原子发射光谱分析技术在船舶中间轴承监测诊断中的应用

于 涛

(中国人民解放军91315部队，辽宁 大连 116041)

0 引言

船舶中间轴承用来承受中间轴的重量及因轴系变形和运动造成的附件径向负荷，承受与中间轴相对运动时的摩擦与磨损。中间轴承工作表面的主要失效形式有磨损、裂纹、剥落、胶合、烧熔等[1]。油液监测技术是将采集到的润滑油样品，利用光、电、磁学等手段，分析其理化指标、检测所携带的磨损和污染物颗粒，从而获得机器的设备润滑和磨粒状态的信息，定性和定量地描述设备的磨损状态，找出诱发因素，评价机器的工况和预测机器故障，并确定故障部位、原因和类型[1-5]。

1 原子发射光谱技术

原子发射光谱是利用气体火焰、交流或直流电弧、等离子体火焰等方式激发油液试样，使油样中各微量元素的原子释放出具有特征频率的光子，从而获得发射光谱。测量谱线的波长以及谱线的相对强度，进而求得油样所含元素成分以及含量[6]。

1.1 直读原子发射光谱仪

直读原子发射光谱仪将分光后的各单色光照射在与各元素谱线位置相吻合的光电转换器件(如光电倍增管)上，光能直接转化为电流，电流的大小与光能的强弱成增函数的关系。通过校准和A/D转换，可以直接读出元素的浓度值。直读原子发射光谱仪工作原理及其分析系统的主要构成见图1。

1.2 原子发射光谱分析方法

通过原子发射光谱分析可以得到润滑油中的各种微量元素成分及其含量，获取数据信息包括：(1)磨损元素的成分和含量，铁、铬、铅、铜、锡、铝一般为磨损特征金属元素，根据设备运动摩擦副零件的材料构成以及磨损元素的成分和含量，可以判断磨粒产生的可能部位及磨损程度；(2)添加剂元素及污染物元素的成分及含量，磷、钙、锌是添加剂元素，硅、硼、钠、镁是监测粉尘污染和水分污染特征元素，根据润滑油的性能要求，添加剂元素及污染物元素的成分和含量可以判断润滑油的劣化变质程度；(3)磨损元素变化率为单位时间内主要磨损元素含量的变化(磨损梯度)，可以表征磨损增长速度[7-15]。

2 应用实例

2019年9月至11月对某型船舶航行期间中间轴承采用油液监测技术手段进行跟踪监测诊断。

2.1 油液取样

取样对象：2根轴系4个中间轴承；取样周期：每运行200 h；取样部位：油位计量油尺套管；取样时机：轴系正常稳定工况；取样方法：取样器取样。

2.2 监测仪器

超谱M型原子发射光谱仪具有分析速度快、读数准确、重复性好、分析容量大等特点，可直接显示元素的含量。该仪器的标准配置是分析19个元素，铁、铬、铅、铜、锡、铝、镍、银、硅、硼、钠、镁、钡、磷、钙、锌、钼、钛、钒。检测数据单位是μg/g，是一个相对含量。

2.3 监测数据分析

监测数据经分析整理，分别采用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准进行诊断，结果表明添加剂元素及污染物元素的成分及含量均正常，表征柴油机磨损类的铁、铜、铅和锡元素含量偏高。选取铁、铜、铅和锡元素绘制含量趋势图，见图2～图5。

图2 铁元素含量趋势

图3 铜元素含量趋势

图4 铅元素含量趋势

图5 锡元素含量趋势

运用绝对判别法参考船舶中间轴承金属元素含量经验预警值(铁：30 μg/g；铜：10 μg/g；铅：5 μg/g；锡：5 μg/g)和异常值(铁：50 μg/g；铜：20 μg/g；铅：10 μg/g；锡：10 μg/g)标准，综合分析图2～图5的数据，可以看出3号中间轴承工作19600 h，油液中铅、锡元素含量超过经验预警值，工作19800 h，油液中铜元素含量接近经验预警值。

运用相对判别法综合分析图2～图5的数据，可以看出3号中间轴承工作19400～19800 h之间，油液中铁、铜、铅、锡元素含量增加较快。

运用类比判别法综合分析图2～图5的数据，可以看出3号中间轴承工作19400～19800 h之间较1、2和4号中间轴承铁、铜、铅、锡元素含量均偏高。

综合分析图2～图5的数据，可以看出3号中间轴承工作20000 h后，油液中铁、铜、铅、锡元素含量正常。

2.4 故障检修

针对3号中间轴承工作19600 h油液中铁、铜、铅、锡元素含量偏高的情况，经检查发现该轴承润滑油油量不足，采取了补充润滑油的检修工作。针对3号中间轴承工作19800 h油液中铁、铜、铅、锡元素含量持续上升的情况，判断3号中间轴承可能存在磨损故障，参考船舶中间轴承润滑油换油标准(累计工作每20000 h更换润滑油)，采取了更换3号中间轴承润滑油和检修该轴承工作。

2.5 故障分析

所监测3号中间轴承存在磨损，铁、铜元素主要来源于轴和轴承，锡元素主要来源于轴瓦。轴承端盖密封胶圈断裂磨损是造成该轴承磨损的直接原因，铅元素主要来源于密封件，旧的密封胶圈黏合处断裂且磨损量达1 mm。该故障产生原因可能系船舶航行期间气象条件较差，导致船体和轴系振动加大，引起轴承端盖密封胶圈断裂导致中间轴承磨损。

3 结束语

原子发射光谱分析技术是机械设备状态监测和故障诊断的主要手段之一，利用原子发射光谱仪不需要对油样进行预处理，适用于船舶连续航行期间船舶中间轴承监测诊断，能够准确诊断出磨损故障。原子发射光谱技术适用于各类具有封闭或半封闭润滑系统的机械设备，在设备磨损机理研究、判定润滑油污染程度、确定润滑油添加剂损耗情况、定制合理的换油周期等多个方面均获得了广泛的应用。