近年來,，對船用柴油機(jī)管理理念已經(jīng)向綜合管理的方向發(fā)展,，其中包括柴油機(jī)運(yùn)行狀況、狀態(tài)檢測,、故障診斷,、趨勢預(yù)報(bào)和決策維修等,。柴油機(jī)維修也已從早期的事后維修和按計(jì)劃維修開始進(jìn)入現(xiàn)代的、基于設(shè)備狀態(tài)檢測的具有預(yù)知性的視情維修(或稱預(yù)知維修,、狀態(tài)維修),。設(shè)備狀態(tài)檢測主要包括功能性監(jiān)測診斷技術(shù)、振動噪聲監(jiān)測技術(shù)和油液檢測分析技術(shù),。油液檢測分析技術(shù)已被證明是一門費(fèi)效比相當(dāng)高的維修管理技術(shù),，目前已得到廣泛應(yīng)用。

　　一,、油液檢測分析技術(shù)簡介

　　油液檢測分析技術(shù)是指將采集到的設(shè)備潤滑油或工作介質(zhì)樣品,，利用光、電,、磁學(xué),、物理、化學(xué)等手段,，分析其理化指標(biāo),，檢測油液所攜帶的磨損和污染物顆粒，從而獲得機(jī)器的潤滑和磨損狀態(tài)的信息,，定性和定量地描述設(shè)備的磨損狀態(tài),，找出誘發(fā)因素，評價(jià)機(jī)器運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)和預(yù)測其故障,，并確定故障部位,、類型和原因。

　　油液檢測分析技術(shù)包括油品分析和磨損顆粒分析兩大技術(shù)領(lǐng)域,。油品分析是指通過監(jiān)測由添加劑損耗和基礎(chǔ)油衰變引起油品物理和化學(xué)性能指標(biāo)的變化程度來檢測機(jī)械設(shè)備的潤滑狀態(tài)和識別設(shè)備因潤滑不良引起的故障;磨損顆粒分析則通過對油液中所攜帶的磨損顆粒的大小,、形貌、材質(zhì)和數(shù)量等形態(tài)的觀測來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)的有效監(jiān)測和診斷,。油液檢測分析技術(shù)的應(yīng)用使柴油機(jī)的視情維修成為可能,，可以最大限度地降低故障和維修帶來的損失。

　　油液檢測分析技術(shù)手段主要有：油液理化指標(biāo)分析,、油液污染度檢測,、油液鐵譜分析、油液光譜元素分析,、紅外光譜分析,。對應(yīng)的油液分析設(shè)備和儀器很多，但基本也可分為三類：一是油液理化性能分析儀器,，如粘度計(jì),、水分儀、快速油液理化性能分析儀等;二是鐵譜儀，有分析式鐵譜儀(Analytical Ferrography),、直讀式鐵譜儀(Direct-Reading Ferrography),、旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀(Rotary Ferrography)、在線式鐵譜儀(Online Ferrography)等;三是光譜儀,，有發(fā)射光譜儀,、原子吸收光譜儀、紅外光譜儀,、紫外—可見光分光光度計(jì)等,。

　　1、油液理化指標(biāo)分析

　　油液理化指標(biāo)分析機(jī)理在于油液的物理,、化學(xué)性能指標(biāo)的變化,，反映油液的劣化變化程度，表明油液性能下降程度,，超過一定的數(shù)值,，就應(yīng)更換油液;另外油液被其他油液稀釋、水分或雜質(zhì)污染程度也可通過理化性能變化來檢測,。其主要分析的理化指標(biāo)有：粘度,、閃點(diǎn)、水分,、機(jī)械雜質(zhì),、凝點(diǎn)和傾點(diǎn)、極壓抗磨性能,、破乳化性,、抗乳化性、泡沫性,、低溫性能,、抗剪切安定性、防銹性能,、蒸發(fā)損失、清凈分散性,、銅片腐蝕等,。

