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船舶柴油机拉缸故障振动诊断技术
柴油机是目前占主导地位的船舶动力装置之一，在船舶运行中故障率也是最高的。对柴油机故障及时准确地检测和诊断，是防止故障发生并把故障排除在萌芽状态的关键，而常见故障中又以“拉缸”现象出现最为频繁。[1-3]据某远洋运输公司统计，其属下船舶发生的54起主机故障中，拉缸出现8起，占14.8%。如某船是1997年建造的第5代集装箱船，主机型号为MAN-B&W-10L90MC，由于活塞环与缸套材料不匹配，运转12000h内出现多次拉缸现象导致活塞环断裂甚至缸套裂纹。柴油机拉缸现象引起柴油机制造厂家和广大航运界柴油机用户的高度重视。[4-8]如何在拉缸故障初期就对柴油机检测并加以诊断，及时采取有效的措施减少损失，避免更大的事故发生，已经成为业内人士广泛关注的柴油机故障诊断课题之二。
1 柴油机拉缸故障的表现和传统诊断方法
“拉缸”是柴油机运行中常见的严重故障之一，是活塞、活塞环或活塞销在缸套中运动时，因某种原因造成部分零件损坏形成干磨擦，使缸套表面或者活塞因相互作用被拉伤、拉毛或划出沟纹而影响柴油机正常运转的严重磨损损伤现象。[9-13]
船舶柴油机的拉缸一般出现在新船出厂后的磨合初期和船舶大修以后的磨合试运行期间，在成熟产品的使用中也常发生，特别是高速强化柴油机在试车、磨合、试航、大风浪航行、登陆等不正常工况条件下工作时发生拉缸的可能性更大。[14]柴油机出现拉缸现象时，轻者柴油机尚能运转，但起动困难、功率下降、排出大量黑烟、振动加剧、机体内发出敲击声，有可能会从加机油口处看到青烟冒出；重者活塞卡死在缸套里，发生胀缸或咬缸事故，柴油机熄火，曲轴无法转动，活塞、活塞环、缸套等零部件严重损坏。[15]低速柴油机拉缸破坏的过程比较长，而中高速柴油机拉缸破坏过程一般仅有几十分钟，甚至几分钟内发生巨大破坏。
理论上可造成拉缸的原因主要有以下几方面：
气缸润滑；冷却和排气；活塞环或活塞销卡环故障；活塞和缸套；柴油机设计方面；运行维护等。[16-19]
油机拉缸的表现来进行故障诊断的传统方法主要依靠操作人员听觉、视觉、触觉等方面的实船经验来进行判断。这需要操作人员有较高的素质和负责的工作态度，主观性很强，而且拉缸事故发生到可以被轮机员觉察的程度，柴油机的缸套和活塞等部件的磨擦拉伤已经非常严重。[20-22]
对柴油机的滑油进行金属含量分析是进行柴油机磨损状态检测的有效手段[23-26]，但由于目前分析方法的限制，还只能做离线判断而不能进行拉缸发生之初的实时诊断[27]。
    缸套水和滑油温度及压力的检测比较简便，而且检测数据可靠，可以作为参考依据[28-31]；然而，温度升高和压力变化是一个受多种因素影响且相对拉缸滞后的过程，对其检测也同样不能用于实时诊断。
在曲轴箱内安装油雾浓度传感器可以有效识别燃气下窜情况下的拉缸故障并提前进行报警，但适用范围仅限于活塞环破坏导致燃烧室密封失效的情况，不能做到完全可靠。[32]
拉缸故障发生时，因缸套和活塞等部件的磨擦力剧增，柴油机为克服其磨擦力做功使油耗大大增加，实时测量油耗可以检测到这种异常并进行报警，但由于其检测费用很高使得此方法可行性不高。
表1列举一些传统诊断方法的优缺点。
表1 船舶柴油机拉缸故障传统诊断方法比较
检测方法
优点
缺点
人工经验
简单、方便
主观性强、无法预报
油液分析
分析磨损状态准确可靠
离线分析、仅作参考
温度或压力
数据可靠、方法简单
干扰因素较多、相对滞后
油雾检测
提前准确报警
仅适用于燃气下窜的拉缸
油耗测量
可实时检测
成本较高
2 拉缸故障的振动诊断技术
柴油机工作时激振力源十分复杂，是一种多激励、多振型的复杂振动系统。[33，34]基于振动信号分析与处理的柴油机故障诊断技术，具有分析设备完善、诊断结果准确和便于实时诊断等优点。在柴油机运行状态下，可以利用柴油机表面或内部的各种振动信号诊断柴油机是否产生拉缸现象。[35-37]主要振动诊断方法有3种：机体振动信号、声发射信号和扭振信号。
