液壓油中污染物監(jiān)測(cè)分析對(duì)比

劉敬軍，張佃惠

(1.92132部隊(duì)，山東 青島 266405;2.91663部隊(duì)，山東 青島 266011)

大量資料表明，磨損是影響液壓設(shè)備工作可靠性和使用壽命的主要原因，且以磨料磨損造成的損失最為嚴(yán)重，而磨損類(lèi)故障的主要故障源是液壓油污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓元件失效的70%～85%歸因于液壓油液污染［1］。液壓油的污染主要包括顆粒、水分、空氣、熱和微生物污染等，其中對(duì)油液使用性能影響最大的就是顆粒和水分污染，其次為空氣、熱污染。通常意義上所說(shuō)的污染就是指液壓油中金屬顆粒與水分污染。液壓油及其中的污染物蘊(yùn)含著大量的表征液壓設(shè)備內(nèi)部磨損狀態(tài)的信息。運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，對(duì)在用液壓油的污染情況實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)和控制，可以及時(shí)掌握液壓系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，判斷過(guò)度磨損是否有可能發(fā)生，采取措施消除各種故障源，將對(duì)液壓系統(tǒng)的科學(xué)使用管理和合理維護(hù)保障有著十分重要的意義。

目前用于液壓油中污染物監(jiān)測(cè)分析的主要技術(shù)手段有光譜分析、鐵譜分析、污染度分析、理化指標(biāo)分析和紅外光譜分析等。由于各種監(jiān)測(cè)儀器的原理、結(jié)構(gòu)不同，其適用范圍也各不相同，因此選擇合適的油液監(jiān)測(cè)儀器，才能可靠的表征機(jī)械設(shè)備實(shí)際狀態(tài)的信息參數(shù)。分析處理時(shí)要把各種分析手段(參數(shù))綜合在一起，互相補(bǔ)充印證，對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析、判斷，使設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷做到更科學(xué)、更準(zhǔn)確、更有效［2］。下面針對(duì)某船液壓設(shè)備——絞纜機(jī)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，應(yīng)用原子發(fā)射光譜技術(shù)、自動(dòng)磨粒形狀分類(lèi)技術(shù)和污染度監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其液壓油樣進(jìn)行分析，應(yīng)用鐵譜技術(shù)對(duì)個(gè)別關(guān)鍵油樣進(jìn)行分析，通過(guò)比較得出各分析技術(shù)的相關(guān)性。

1 油液監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 油料光譜技術(shù)

基于磨粒分析的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要對(duì)潤(rùn)滑油液(作為診斷介質(zhì))攜帶的磨粒進(jìn)行定性定量分析，提供關(guān)于設(shè)備部件當(dāng)前狀態(tài)的重要信息。油料光譜技術(shù)主要對(duì)油液中鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫、銀、硅、硼、鈉、鎂、鈣、鋇、磷、鋅等多種元素進(jìn)行測(cè)試，可快速準(zhǔn)確地提供油液中機(jī)械設(shè)備磨粒和污染方面的信息，但僅能測(cè)試小于10μm以下的磨粒元素濃度。不同機(jī)械設(shè)備的摩擦副材質(zhì)、所使用的油液種類(lèi)和可能發(fā)生的污染是不同的，對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行油液監(jiān)測(cè)時(shí)所選定的所有監(jiān)測(cè)元素稱(chēng)為特征元素。特征元素的確定主要是根據(jù)設(shè)備可能發(fā)生磨損的主要摩擦副材質(zhì)、油液添加劑的種類(lèi)和污染物的種類(lèi)而定。一般地，鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫元素的含量反映設(shè)備摩擦副磨損情況，硅、鈉元素反映油液污染程度，鎂、鈣、鋇、磷、鋅元素的含量反映添加劑的耗損情況。比如對(duì)于常用海水冷卻的船舶液壓設(shè)備而言，銅、鐵、硅、鈉是必須要監(jiān)測(cè)的元素，前兩種是主要的磨損元素，而后兩種元素則是主要污染物的表征。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于某一類(lèi)系統(tǒng)而言，某些金屬或非金屬的含量的增加一定意味著設(shè)備的某個(gè)或某些部件發(fā)生了異常磨損。根據(jù)磨粒監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以繪制磨粒元素的濃度變化趨勢(shì)圖，據(jù)此并結(jié)合油液分析的其它結(jié)果，可以確定設(shè)備的磨損速率，判斷設(shè)備是否處于正常磨損狀態(tài)以及磨損故障的逼近程度。結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)中材質(zhì)構(gòu)成，便能判明異常磨損發(fā)生在哪種部件或組件上，從而檢測(cè)出潛在的機(jī)械故障。

1.2 磨粒形狀分類(lèi)技術(shù)

磨粒監(jiān)測(cè)主要檢測(cè)液壓油中含有的從磨損表面產(chǎn)生的金屬或非金屬性微粒以及外來(lái)污染物顆粒，它是基于油液分析的液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的重要手段，其有效性表現(xiàn)為通過(guò)磨粒屬性和數(shù)量的監(jiān)測(cè)結(jié)果及其趨勢(shì)分析，能夠確定系統(tǒng)的狀態(tài):接近失效、已經(jīng)失效以及失效形式。磨?？偭坑糜谂袛嗄p處于什么階段;磨粒尺寸分布用于判斷磨損的嚴(yán)重程度;磨粒形態(tài)用于判斷磨損類(lèi)型，分析磨損機(jī)理;磨?；瘜W(xué)成分用于確定磨損部件和磨粒元素的來(lái)源。磨粒形狀分類(lèi)技術(shù)可以迅速對(duì)油液中磨粒的形狀并按磨損形式對(duì)其分類(lèi)、數(shù)量、各尺寸磨粒分布及污染度等進(jìn)行分析，但不能對(duì)材質(zhì)進(jìn)行辨別。