　　2、油液污染度檢測

　　油液污染度是由于周圍環(huán)境的影響以及柴油機(jī)工作過程中產(chǎn)生的各種磨粒,，都會導(dǎo)致潤滑油的污染變質(zhì),，從而加速柴油機(jī)零部件摩擦副表面的磨損，使柴油機(jī)各零部件的性能下降,，使用壽命縮短。據(jù)統(tǒng)計(jì),，柴油機(jī)故障中45%是由于潤滑油污染而造成的,。大的磨損顆粒的存在嚴(yán)重地影響了柴油機(jī)的正常工作,，導(dǎo)致柴油機(jī)滑油系統(tǒng)失效。而通過污染度監(jiān)測可以及時(shí)凈化在用潤滑油中的污染物,，以及合理地補(bǔ)油,、換油，將柴油機(jī)滑油控制在好的清潔度上,，避免各種由于潤滑油污染引起的故障失效,。

　　3、鐵譜分析技術(shù)

　　油液鐵譜分析技術(shù)是利用高梯度的強(qiáng)磁場將油樣中所含的機(jī)械磨損磨屑(鐵磁性)按其粒度大小有序地分離出來,，通過對磨屑進(jìn)行形狀,、大小、成份,、數(shù)量,、粒度分布方面的定性和定量觀測，以判斷柴油機(jī)各零部件的磨損狀況和趨勢,，檢測柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài),，預(yù)測或診斷故障。

　　(1)機(jī)械磨損機(jī)理

　?、偾行寄p

　　此類磨損是由于一個(gè)表面穿入另一個(gè)表面而產(chǎn)生的,。其產(chǎn)生磨粒效應(yīng)與車床機(jī)加工產(chǎn)生切削相似，只是處于顯微數(shù)量級,。產(chǎn)生該種效應(yīng)的方式有：一是較硬的零件可能由于安裝不良或出現(xiàn)裂紋,，造成硬的刃邊穿入較軟的表面，此時(shí)產(chǎn)生的磨粒通常是粗大的,，其平均寬度為2-5μm,，長度為25-100μm;另一種是油液系統(tǒng)中的堅(jiān)硬的磨料顆粒，無論是石英砂一類的污染顆粒還是來自系統(tǒng)內(nèi)的零件磨屑,，均可能嵌入軟的表面(雙體磨料磨損),，磨料顆粒自軟表面伸入并穿插入相對磨損表面，此種磨損磨粒粒度與系統(tǒng)中磨料粒度成正比,，還可能產(chǎn)生極細(xì)的線性磨粒,，其厚度只有0.25μm，一般磨粒寬度不足于1μm,。

　?、跐L動疲勞磨損

　　此類磨損一般產(chǎn)生于滾動軸承，有三種類型的磨粒：疲勞剝落磨粒,、球狀磨粒和層狀磨粒,。疲勞剝落磨粒是在電蝕或麻點(diǎn)形成的，這類磨粒的最大粒度可達(dá) 100μm，初始異常狀態(tài)可以從大于10μm的磨粒數(shù)量不斷增加而加以推斷,，疲勞磨粒是平片狀的,，其長軸尺寸與厚度之比約為10:1，一般具有光滑的表面和隨機(jī)曲折的輪廓;球狀磨粒產(chǎn)生于軸承疲勞裂紋內(nèi)部,，滾動軸承的疲勞剝落是依據(jù)出現(xiàn)大量直徑為1-5μm的鋼球粒來預(yù)斷的,，滾動疲勞幾乎不產(chǎn)生大于3μm球粒，而焊接,、磨削和氣蝕等產(chǎn)生的球粒往往大于 10μm;層狀磨粒是極薄的游離金屬磨粒,，其粒度在20-50μm之間，其長軸尺寸與厚度之比約為30:1,。

