許斌,陳志新,孫貴芳
(1.中國(guó)人民解放軍海軍91315部隊(duì),遼寧大連 116041;2.中國(guó)人民解放軍海軍92337部隊(duì),遼寧大連 116023)
潤(rùn)滑油分析界限值在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用與研究
許斌1,陳志新2,孫貴芳1
(1.中國(guó)人民解放軍海軍91315部隊(duì),遼寧大連 116041;2.中國(guó)人民解放軍海軍92337部隊(duì),遼寧大連 116023)
油液分析技術(shù)在機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行中起到越來越重要的作用,正確掌握油液分析信息的評(píng)判方法,是做好機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的關(guān)鍵。文章研究了油液分析技術(shù)中定量信息和定性信息的界限值制定問題,討論了定量界限值邊界模糊性對(duì)策和動(dòng)態(tài)修改的必要性,以對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行正確有效的評(píng)估。
油液分析;界限值;故障診斷
在機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的管理工作中,利用油液分析技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備磨損類故障診斷是非常有效的手段,這已為世界各國(guó)實(shí)踐所證實(shí)。磨損、污染和油品衰變是引起機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的三大原因,它們之間相互影響又有各自特定故障信息。實(shí)際上,油液分析可以分析出油液所包含的多種特定信息,例如傅里葉紅外光譜,既可以分析出油液中積炭、氧化物、硝化物、硫化物、含水量、乙二醇和燃油稀釋等圖譜,而且又可以根據(jù)圖譜預(yù)測(cè)油液所具備的潛力,是判斷是否需要換油的重要依據(jù)之一。對(duì)于所獲得的每一種信息,必須科學(xué)地制定出設(shè)備可能發(fā)生故障的界限值,才能有效地預(yù)測(cè)機(jī)械設(shè)備的故障隱患或油品的衰變狀態(tài)。對(duì)于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的儀器而言,如果不根據(jù)機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)去研究和制定各種界限值,就難以發(fā)揮監(jiān)測(cè)診斷儀器的功能和診斷效果。當(dāng)然,機(jī)械故障的界限值沒有通用性,因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的磨損情況、載荷、運(yùn)行工作及環(huán)境條件等不同,雖然使用了相同的監(jiān)測(cè)儀器,也使用了相同品牌的油液,但是,根據(jù)油液分析信息所得出的設(shè)備發(fā)生故障的界限值是不相同的。因此,必須根據(jù)監(jiān)測(cè)診斷中所獲得的油液分析信息、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況和工作人員的管理經(jīng)驗(yàn)等綜合因素去制定機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的界限值。
油液的定量分析是指在油液監(jiān)測(cè)儀器誤差范圍內(nèi)有明確的監(jiān)測(cè)數(shù)值。對(duì)油液不同的監(jiān)測(cè)內(nèi)容,有不同的監(jiān)測(cè)界限值,主要包括只有上限監(jiān)測(cè)界限值、只有下限監(jiān)測(cè)界限值、既有上限又有下限監(jiān)測(cè)界限值、有多種不同程度級(jí)別監(jiān)測(cè)的界限值等。
(1)只有上限監(jiān)測(cè)界限值。例如:油液的水分含量是有上限界限值的,如果在用油的水分含量高于其同品牌新油的水分含量,說明在用油被水污染了,設(shè)備的潤(rùn)滑效果存在了潤(rùn)滑不良的安全隱患,設(shè)備管理人員必須認(rèn)真查找故障原因,及時(shí)清理機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑系統(tǒng),并及時(shí)更換潤(rùn)滑油。這樣,同品牌新油的水分含量就是該油液在使用中的上限界限值。
(2)只有下限監(jiān)測(cè)界限值。例如:油液的閃點(diǎn)是有下限界限值的,不同品牌油液,其閃點(diǎn)是不同的,如果在用油的閃點(diǎn)低于其同品牌新油的閃點(diǎn),說明在用油被燃油稀釋了,設(shè)備的潤(rùn)滑效果存在了潤(rùn)滑不良的安全隱患,設(shè)備管理人員必須認(rèn)真查找故障原因,及時(shí)清理機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑系統(tǒng),并及時(shí)更換潤(rùn)滑油。這樣,同品牌新油的閃點(diǎn)就是該油液在使用中的上限界限值。
