12V135柴油機(jī)油液原子光譜分析診斷研究

黃云水,徐建明,黃 雄

(1.91370部隊(duì),福建福州 350015;2.92403部隊(duì)裝備部,福建福州 350007)

基于油液光譜分析的柴油機(jī)磨損故障診斷是隨著摩擦學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的。它可以分析柴油機(jī)在用油磨損金屬顆粒的成分、濃度,獲得其磨損部位和磨損程度的信息,評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)柴油機(jī)的磨損狀態(tài),確定柴油機(jī)磨損故障原因、類型及部位。

1 油液原子光譜分析法

原子光譜分析技術(shù)是利用油樣中所含金屬元素原子發(fā)射或吸收不同特征波長的譜線來進(jìn)行金屬元素的定性和定量分析技術(shù),它可以有效地監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備潤滑系統(tǒng)中潤滑油所含磨損顆粒的成分及其含量的變化。

油液中的金屬來自 3方面:一是油品添加劑中帶來的金屬元素,如 Ca、Ba、P、Zn、Mg,這類元素來源于油中抗氧化劑、分散劑、抗磨劑等;二是外界污染物攜入的,如 V、Na、Si等;三是摩擦副表面磨損產(chǎn)生的,如 Fe、Pb、Cr、Cu、A1等元素。

由此可見,柴油機(jī)各摩擦副金屬材料并不相同,柴油機(jī)磨損金屬元素與油中添加劑的金屬元素也不相同,即油液金屬元素與柴油機(jī)摩擦副磨損存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此通過柴油機(jī)在用油原子光譜分析,可以對(duì)柴油機(jī)摩擦副磨損部位進(jìn)行定位分析。

原子發(fā)射光譜可以檢測(cè) 10μm以下小顆粒 (5 μm以下幾乎是 100%覆蓋),柴油機(jī)發(fā)生異常磨損時(shí),大顆粒數(shù)量比小微粒增長更快,濾清器的過濾作用使得 10～20μm以上的大磨粒被濾除。而小磨粒不受過濾影響,10μm以下的小顆粒數(shù)量會(huì)隨著磨損惡化程度而相應(yīng)的增加 (如圖 1所示),因此原子發(fā)射光譜可用于柴油機(jī)磨損定量分析[1]。

圖1 磨損狀態(tài)和磨粒粒徑分布關(guān)系圖

2 三線值法

界限值方法是油液監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最基本、也是最實(shí)用的方法。它是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)值 (或梯度)進(jìn)行計(jì)算的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。研究發(fā)現(xiàn),機(jī)械磨損過程中磨粒的濃度分布基本符合高斯正態(tài)分布,在這個(gè)假設(shè)下,產(chǎn)生了三線值法。三線值法是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)值計(jì)算的方法,以時(shí)間為主線,來描述設(shè)備系統(tǒng)的整體變化趨勢(shì)。它是一種縱向分析方法,目的是建立包括計(jì)算參數(shù)時(shí)間曲線、基線、警告線和危險(xiǎn)線在內(nèi)的磨損趨勢(shì)圖,以直觀地反映設(shè)備的磨損狀態(tài)。在計(jì)算時(shí)采用如下公式[2]:

正常界限值:

警告界限值:

危險(xiǎn)界限值:

三線值法將柴油機(jī)磨損狀態(tài)劃分為正常、預(yù)警、警報(bào) 3種,相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)間的臨界點(diǎn)的判斷和識(shí)別,成為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵。

3 柴油機(jī)磨損金屬元素濃度界限值計(jì)算

原子光譜分析技術(shù)能夠快速有效檢測(cè)出油樣中所含 20多種金屬元素及其濃度值,對(duì)于不同的研究對(duì)象,可以從眾多元素參量中選擇具有代表性的元素參量進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),12V 135柴油機(jī)在用油中 Sn、Ni、Ag含量很低而變化不明顯,即表明了 12V135柴油機(jī)主要摩擦副與這 3種元素相關(guān)性非常弱。對(duì)于 12V135柴油機(jī)而言,其主要摩擦副的磨損元素為:Fe、Cr、Pb、Cu、Al元素,因此選定該 5種元素作為研究 12V135柴油機(jī)磨損狀態(tài)的參數(shù)。