　?、蹪L動、滑動復(fù)合磨損

　　此類磨損常發(fā)生于齒輪系中,，齒輪磨損類型是節(jié)線處的疲勞,、膠合、擦傷,。從齒輪節(jié)線處產(chǎn)生的磨粒與滾動軸承疲勞磨粒有許多共同點(diǎn),，他們通常均具有光滑的表面和常常不規(guī)則的外形。磨?？赡芫哂虚L軸與厚度的比值為4:1-10:1,，較厚磨粒是因?yàn)辇X輪表面存在著拉應(yīng)力的結(jié)果。齒輪因高速或過高載荷面造成膠合,，在膠合狀態(tài)下,，大磨粒與小磨粒之比很小，所有磨粒均趨于具有被拉毛的表面和不規(guī)則的輪廓,，小磨粒也可根據(jù)它們的特征與正常磨粒加以區(qū)分;一些大磨粒具有表面滑痕表明是滑動接觸,，由于膠合的熱效應(yīng)，通常有大量的氧化物存在,，一些磨粒會出現(xiàn)局部氧化跡象,，即有棕色或藍(lán)色的回火色。

　?、車?yán)重滑動磨損

　　主要由于負(fù)荷和速度的原因,，磨損表面過高時(shí)就會出現(xiàn)嚴(yán)重滑動磨損，此時(shí)切混層變得不穩(wěn)定且有大磨粒剝落,，使得磨損速度加快,。此類磨損大磨粒與小磨粒之間的數(shù)量比取決于表面被超過的程度，應(yīng)力值越高,，這一比值也越高,。

　　(2)磨損分析

　?、勹F譜磨粒分類及其特征

　　根據(jù)磨粒形成機(jī)理，可見不同的磨損形式會產(chǎn)生不同種類的磨粒,，這些種類的磨粒具有各自的明顯特征,。磨粒根據(jù)其成份可分為紅色金屬氧化物、黑色金屬氧化物,、有色金屬、黑色金屬,、非金屬等,。按磨損機(jī)理和形狀分為正常滑動磨粒,、球狀磨粒,、層狀磨粒、疲勞剝塊,、硬表面切削磨粒,、磨粒切削磨粒、嚴(yán)重滑動磨粒等,。有色金屬磨粒主要包括白色有色金屬,、銅合金、鉛錫合金磨粒等,。白色有色金屬磨粒具有明顯的非鐵磁性沉積特征,，表現(xiàn)為沉積方向隨機(jī)、長軸方向與磁力線方向不一定一致,、可能沉積于鐵磁性磨粒沉積鏈之間,、不服從鐵磁性磨粒的分布規(guī)律，白色有色金屬磨粒主要來源于含Al,，Ag,，Cr，Cd,，Mg,，Mo，Ti,，Zn等元素零件表面;銅合金磨粒在白色反射光照明下呈微紅的黃色,，比其他金屬磨粒受熱時(shí)產(chǎn)生的棕色回火色均勻，銅合金磨粒主要來自含銅的摩擦副,，如滑動軸承,、軸承支架、液壓泵的缸體等;鉛錫合金磨粒在低倍顯微鏡下呈暗黑色,，在高倍顯微鏡下呈藍(lán)色或橙黃色,，一般是熔融狀態(tài)下形成的,，沒有清晰的輪廓邊緣，鉛錫合金磨粒一般來源于軸承表面的鉛錫鍍層,。金屬氧化物磨粒包括紅色氧化鐵,、黑色氧化鐵、暗金屬氧化物磨粒,。紅色氧化鐵磨粒在潤滑條件不良時(shí)產(chǎn)生扁平的滑動磨損磨粒,，在反射白光下呈灰色，透過白光下呈無光的紅棕色,，有較高的反光效應(yīng),，但光澤較差，另外還有一部分是銹蝕顆粒,，在反射白光下呈桔黃色,，在反射偏振光下呈飽和的桔紅色，具有順磁性,，沿整個(gè)鐵譜片沉積;黑色氧化物磨粒由于嚴(yán)重潤滑不良造成,，表面粗糙不平，有極細(xì)小的藍(lán)色和桔黃色斑點(diǎn),，在振光下呈黑色,，是有效的吸光體，有磁性沉積特征;暗金屬氧化物磨粒是由于嚴(yán)重缺油,、高溫,、高熱氧化引起，呈暗灰色,，加熱時(shí)顏色不發(fā)生變化,。

