计算值见表1 所示(由于数据量过大，只列出部分数据)。

表1 某船齿轮箱润滑油直读铁谱试验数据

2.2 控制线的建立

对表1 中所得试验数据，可得IS的标准差S 为2.28，按前述公式计算可得

Vb=6.26，VW=7.83，Vc=10.11。

综上所述，得出该齿轮箱直读铁谱监测数据预测方法，见表2 所列。

表2 某齿轮箱直读铁谱监测数据预测方法

3 监测实例

为检验直读铁谱控制线的实效性,继续监测该设备10个油样,监测数据如表3 所示。

表3 某齿轮箱润滑油直读铁谱监测数据

如表3 所列，该齿轮箱累计工作188 h 时，润滑油直读铁谱监测特征参数

Is（14.75）＞Vc（10.11）。

表明该齿轮箱油润部件磨损状态处于危险区域，并且磨损量的增长速度很高，机械可能将发生故障。

经对润滑系统检查发现，油箱油量正常；润滑油中有金属屑，磁塞有较多金属屑，润滑油滤上有较多金属屑，最大一块为2 mm×3 mm 薄片，多为屑末状；转子前部，有异常磨损噪声。

进一步检查发现，存在轴承破损，金属屑随润滑油流动，大量金属屑将油滤堵住，安全活门打开，没有经过油滤的润滑油直接进入主机和外置机匣。

4 结束语

对于船用机械磨损状态润滑油监测而言，直读铁谱监测特征参数Is 的选择是合理准确的，由于发现及时，从而避免了一起事故。

该设备润滑系统经更换部件、整体清洗换油后，Is 值恢复为基准值Vb以下，说明该设备油润部件处于正常磨损状态，该设备实际运行过程中，也未出现异常状况，保证了安全。