2.1 利用机体振动信号诊断拉缸
机体表面的振动信号由各种激励综合作用产生，是反映柴油机不同的工作过程或故障内在关系极其有效的敏感参数。[38]柴油机发生拉缸故障时，缸套与活塞、活塞环或活塞销之间的润滑油膜被破坏，两者直接构成干磨擦，在燃烧室爆发压力的推动下互相撞击挤压，使得机体表面振动加剧，振动特征发生变化。因此，可用机体的振动信号来诊断柴油机的运行状态，方法简单准确，可行性较好。[39]使用机体振动信号诊断时，可以采用时域信号或者频域信号两种方法进行。
利用机体振动的时域信号进行检测时，可以在每缸缸套外表面各选一个测点，测取正常工作状况下的振动幅值与时间的相互关系曲线作为标准信号。柴油机的实际运行中，测点位置不改变，测取实时的振动信号，同时与标准信号比较。若发现实际信号中振动的幅值有较大幅度的加强，则表明柴油机内部可能产生引发剧烈振动的信号源。此时检测装置发出报警，轮机员或操作人员可以进行停机检查，以确认是否发生拉缸故障时域信号检测方法简单，成本较低，传感器的安装方便。但是，船舶机舱本身就是一个大型的复杂振动体，柴油机机体的振动幅值信号受到来自船体和机舱内其他工作机器的影响，同时，柴油机在起动、停车、加减速等不同的工况下本身的振动也会发生较大变化，所以时域的幅度信号变化关系复杂，导致检测准确度低，会引起误报警等问题。
利用机体振动的频域信号进行检测时，同样在每缸缸套外表面各选一个测点，测取正常工作状况下各缸的振动信号及其功率谱作为标准信号。柴油机发生拉缸故障时，活塞克服缸套巨大的干磨擦阻力做功，使得其功率谱图发生显著差异，峰值增大并向高频带方向移动。将被检工作状况下各缸的振动信号功率谱与标准信号进行比较，便可判断出柴油机的工作状态是否正常。利用功率谱对机械故障进行诊断在工程上已获广泛应用，准确度高，能够迅速判断出柴油机的功率谱变化的引发原因，区别拉缸和其他形式的柴油机故障但是，频谱分析仪的设备比较复杂、昂贵，在机舱这种恶劣环境下工作稳定性有待提高。
由此可见，利用机体振动信号来诊断拉缸故障是简单可行的方法。[40]由于柴油机的机型不一样，从振动信号分析得到的结论可能会有所不同。此外，这种方法还受以下客观条件限制：首先，缸壁温度通常在70℃和90℃之间，这种高温环境不利于加速度传感器长期工作；其次，各个气缸振动耦合严重，对信号处理带来不便；最后，引起柴油机振动的激振源十分复杂，除拉缸会引起振动加强外，各部装配间隙、喷油压力及角度等的变化均会对机体振动产生影响。
2.2 利用气缸套声发射信号诊断拉缸
存在内部缺陷的固体受到力作用时，会产生应力集中，使塑性变形加大或形成裂纹与扩展而释放弹性波，形成声发射信号。这种现象称为声发射(acoustic emission，AE)[41]。柴油机发生拉缸故障时，磨擦副之间发生强烈的干磨擦引起塑性变形，相互配合表面冲击作用的微过程、摩擦带的破坏、相互作用表面层之间不断扩展的微裂纹及其磨损颗粒的迁移等作用下，产生声发射现象。
船舶柴油机运行过程中，活塞在缸套内往复运动受到侧推力的作用，沿连杆摆动方向上的磨损程度比较严重，导致声发射信号主要发生在沿连杆摆动方向上，其结果是缸套横截面产生椭圆形，影响柴油机的正常工作。声发射装置的换能器安装测点选择时，应放置在连杆摆动方向的外表面处，减少传播距离对AE信号强度的影响，取得最好的检测效果。
实验研究表明，柴油祝运行过程磨损产生的声发射信号强度与转速、活塞与缸套间隙及气体爆发压力有关。[42]在正常磨损情况下，活塞处于上、下止点附近时声发射现象比较频繁，声发射总计数及总能量明显较高，而在中间附近时声发射现象相对较少。柴油机发生拉缸故障时，活塞或活塞环与缸套的磨损加剧，这时的声发射信号比正常磨擦时强烈。当柴油机发生拉缸故障时，柴油机油耗增加以发生更多的功来推动活塞部件运行，而活塞部件与缸套发生强烈干磨擦，引起构件的塑性变形，此时的声发射信号强度增加。通过检测声发射信号的强度变化，就可以了解气缸内部的磨擦状况，准确及时地对柴油机的拉缸故障做出诊断。