(3)既有上限又有下限監(jiān)測(cè)界限值。例如:潤(rùn)滑油的黏度既有上限又有下限監(jiān)測(cè)界限值,在用油的黏度過大,流動(dòng)性降低,摩擦副之間難以形成油液潤(rùn)滑保護(hù)膜,容易造成異常磨損;油液黏度過小油性不良也容易造成磨損加劇等故障隱患。所以,在選擇潤(rùn)滑油時(shí),一定要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn),正確選擇潤(rùn)滑油的類型。
(4)有多種不同程度級(jí)別監(jiān)測(cè)的界限值。例如:利用油料原子發(fā)射光譜儀分析潤(rùn)滑油,可分析出在用油中不同金屬的質(zhì)量含量(μg/mL),包括油液中磨損元素含量、污染元素含量、添加劑含量等30多種元素。這樣,在一個(gè)油樣中,就需要制定30多個(gè)元素的上限值,而且這30多個(gè)界限值差別較大,具有多種不同程度級(jí)別。
(5)分析結(jié)果界限值。美國(guó)三軍主要裝備(飛機(jī)、裝甲車輛、艦船等)均制定分析結(jié)果界限值,主要有:正常、臨界、偏高和異常4種分析結(jié)果界限值。我國(guó)也制定了分析結(jié)果界限值,主要有:正常、臨界和異常3種分析結(jié)果界限值以及分析趨勢(shì)界限值。為預(yù)報(bào)機(jī)械故障和故障程度提供科學(xué)的評(píng)判依據(jù)。
油液的定性分析是指油液監(jiān)測(cè)儀器能監(jiān)測(cè)反映故障現(xiàn)象和性質(zhì),但沒有具體的分析數(shù)值。典型的定性分析如分析式鐵譜儀,它是根據(jù)機(jī)械設(shè)備磨損顆粒形貌和顏色,可以識(shí)別正常磨損顆粒、切削磨損顆粒、疲勞顆粒、片狀顆粒、球狀顆粒、腐蝕顆粒、暗金屬氧化物、紅色氧化物、非鐵磁性金屬、非金屬無機(jī)物、有機(jī)物、非金屬晶體、摩擦聚合物、纖維等。其中大部分是與磨損故障有關(guān)的定性信息,根據(jù)機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)人員診斷經(jīng)驗(yàn),可將模糊信息進(jìn)行打分處理。例如正常磨損為0,輕微磨損為2,中等磨損為5,嚴(yán)重磨損為10,這樣,就可以把定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析來處理,可以更直觀地利用監(jiān)測(cè)分析結(jié)果來進(jìn)一步提高診斷準(zhǔn)確率。
機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)的故障征兆,常常并非某一個(gè)界限值所能全面揭示反映出來的。例如原子發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)技術(shù),需要根據(jù)機(jī)械設(shè)備管理人員多年的應(yīng)用和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),需要利用原子發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)出的磨損顆粒含量與在用油的取樣頻率關(guān)系統(tǒng)計(jì)的濃度界限值,相鄰兩個(gè)油樣中含量變化統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)界限值,兩者必須相輔相成去捕捉故障征兆,而趨勢(shì)界限值往往可以靈敏反映磨損變化烈度。在某些機(jī)械設(shè)備中,為直觀方便,還制定磨損含量與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系的界限值。
可以利用原子發(fā)射光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)在用潤(rùn)滑油中顆粒含量為例,來探討監(jiān)測(cè)結(jié)果定量界限值邊界的模糊性,國(guó)內(nèi)外所制定的3種或4種界限值,其邊界僅相差1μg/m L。例如表1和表2分別為美國(guó)軍用車輛某行星變速箱5R6192和美國(guó)軍用飛機(jī)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)的主要磨損元素界限值和異常趨勢(shì)值;表3為我國(guó)某內(nèi)燃機(jī)柴油機(jī)的磨損元素含量界限值和趨勢(shì)界限值。
表1 美國(guó)軍用車輛某行星變速箱5R6192的界限值μg/mL
表2 美國(guó)軍用飛機(jī)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)油中元素的界限值μg/mL
續(xù)表
表3 我國(guó)某柴油機(jī)油中元素的界限值μg/mL
由表1、表2和表3可見,各邊界僅相差1μg/ m L,對(duì)磨損類故障是否會(huì)這么靈敏,這要具體分析和采取應(yīng)對(duì)策略。
(1)界限值是為保證機(jī)器安全運(yùn)行或有無故障征兆的一種預(yù)報(bào)或提示,是根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律、置信度和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)來劃分的,它不可能像精確數(shù)學(xué)計(jì)算那樣準(zhǔn)確無誤。根據(jù)這種定量預(yù)報(bào),如果能夠達(dá)到95%的準(zhǔn)確率,就可以顯著減少機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的概率。