根據(jù)某臺(tái)12V135柴油機(jī)30個(gè)油樣原子光譜分析數(shù)據(jù)計(jì)算界限值,其計(jì)算結(jié)果如表 1所示。

表1 12V 135柴油機(jī)油液光譜分析界限值計(jì)算結(jié)果

4 柴油機(jī)磨損元素濃度界限值修正

對(duì)于同一型號(hào)的 12V135柴油機(jī),由于其運(yùn)行、使用、維修等各不相同,其磨損元素的濃度變化規(guī)律也不盡相同,但在數(shù)據(jù)量較大時(shí),該差異逐漸縮小甚至可忽略。因此制定的界限值可以適用于同一型號(hào)的柴油機(jī)。同時(shí)界限值不是固定不變的,需要在數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上不斷地修正,以真實(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[3]。

基于歷史數(shù)據(jù)分析、故障統(tǒng)計(jì)和維修實(shí)踐驗(yàn)證,對(duì)界限值進(jìn)行了修正,優(yōu)化了 12V135柴油機(jī)油液光譜分析磨損金屬元素濃度的界限值,如鐵元素正常值為小于 130×10-6(百萬分之一),預(yù)警值 (130～200) ×10-6,警報(bào)值為大于 200×10-6。修正后的界限值見表 2。

表2 修正后的界限值

5 Fe、Cr、Pb、Cu、Al 5種元素相關(guān)性分析

經(jīng)過對(duì) 126個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行的相關(guān)性分析計(jì)算,5種元素的相關(guān)系數(shù)如表 3所示。

表3 5種元素相關(guān)性分析

5.1 鋁元素與鐵、鉻元素的相關(guān)性

由表 3可知,鋁元素和鐵元素的相關(guān)系數(shù)為0.75,說明兩者之間的相關(guān)性很強(qiáng),鋁元素含量隨著鐵元素含量的增長而增長,其變化的趨勢(shì)見圖2,這說明 12V135型柴油機(jī)鋁合金活塞磨損隨著缸套磨損間隙的增大而加劇。

由表 3可知,鋁元素和鉻元素的相關(guān)系數(shù)為0.75,說明兩者之間的相關(guān)性很強(qiáng),鋁元素含量隨著鉻元素含量的增長而同步增長,其變化的趨勢(shì)見圖 3,這表明 12V135型柴油機(jī)活塞環(huán)磨損隨著活塞磨損而加劇。

鋁元素含量和鐵、鉻元素含量的相關(guān)性分析表明了,12V135型柴油機(jī)活塞隨著缸套 -活塞環(huán)的磨損而急劇磨損。

圖2 鋁元素含量隨鐵元素變化的趨勢(shì)圖

圖3 鉻元素含量隨鋁元素變化的趨勢(shì)圖

5.2 鉻元素與鐵元素的相關(guān)性

由表 3可知,鉻元素與鐵元素的相關(guān)系數(shù)僅為0.61,其相關(guān)性比鋁鐵元素之間的相關(guān)性要弱。但從鉻元素含量隨鐵元素含量變化的趨勢(shì)圖 (如圖4)看,鉻元素含量與鐵元素同步增長的趨勢(shì)還是比較明顯的。這表明鉻、鐵元素的相關(guān)性也很強(qiáng),但它不同于鋁、鐵的相關(guān)性。