利用声发射信号进行拉缸现象的故障诊断具有准确迅速的优点，可对柴油机拉缸故障进行诊断报警。不过，由于船舶柴油机处于一个噪声干扰比较强烈的环境中，船体和其他正在运行的机器设备会产生非常强烈的振动干扰，所以，受背景噪声的影响，声发射诊断拉缸故障的准确率下降。同时，声发射装置成本很高[43]，换能器和检测仪器对使用环境要求较高，这使其在实船上安装运行的可行性受到限制。
2.3 利用扭振信号诊断柴油机拉缸故障
船舶柴油机扭振信号的测量大致可以分为两类：一类为轴系扭应力的测量，另一类为轴系扭角的测量。前者的测点往往选择节点处，后者的测点选择在轴系的自由端。一般采用应变片方法测量轴系的扭应力，这种方法在动力装置扭振测量中得到较广泛的应用。柴油机扭振信号通常在时域、频域和幅值域中进行分析。其中，采用幅值域方法进行诊断时，峭度对于脉冲类冲击故障比较敏感并且稳定。
船舶柴油机发生拉缸故障时，由于活塞部件与缸套之间磨擦阻力增大，柴油机喷油量增加直至最大以发出更多的功。同时，做功冲程的气体压力增大，摩擦阻力的大幅度增加超过气体压力增大的作用效果，导致柴油机扭振信号的峭度下降、扭振低谐次幅值增加、主简谐幅值比正常情况增加。
实验和研究表明，拉缸初期阶段活塞或活塞环刮伤部分缸套表面或在缸套表层运动不畅，摩擦力增大。此时柴油机多喷油以克服摩擦力，转速维持不变但出现抖动。扭振峰峰值有较大增大，峭度比正常情况略有减小，低简谐振幅增加，主简谐幅值比正常情况略大，转速抖动；拉缸严重阶段活塞或活塞环严重拉伤缸套表面，活塞运动摩擦阻力巨大，柴油机供油达到极限，转速抖动并下降。扭振峰峰值有巨大增大，峭度比正常情况有很大降低，低简谐振幅有巨大增加，主简谐幅值也有较大增加，同时转速下降。[44]
利用扭振信号检测柴油机拉缸具有传感器简单、安装方便且不影响发动机本来的结构、价格便宜、使用寿命长、适合实时测量等优点。在现代船舶柴油机装置中，比较先进的船舶一般安装了主轴的扭应力检测装置，例如大连造船厂2001年建造的12300t滚装船在主轴上安装了扭应力检测设备，对轴扭应力超限进行报警。目前，扭振信号的测量和数据分析方法是先将信号记录到磁带机上，然后再通过频谱分析仪进行分析，最后将频谱整理得到缸压谐次和平均有效压力关系系数、扭振谐次。这种测量方式存在成本高、计数能力低、携带不便、时间长、不能进行实时监测等缺点。集美大学轮机工程学院对船用智能扭振监测和诊断系统进行研究，研制了计数脉冲频率高达40MHz的扭振诊断系统，而且诊断系统成本降低，体积重量减小，解决了扭振信号传统测量方法不能实时检测的缺点。[45]利用船用智能扭振诊断系统对柴油机的扭振信号进行检测，可以及时发现柴油机拉缸的重大故障并给予报警，避免拉缸故障的加重。表2列举3种振动信号诊断方法的优缺点。
表2船舶柴油机拉缸故障振动信号诊断方法比较
信号
机体振动信号
声发射信号
扭振信号
时域法
频域法
优点
简单、成本低、传感器安装方便
比较准确
迅速准确
传感器简单便宜、安装方便、实时检测
缺点
准确度低、会发生误报警
设备昂贵复杂、稳定性较差
易受干扰、成本高、对环境要求高
数据处理方式较落后
3 结论
综上所述，与传统的敌障诊断方法相比，利用振动信号进行柴油机的拉缸故障诊断，具有简单准确、报警迅速及时的优点，可以用于实船在线拉缸故障诊断。比较机体振动信号、声发射信号和扭振信号等3种诊断拉缸故障的振动信号技术，时域的机体振动信号传感器简单便宜、安装方便，能够用于实时报警；而扭振信号具有传感器简单、安装方便、使用寿命长、适合实时测量的优点，同时又能够较为及时准确地诊断船舶柴油机的拉缸故障，弥补机体时域信号准确度低的缺点。如果能采用扭振信号结合机体振动时域信号，能够取长补短，及时诊断拉缸故障，避免故障进一步加重，降低机损事故的危险性。同时，两种信号结合诊断的成本相对不高。开发可以利用这两种信号结合诊断拉缸故障的监测系统，具有较大的市场前景。