浅析工程船舶动力机械状态监测与故障诊断现状及发展

2021-04-03林驰陈军王波赵鑫陈海峰

中国设备工程 2021年22期

林驰，陈军，王波，赵鑫，陈海峰

（江苏省水利机械制造有限公司，江苏扬州 225000）

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。状态监测与故障诊断(Condition Monitoringand Fault Diagnosis，CMFD)技术是一种集合了众多学科和多种技术的综合性技术，可以让不同分析方法进行高效整合，以实现对故障源及故障程度的精准判定，并据此判断设备状态的发展趋势，以建立对于设备的针对性维修养护。

1 研究工程船舶动力机械CMFD技术的必要性

水运交通事业的持续发展在一定程度上提高了对巷道疏浚整治工作的要求，需要积极展开对污染河湖的环境治理，也因此彰显了挖泥船在巷道疏浚及工程整治、港口建设等多项过程中的作用。在疏浚事业高速发展的背景下，为了更好地适应工况的需求，使工程施工的要求得到切实满足，要求积极探索全新的泥船开挖类型，同时丰富其容量，以更好地适应机械设备的先进化和复杂化方向趋势。此外，由于挖泥船的作用和管理机制都与传统的运输船舶存在一定的差异，其工作的环境相对较为恶劣，在一定程度上提升了故障的发生概率，一旦未能进行充分管理，则可能对其自身安全性造成越严重限制，进而影响航道疏浚维护的整体质量，对其他各类船舶的通航造成严重影响。为此，要求针对船舶动力装置进行积极的监测及故障诊断，以便在出现故障前兆的第一时间提出积极可行的措施，为后续维修保养工作的高效开展提供充足的技术参数库。同时，为做出高效的设备维修决策确定最科学的指导，以切实降低事故发生的概率，做好各项保障工作。

积极开展状态监测技术，让故障诊断的技术水准得到切实提升，一般具有如下意义。

1.1 强化船舶维修制度改革

针对工程船舶CMFD技术予以深入研究，以强化其应用，可以有效提升维修保障模式的强度，依托人员的经验，让维修保障模式得以朝向技术手段方向发展，针对现阶段较为落后的维修手段和船舶预防性维修机制进行优化改造，以更好地应对及处理当下维修机制中所存在的各类问题，构建以视情维修为基础，以高可靠性为核心的现代化维修机制，打造高质量的船舶维修制度改革模式，以更好地适应现代化工程船舶的建设及维修需求。

1.2 减少工程维修成本

在工程船舶动力机械领域中运用CMFD技术，有利于及时发现事故的征兆并予以预防，以充分降低计划外维修的费用，在最大程度上消除冗余的检查项目，同时，采取积极的计划内维护措施，以降低过剩维修的可能，有效规避突发故障的风险。借助CMFD技术，有利于充分延长系统零部件的使用期限，让设备检修周期得到切实延长，让设备维修的精度和速度得到充分保障，在减少工程维修成本的前提下，争取最大化的经济效益，以提升工程船舶动力机械维修的合理性，让设备的利用率得到充分提升，以收获良好的经济和社会效益。

1.3 提升故障预测水平

在工程船舶动力机械检修阶段运用CMFD技术，可以在最大程度上提升系统的故障预测水平，以充分保障系统的安全性。依托CMFD技术，有利于充分把握系统的实际运行状态，以便及时采取有效的措施和手段，实现对故障发展趋势的充分判断，让故障得以消除，以切实降低系统停机及故障突发的风险，让系统运行的稳定性得到充分提升，同时，保障系统运行的可靠性。

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。一般而言，可以应用时域分析法和频域分析法两种方法进行船舶动力状态监测及故障诊断。

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 船舶动力机械领域CMFD技术发展趋势及研究方向

3.1 CMFD技术基础研究

充分结合工程船舶的实际运行特点，展开对动力机械系统运行状态及故障原因的分析，基于产品设计的理念予以分析，充分利用各类监测手段，展开对工程船舶动力机械CMFD技术和系统的全面系统研究，以确定其在全过程全生命周期之中的基础设计理论体系，明确其中的各项技术指标，让船舶动力机械系统的监测点得以实现科学分布，同时，借助有效的传感器方法，确定最合理的工程船舶动力机械CMFD系统评价分析理论方法。