從鉻元素含量隨鐵元素含量變化的趨勢(shì)圖(見圖 4)中分析發(fā)現(xiàn),鉻元素含量達(dá)到一定水平時(shí) (約 40×10-6),不再明顯增長,鐵元素含量因缸套、活塞環(huán)的磨損而繼續(xù)增長。這表明:缸套嚴(yán)重磨損后,由于缸套與活塞環(huán)的間隙變大導(dǎo)致潤滑惡化,使得活塞環(huán)開始劇烈磨損,由于活塞環(huán)表面鍍鉻層較薄,鍍鉻層磨損殆盡后其元素含量不再增加,而活塞環(huán)和缸套磨損進(jìn)一步加劇。當(dāng)鉻元素含量低于 20×10-6時(shí),而鐵元素含量接近或超過 200×10-6,預(yù)示著柴油機(jī)缸套磨損不是鐵元素含量增長的主導(dǎo)因素,可能是主軸承等其他摩擦副嚴(yán)重磨損所致;當(dāng)鉻元素含量高于 20×10-6,且鐵元素含量接近或超過 200×10-6時(shí),預(yù)示著柴油機(jī)的缸套和活塞環(huán)已經(jīng)嚴(yán)重磨損。鉻元素濃度超標(biāo)必然伴隨著鐵元素濃度超標(biāo),因此,鉻元素濃度是反映缸套 -活塞環(huán)磨損的特征指標(biāo)。

圖4 鉻元素含量隨鐵元素變化的趨勢(shì)圖

5.3 銅元素與鐵元素的相關(guān)性

由表 3可知,銅元素與鐵元素的相關(guān)系數(shù)為0.72。從圖 5可以看出,兩者同步增長的趨勢(shì)并不明顯。這表明,多數(shù)情況下鐵元素含量主要由缸套摩損所產(chǎn)生。銅元素主要來自主軸承的磨損,正常情況下銅元素含量較低且增長比較緩慢,當(dāng)主軸承摩擦副嚴(yán)重磨損時(shí),將產(chǎn)生大量的銅、鐵元素磨粒。因此,從鐵元素含量隨銅元素含量變化的趨勢(shì)圖 (圖 5)可以得到如下結(jié)論:一是鐵元素含量的劇增并不一定伴隨著銅元素含量的增長;二是銅元素含量的劇增必然伴隨著鐵元素含量的劇增。

圖5 鐵元素含量隨銅元素變化的趨勢(shì)圖

5.4 銅元素與鉛元素的相關(guān)性

銅元素與鉛元素的相關(guān)系數(shù)為 0.47,兩者的相關(guān)性較弱,說明它們分別是兩種不同摩擦副表面的主要成分,即 12V135型柴油機(jī)的主軸承與連桿軸瓦分別是銅、鉛元素的主要來源,兩者之間沒有必然的聯(lián)系。

從 12V135柴油機(jī) 5種磨損元素相關(guān)性分析可以總結(jié)出以下基本規(guī)律。

1)鋁 -鐵、鋁 -鉻、鉻 -鐵元素存在著強(qiáng)的相關(guān)性,銅 -鐵、銅 -鉛元素之間的相關(guān)性較弱,具體關(guān)系與磨損機(jī)理如表 4所示。

表4 12V 135柴油機(jī) 5種磨損元素相關(guān)性

2)5種金屬元素濃度可用于判斷 12V135柴油機(jī)磨損部位,具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 5所示。

表5 5種金屬元素濃度與 12V 135柴油機(jī)磨損部位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

6 結(jié)論

原子發(fā)射光譜分析是監(jiān)測(cè)柴油機(jī)磨損狀態(tài)的重要手段,界限值是柴油機(jī)磨損狀態(tài)評(píng)價(jià)的主要方法,通過界限值計(jì)算與優(yōu)化、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析,可以對(duì)柴油機(jī)磨損部位和磨損程度進(jìn)行準(zhǔn)確地識(shí)別、預(yù)報(bào)、判斷,為艦艇裝備的管理、使用和維修提供科學(xué)依據(jù)。