　　②鐵譜磨粒識別

　　鐵譜磨粒識別的目的是識別主要磨損形式,，判斷柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài),，確定故障部位，選擇維修方式,。磨損形式主要通過提取磨粒圖像中磨粒的幾何特征,、顏色和紋理來識別;柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)主要通過磨粒圖像的統(tǒng)計(jì)特性、磨粒分布,、磨損形式等來識別;故障部位主要通過磨粒分布,、顏色來確定磨粒的材料，從而決斷特殊材料部位由磨損造成的故障,。鐵譜磨粒識別主要步驟為：制備鐵譜譜片,，獲取磨粒;顯微鐵譜磨粒圖像獲取、保存與傳輸;鐵譜圖像數(shù)字化;鐵譜圖像預(yù)處理;鐵譜圖像壓縮與存儲;鐵譜圖像進(jìn)行二維變換;鐵譜圖像背景去除,、磨粒物體分割,、磨粒邊緣提取等;磨粒特征提取;應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或人工智能將圖像中的磨粒特征進(jìn)行比較總和,，并與事先儲備的特征數(shù)據(jù)庫中的類型相比較，綜合判斷磨損類型,。

　　4,、光譜元素分析技術(shù)

　　光譜元素分析技術(shù)是應(yīng)用原子吸收光譜儀(AAS)、原子發(fā)射光譜儀(AES)和感應(yīng)耦合電離發(fā)射光譜儀(ICPES)等對油液進(jìn)行光譜分析,，通過分析油液中金屬磨粒,、添加劑、污染物化學(xué)元素的成分,、含量和對比不同時(shí)期油液中金屬含量的增加速度,，了解柴油機(jī)各摩擦副的磨損情況。光譜分析方法,，對于小顆粒比較有效，其可分析磨粒尺寸范圍在0.1—10um之間,，可以很好地分析油液中各種元素的成分,，對柴油機(jī)零部件磨損趨勢監(jiān)測效果好;根據(jù)柴油機(jī)零部件中各摩擦副的材質(zhì)組成及環(huán)境中可能存在的污染源，可確定潤滑油中各元素的來源以及可能的產(chǎn)生原因,，見表1,。

表1 潤滑油中關(guān)鍵元素的來源及產(chǎn)生原因

　　　5、紅外光譜分析

　　油液紅外光譜分析技術(shù)主要用于對油液的老化程度和污染狀況進(jìn)行定性和定量分析,。

　　從廣義上講,，各種電磁輻射都有光譜。由原子的核外電子能級躍遷所形成的光譜,，屬原子光譜,，而由分子的振動轉(zhuǎn)動能級躍遷形成的光譜，為分子光譜,。因其波長通常出現(xiàn)在紅外區(qū)段，故稱作紅外光譜,。油液紅外光譜分析技術(shù)通過對在用潤滑油進(jìn)行紅外光譜分析,，正是利用這一原理實(shí)現(xiàn)對油液中各種分子或分子基因性質(zhì)及狀態(tài)的評定，實(shí)現(xiàn)對油液內(nèi)不同分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的變化內(nèi)因進(jìn)行分析檢測,，其常用的表征參量為：氧化度,、硝化度、硫酸鹽,、抗氧劑損耗,、抗磨劑損失、總酸值,、總堿值,、燃油稀釋、水污染和積炭污染等,。

　　二,、油液檢測分析技術(shù)應(yīng)用案例

　　油液檢測分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于在船用柴油機(jī)故障診斷中。某船舶,，柴油機(jī)為12E390VA型號的中速柴油機(jī),，功率8000馬力，采用濕式曲軸箱承油盤潤滑系統(tǒng),?；陀推放铺枮镃D40,。

　　在以往的油液定期監(jiān)測過程中，該船主機(jī)潤滑油性能都比較穩(wěn)定,，各元素含量均在規(guī)定范圍以內(nèi),。但有一次送檢的潤滑油油樣經(jīng)光譜分析發(fā)現(xiàn)潤滑油中鐵(42.7PPm)、銅(26.23PPm)偏高,，鈉(227.87PPm),、鎂(216.92PPm)元素含量超標(biāo)。鐵,、銅元素可能來自主機(jī)摩擦副,，鈉、鎂元素可能來自海水或添加劑,，初步確定該油樣幾種元素超標(biāo)的原因可能是主機(jī)進(jìn)海水或者由于加入了添加劑,。