(2)磨損是一個(gè)漸變的發(fā)展過程,界限值邊界實(shí)際是一個(gè)小小的模糊區(qū),制定的界限值既能預(yù)測(cè)故障征兆,又要留有一定保守裕度。例如當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常征兆時(shí),還允許再做一次加密取樣的時(shí)間間隔,確認(rèn)抽樣分析是否仍處于異常狀態(tài),而必須停機(jī)維修;若降到臨界或正常范圍,可繼續(xù)運(yùn)行,證明取樣或分析中有偶然性。為機(jī)械設(shè)備運(yùn)行安全考慮,還需要做一次加密取樣,這對(duì)于必須連續(xù)運(yùn)行的機(jī)器或做戰(zhàn)飛機(jī)不能輕易停機(jī)是十分必要的,是處理模糊區(qū)間的一種策略。美國(guó)三軍主要裝備(飛機(jī)、裝甲車輛、艦船)就是采取這種界限值和加密取樣的邏輯程序,至今已經(jīng)應(yīng)用近50年,實(shí)踐證明有重大成效。至于如何研究處理這種模糊性,將是今后長(zhǎng)期研究的重要課題。
(3)故障診斷關(guān)鍵在于預(yù)測(cè)故障征兆,也是預(yù)知性維修的先進(jìn)策略。原子發(fā)射光譜儀的油液分析是一種單相的監(jiān)測(cè)分析技術(shù),應(yīng)該通過油液的多相監(jiān)測(cè)技術(shù),來互為補(bǔ)充,確認(rèn)故障程度的可信度,極大地避免預(yù)防維修(計(jì)劃維修)制度中該修而修理程度不到位、不該修理而出現(xiàn)了過度維修的缺陷,界限值便是設(shè)備維修必不可少的科學(xué)依據(jù)。
機(jī)器設(shè)備在使用管理和維修過程中,油液分析信息的界限值應(yīng)該得到不斷地修改,機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行初期的磨合期內(nèi)、在正常的使用管理過程中、在經(jīng)過各種故障前后、在更換油液前后等都需要?jiǎng)討B(tài)修改油液分析信息的界限值:
(1)機(jī)械設(shè)備在正常壽命期內(nèi)運(yùn)行,一般來說其磨損是漸增的;但在接近大修期前,磨損量值會(huì)較明顯大于早期的磨損含量,所以,應(yīng)該將早期的油樣分析結(jié)果淘汰掉,按中、后期的油樣重新修改油液分析信息的界限值。
(2)機(jī)械設(shè)備經(jīng)過各種維修之后,設(shè)備摩擦副之間配合總不如新設(shè)備原裝摩擦副之間配合的那么好,特別是國(guó)產(chǎn)機(jī)械設(shè)備更換了進(jìn)口配件或者進(jìn)口機(jī)械設(shè)備更換了國(guó)產(chǎn)配件之后(無法購(gòu)買到進(jìn)口的原裝配件),修后設(shè)備摩擦副之間的配合更差,這就需要不斷的修改油液分析信息的界限值。
(3)機(jī)械設(shè)備隨著運(yùn)行的需要,設(shè)備的型號(hào)和配件的材質(zhì)常常會(huì)不斷的更新變化,老型號(hào)、老配件的機(jī)械設(shè)備與新型號(hào)、新配件的機(jī)械設(shè)備所需求的油液分析信息界限值是不同的,必須根據(jù)需求來對(duì)油液分析信息的界限值進(jìn)行修改。
(4)適合機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的油液不是簡(jiǎn)單的一種類型,將根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行需求的特點(diǎn),在多種油品牌號(hào)中來選擇比較適用的一種油品,當(dāng)然各種不同油液的性能總有一定差別,這樣要求必須制定不同油液分析信息的界限值。
(5)要不斷借鑒外軍這方面技術(shù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),特別是美軍這方面技術(shù)的具體做法和應(yīng)用。據(jù)資料顯示,美國(guó)三軍主要裝備(飛機(jī)、裝甲車輛、艦船)都分別有詳細(xì)的監(jiān)測(cè)信息界限值,而且每2年修訂一次,印發(fā)給各軍用基地和為美軍服務(wù)的地方油液監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中心。
某機(jī)械設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,出現(xiàn)了十分明顯的異?,F(xiàn)象,為了保證設(shè)備的運(yùn)行安全,避免故障的繼續(xù)蔓延,設(shè)備管理人員不得不對(duì)該機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,查找機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的主要原因,通過對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑油的光譜分析和鐵譜分析,得知該機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障主要是由于其軸承發(fā)生異常磨損而造成的,對(duì)在用潤(rùn)滑油油樣的光譜分析和鐵譜分析的具體數(shù)據(jù)和現(xiàn)象如下:
(1)光譜分析
