近年來(lái)，對(duì)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(cè)、故障診斷、趨勢(shì)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(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)代的、基于設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)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(cè)主要包括功能性監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)、振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)和油液檢測(cè)分析技術(shù)。油液檢測(cè)分析技術(shù)已被證明是一門(mén)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(cè)分析技術(shù)簡(jiǎn)介

　　油液檢測(cè)分析技術(shù)是指將采集到的設(shè)備潤(rùn)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(cè)油液所攜帶的磨損和污染物顆粒，從而獲得機(jī)器的潤(rùn)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(píng)價(jià)機(jī)器運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)和預(yù)測(cè)其故障，并確定故障部位、類型和原因。

　　油液檢測(cè)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(guò)監(jiān)測(cè)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(lái)檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑狀態(tài)和識(shí)別設(shè)備因潤(rùn)滑不良引起的故障;磨損顆粒分析則通過(guò)對(duì)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(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)和診斷。油液檢測(cè)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(lái)的損失。

　　油液檢測(cè)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(cè)、油液鐵譜分析、油液光譜元素分析、紅外光譜分析。對(duì)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(jiàn)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(guò)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(guò)理化性能變化來(lái)檢測(cè)。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(cè)

　　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(guò)程中產(chǎn)生的各種磨粒，都會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)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(rùn)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(guò)污染度監(jiān)測(cè)可以及時(shí)凈化在用潤(rùn)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(rùn)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(chǎng)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(lái)，通過(guò)對(duì)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(cè)，以判斷柴油機(jī)各零部件的磨損狀況和趨勢(shì)，檢測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)或診斷故障。

　　(1)機(jī)械磨損機(jī)理

　　①切屑磨損

　　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(jí)。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(zhǎng)度為25-100μm;另一種是油液系統(tǒng)中的堅(jiān)硬的磨料顆粒，無(wú)論是石英砂一類的污染顆粒還是來(lái)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(duì)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。

　　②滾動(dòng)疲勞磨損

　　此類磨損一般產(chǎn)生于滾動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(lái)預(yù)斷的，滾動(dòng)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(zhǎng)軸尺寸與厚度之比約為30:1。

　?、蹪L動(dòng)、滑動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(guò)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(dòng)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(huì)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(dòng)磨損

　　主要由于負(fù)荷和速度的原因，磨損表面過(guò)高時(shí)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重滑動(dòng)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(guò)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(jiàn)不同的磨損形式會(huì)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?；瑒?dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(lái)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(lái)自含銅的摩擦副，如滑動(dòng)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(méi)有清晰的輪廓邊緣，鉛錫合金磨粒一般來(lái)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(rùn)滑條件不良時(shí)產(chǎn)生扁平的滑動(dòng)磨損磨粒，在反射白光下呈灰色，透過(guò)白光下呈無(wú)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(rùn)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。

　?、阼F譜磨粒識(shí)別

　　鐵譜磨粒識(shí)別的目的是識(shí)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(guò)提取磨粒圖像中磨粒的幾何特征、顏色和紋理來(lái)識(shí)別;柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)主要通過(guò)磨粒圖像的統(tǒng)計(jì)特性、磨粒分布、磨損形式等來(lái)識(shí)別;故障部位主要通過(guò)磨粒分布、顏色來(lái)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(shí)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(chǔ);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(chǔ)備的特征數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)油液進(jìn)行光譜分析，通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)柴油機(jī)零部件磨損趨勢(shì)監(jiān)測(cè)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(rùn)滑油中各元素的來(lái)源以及可能的產(chǎn)生原因，見(jiàn)表1。

表1 潤(rùn)滑油中關(guān)鍵元素的來(lái)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(duì)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(jí)躍遷所形成的光譜，屬原子光譜，而由分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷形成的光譜，為分子光譜。因其波長(zhǎng)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(guò)對(duì)在用潤(rùn)滑油進(jìn)行紅外光譜分析，正是利用這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)油液中各種分子或分子基因性質(zhì)及狀態(tài)的評(píng)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)，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(cè)分析技術(shù)應(yīng)用案例

　　油液檢測(cè)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(hào)的中速柴油機(jī)，功率8000馬力，采用濕式曲軸箱承油盤(pán)潤(rùn)滑系統(tǒng)?；陀推放铺?hào)為CD40。

　　在以往的油液定期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，該船主機(jī)潤(rùn)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(rùn)滑油油樣經(jīng)光譜分析發(fā)現(xiàn)潤(rùn)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(lái)自主機(jī)摩擦副，鈉、鎂元素可能來(lái)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(méi)有經(jīng)過(guò)循環(huán)的新油油樣進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)對(duì)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(rùn)滑油中鈉(227.87PPm)、鎂(216.92PPm)含量超標(biāo)。那么，該潤(rùn)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(rùn)滑油中進(jìn)海水。

　　為了進(jìn)一步判明原因，再對(duì)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(jiàn)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?rùn)滑油中進(jìn)水;圖2為一銅質(zhì)疲勞磨損顆粒;圖3為一滾動(dòng)疲勞球磨粒;圖4為一鐵系嚴(yán)重滑動(dòng)磨損磨粒。

   　　某船12E390VA型主機(jī)潤(rùn)滑油鐵譜譜圖

　　鐵譜譜圖分析表明潤(rùn)滑油中進(jìn)水，導(dǎo)致難以形成穩(wěn)定的油膜而產(chǎn)生潤(rùn)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(duì)該在用潤(rùn)滑油樣進(jìn)行了水分分析，分析儀器是A1070微量水分測(cè)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(rùn)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(rùn)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(duì)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(rùn)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(rùn)滑油監(jiān)測(cè)實(shí)例中，通過(guò)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(jiàn)，油液檢測(cè)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(huì)效益。