　　為了進(jìn)一步判明該油樣中鐵(42.7PPm)、銅(26.23PPm)偏高,，鈉(227.87PPm),、鎂(216.92PPm)元素含量超標(biāo)的原因，采集了與該油樣同批次但沒有經(jīng)過循環(huán)的新油油樣進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)對比分析,。分析儀器是超譜—M型油料分析光譜儀,，分析數(shù)據(jù)表明，新油中鈉(6.55PPm),、鎂(7.82PPm)含量均在規(guī)定的范圍以內(nèi),，可以排除添加劑引起該船主機(jī)潤滑油中鈉(227.87PPm)、鎂(216.92PPm)含量超標(biāo),。那么,，該潤滑油中鐵(42.7PPm)、銅(26.23PPm)偏高,，鈉(227.87PPm),、鎂(216.92PPm)元素含量超標(biāo)的最可能原因就是潤滑油中進(jìn)海水。

　　為了進(jìn)一步判明原因,，再對該油樣進(jìn)行了鐵譜分析,，分析儀器包括YTF-6分析式鐵譜儀、OLYMPUS DP20顯微鏡數(shù)碼照相機(jī),、OLYMPUS BX40鐵譜顯微鏡,，譜圖見圖一。

　　圖一共包括四個(gè)小圖,，這四個(gè)小圖是在鐵譜顯微鏡將譜片放大500倍情況下拍攝的,。圖1表明譜片鐵系正常磨粒鏈上附著了大量的桔紅色三氧化二鐵團(tuán)狀顆粒，原因?yàn)闈櫥椭羞M(jìn)水;圖2為一銅質(zhì)疲勞磨損顆粒;圖3為一滾動疲勞球磨粒;圖4為一鐵系嚴(yán)重滑動磨損磨粒。

   　　某船12E390VA型主機(jī)潤滑油鐵譜譜圖

　　鐵譜譜圖分析表明潤滑油中進(jìn)水,，導(dǎo)致難以形成穩(wěn)定的油膜而產(chǎn)生潤滑不良,，該船主機(jī)摩擦副已經(jīng)發(fā)生了粘著、腐蝕和疲勞磨損,，如果不及時(shí)消除故障隱患,，可能導(dǎo)致主機(jī)不可預(yù)期的災(zāi)難性損壞。

　　為了驗(yàn)證分析結(jié)果,，對該在用潤滑油樣進(jìn)行了水分分析,，分析儀器是A1070微量水分測定儀，分析結(jié)果是油樣水分含量0.3796%,，超標(biāo),。那么可以確定該潤滑油中鐵(42.7PPm)、銅(26.23PPm)偏高,，鈉(227.87PPm),、鎂(216.92PPm)含量超標(biāo)的原因就是潤滑油中進(jìn)入了海水。

　　確定了該油樣中鐵(42.7PPm),、銅(26.23PPm),、鈉(227.87PPm)偏高，鎂(216.92PPm)含量超標(biāo)的原因,，再查找海水冷卻系統(tǒng),，隨后對該船主機(jī)海水冷卻系統(tǒng)泄漏部位進(jìn)行了及時(shí)修理，并清洗主機(jī)滑油艙,，更換主機(jī)潤滑油;同時(shí)檢查修復(fù)了該主機(jī)摩擦副,，迅速消除了破損部位故障和磨損隱患。

　　在這個(gè)柴油機(jī)潤滑油監(jiān)測實(shí)例中,，通過油液光譜元素分析、鐵譜譜圖研究和精密水分分析,，及時(shí)預(yù)報(bào)了柴油機(jī)的潛在故障,，修復(fù)了故障部位，成功地避免了主機(jī)災(zāi)難性損壞,，減少了設(shè)備的停機(jī)檢修時(shí)間,，節(jié)約了維修費(fèi)用。由此可見,，油液檢測分析技術(shù)在船舶用柴油機(jī)故障診斷中發(fā)揮了重要的作用,，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。