由于該機(jī)械設(shè)備無法立即停止運(yùn)行,在該機(jī)械仍然運(yùn)行的情況下,對(duì)該機(jī)械設(shè)備的在用潤(rùn)滑油進(jìn)行了多次取樣,每個(gè)油樣都分別做出3次光譜分析,對(duì)比所取的幾個(gè)油樣的光譜分析數(shù)據(jù)沒有太大變化,說明油樣的監(jiān)測(cè)信息代表了機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況。表4便是其中一個(gè)油樣的光譜分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
表4 光譜分析數(shù)據(jù)μg/mL
該機(jī)械設(shè)備是一部很關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備,長(zhǎng)期以來,管理人員把管好這部機(jī)械設(shè)備放在重中之重的位置,平時(shí),對(duì)該機(jī)械進(jìn)行了周期性監(jiān)測(cè),并建立了監(jiān)測(cè)檔案,從以往對(duì)該機(jī)械設(shè)備原子發(fā)射光譜監(jiān)測(cè)檔案中查知,該機(jī)械設(shè)備中軸承潤(rùn)滑油油樣光譜分析Fe、Cr元素濃度上限值分別為35μg/mL、0.6μg/ mL。由表4可知,這次采集的在用潤(rùn)滑油油樣中光譜分析Fe、Cr元素濃度平均值分別為359μg/mL、 2.1μg/mL,而新油樣中各元素濃度值都很低。說明含有高鉻鋼材料的摩擦副發(fā)生了異常磨損,進(jìn)一步分析斷定該機(jī)械設(shè)備中軸承滾動(dòng)元件(其材料都是高鉻軸承鋼)可能發(fā)生嚴(yán)重磨損。
(2)分析式鐵譜分析
使用分析式鐵譜儀制備鐵譜片,給在用油樣分別制備2張鐵譜片(見圖1),給新油制備了1張鐵譜片(見圖2),用鐵譜顯微鏡觀察分析譜片上磨粒的形態(tài)、尺寸、紋理和色澤等。
圖1 在用油鐵譜分析譜片
圖2 新油鐵譜分析譜片
圖1為軸承在用潤(rùn)滑油油樣譜片上的切削磨粒(放大倍數(shù)為500倍),譜片已經(jīng)過加熱處理,切削磨粒呈藍(lán)色,表明它的材料是軸承鋼;圖2為未使用過的新潤(rùn)滑油油樣的微粒照片(放大倍數(shù)為100倍),由圖2可見該油樣中只有很少微粒,并且都不是金屬磨粒。最后分析斷定該機(jī)械設(shè)備中軸承滾動(dòng)元件(其材料都是高鉻軸承鋼)發(fā)生嚴(yán)重磨損。
某船主機(jī)是TBD234V8型高速柴油機(jī),其額定轉(zhuǎn)速范圍是1500~2300 r/min,最高轉(zhuǎn)速為2300 r/min,潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑油的最高溫度為120℃,要求使用CD 40潤(rùn)滑油。主柴油機(jī)在不同工況下進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行過程中,當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高到2100 r/min時(shí),柴油機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重拉缸、主軸瓦燒毀、連桿瓦燒毀、主軸承嚴(yán)重拉傷等重大事故。事故發(fā)生后經(jīng)過對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)在用潤(rùn)滑油的黏度進(jìn)行分析得知,故障的主要原因是使用管理人員選擇使用潤(rùn)滑油類型出現(xiàn)錯(cuò)誤而造成的。表5是故障監(jiān)測(cè)診斷人員模擬故障發(fā)生過程中,柴油機(jī)不斷提速,潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的溫度不斷上升,監(jiān)測(cè)出不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的不同溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度值,并參考2005年《石油產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編》得知的CD 30和CD 40兩種潤(rùn)滑油在不同溫度下各自的界限值。同時(shí),得出在用潤(rùn)滑油在不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的不同溫度下的潤(rùn)滑結(jié)論。
表5 TBD234V8型高速柴油機(jī)不同工況下潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
從表5中可知,通過對(duì)在用潤(rùn)滑油在不同工況下運(yùn)動(dòng)黏度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、CD 30、CD 40潤(rùn)滑油在不同工況下運(yùn)動(dòng)黏度的界限值三者之間進(jìn)行比較可以看出,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在1500 r/min以前,也就是說柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速之前,柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果是良好的,其運(yùn)動(dòng)黏度分別是:38.7 mm2/s、22.9 mm2/s、18.6 mm2/s,這三個(gè)運(yùn)動(dòng)黏度值既符合CD 30品牌潤(rùn)滑油界限值范圍又符合CD 40品牌潤(rùn)滑油界限值范圍,也證明了該柴油機(jī)在達(dá)到1500 r/ min額定轉(zhuǎn)速以前的低速運(yùn)行是正常的。但是,當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1700 r/min、1900 r/min的時(shí)候,其運(yùn)動(dòng)黏度分別是:14.1 mm2/s、11.3 mm2/s,這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)黏度值只是符合CD 30潤(rùn)滑油界限值范圍,略低于CD 40潤(rùn)滑油界限值范圍,此時(shí),柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油已經(jīng)出現(xiàn)了潤(rùn)滑效果不良的跡象。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高到2100 r/min的時(shí)候,其運(yùn)動(dòng)黏度是7.4 mm2/s,這個(gè)運(yùn)動(dòng)黏度值只是符合CD 30潤(rùn)滑油界限值范圍,十分明顯地低于CD 40潤(rùn)滑油界限值范圍。因此,可以判斷在用潤(rùn)滑油錯(cuò)誤地選擇了CD 30品牌潤(rùn)滑油,而不是按要求應(yīng)該選擇的CD 40品牌潤(rùn)滑油。這樣,當(dāng)柴油機(jī)高速運(yùn)行時(shí),由于潤(rùn)滑嚴(yán)重不良而造成柴油機(jī)燒毀的重大事故。
(1)通過對(duì)油液分析技術(shù)中定量信息和定性信息的界限值制定問題的研究,討論了定量界限值邊界模糊性對(duì)策和動(dòng)態(tài)修改的必要性。
(2)通過案例分析對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行正確有效的評(píng)估,正確掌握油液分析信息的評(píng)判方法,是做好機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的關(guān)鍵。
[1]萬耀青.油液分析故障診斷中的信息融合問題[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
[2]平培榮,梁紅,華祖瑜,等.石油產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.
Research and App lications of Threshold Values in Lubricating Oil Analysis for Diagnosing Equipment Failure
XU Bin1,CHEN Zhi-xin2,SUN Gui-fang1
(1.Naval91315 Unit of the Chinese Peop le's Liberation Arm y,Dalian 116041,China; 2.Naval92337 Unit of the Chinese People's Liberation Arm y,Dalian 116023,China)
Lubricating oilanalysis technology p lays an increasingly im portant role in the safe operation of equipm ent.The key to m onitoring equipm ent perform ance and fault diagnosis lies in properly understanding the evaluation m ethod of lubricating oilanalysis inform ation.In this paper,threshold settings of quantitative inform ation and qualitative inform ation in lubricating oil analysis technology are studied.And the necessity for counterm easures and dynam ic m odifications of fuzzy quantitative threshold values is discussed in order to effectively and accurately evaluate the equipm ent's operational state.
lubricating oilanalysis;threshold value;diagnosis of equipment failure
TE622.1
A
1002-3119(2012)06-0044-05
2011-05-28。
許斌(1961-),男,高級(jí)工程師,海軍專業(yè)技術(shù)大校,1985年畢業(yè)于海軍工程大學(xué)海軍艦艇設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷油品分析專業(yè),現(xiàn)從事設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作,已公開發(fā)表論文數(shù)篇。