1.3 鐵譜技術(shù)

分析式鐵譜儀主要對(duì)油液中較大的鐵磁性磨粒和部分具有明顯顏色特征的金屬磨粒 (如銅等)的形貌、顏色和輪廓尺寸進(jìn)行識(shí)別，但精度較低、重復(fù)性差，只能定性分析，主要依賴(lài)于分析人員經(jīng)驗(yàn)，在油液監(jiān)測(cè)故障診斷中有重要的旁證價(jià)值。直讀式鐵譜儀可按磨粒尺寸大小定量測(cè)試大小磨粒的顆粒數(shù)。但兩種儀器對(duì)非鐵磁性磨粒的識(shí)別效用不大。近年來(lái)有人提出用具有選擇性的磁流體對(duì)油液中不同的非鐵磁性金屬磨粒進(jìn)行磁化，將非鐵磁性磨粒保留在譜片上進(jìn)行研究取得了一定的成果。

1.4 污染度分析技術(shù)

油液的污染度是指單位容積油液中固體顆粒污染物的含量，即油液中所含固體顆粒污染物的濃度。油液污染度標(biāo)準(zhǔn)從最早使用的質(zhì)量污染度和體積μL/L、質(zhì)量μg/g等，逐漸改進(jìn)為可反映顆粒尺寸及分布的顆粒污染度表示方法。油液的污染度分析是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的液壓油的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)和分析油液中固體顆粒污染物的濃度、尺寸大小、尺寸分布以及質(zhì)量等的變化，研究固體顆粒污染物的特性與機(jī)械零部件磨損之間的關(guān)系，為計(jì)算顆粒粒度分布函數(shù)的數(shù)學(xué)參量提供準(zhǔn)確的基本數(shù)據(jù)，并從顆粒數(shù)量的統(tǒng)計(jì)角度判斷機(jī)械的工作狀態(tài)和磨損情況，為機(jī)械設(shè)備的故障診斷和維修決策提供依據(jù)。液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，主要是對(duì)其污染度進(jìn)行控制。通常液壓油的污染度等級(jí)沒(méi)有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，液壓系統(tǒng)的運(yùn)行一般處于正常。

NAS1638污染度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是用100mL油樣中的顆粒尺寸范圍5～15μm、15～25μm、25～50μm、50～100μm 和 ＞100μm 的顆粒數(shù)，表示油液污染度。原定污染度等級(jí)為12級(jí)，為了擴(kuò)大應(yīng)用范圍，現(xiàn)已將污染度等級(jí)擴(kuò)展到21個(gè)等級(jí)。

ISO4406污染度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是用1 mL油樣中的顆粒尺寸大于5μm和15μm的顆粒數(shù)，用“/”符號(hào)隔開(kāi)，表示油液污染度，分為30等級(jí)。

2 試驗(yàn)

2.1 監(jiān)測(cè)儀器

監(jiān)測(cè)儀器包括:超譜M油料光譜分析儀，LNF－C磨粒分析儀，dcA污染度監(jiān)測(cè)儀;FTP－X2型分析式鐵譜儀，OLYMPUS鐵譜顯微鏡。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

對(duì)所有的液壓油樣進(jìn)行光譜分析、dcA污染度測(cè)試分析和LNF－C磨粒分析，對(duì)個(gè)別關(guān)鍵油樣進(jìn)行鐵譜分析。樣品5為第一次換油后的油樣，樣品8為修理并換油后的油樣。

LNF－C磨粒分析儀測(cè)試方法如下:將油樣加熱0.5 h，搖勻5min，消泡1min，進(jìn)行測(cè)試。

2.3 結(jié)果

2.3.1 污染度對(duì)比

對(duì)所有油樣進(jìn)行污染度分析，結(jié)果如表1。從表1中可以看出，dcA測(cè)試儀與LNF－C磨粒分析儀兩臺(tái)儀器因其測(cè)試的原理不同，對(duì)同一油樣得出的顆粒總數(shù)數(shù)值不相同，但得出的NAS1638和ISO4406污染等級(jí)相近。

表1 dcA測(cè)試和LNF－C磨粒測(cè)試污染度的比較

2.3.2 相關(guān)性

表2中第一次換油前光譜數(shù)據(jù)表明:銅元素含量有異常增加，達(dá)到了48.1μg/g;LNF－C磨粒測(cè)試數(shù)據(jù)和圖1磨粒圖片表明，磨粒以疲勞磨損為主，從而初步判斷出絞纜機(jī)的銅質(zhì)摩擦副疲勞磨損較重。為了進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，進(jìn)行鐵譜分析如圖2所示發(fā)現(xiàn)，在鐵譜片55mm區(qū)存在大量的塊狀銅磨粒。建議換油后繼續(xù)取樣監(jiān)測(cè)。

表2 光譜數(shù)據(jù)和LNF－C磨粒測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

第一次換油后的絞纜機(jī)液壓油中銅元素含量回落，但第二次取樣，銅元素含量就猛升到79.2μg/g，鐵含量達(dá)到了175μg/g，表明異常磨損仍然存在，而且鈉元素含量達(dá)到了854μg/g，懷疑液壓油進(jìn)海水。由于油液乳化嚴(yán)重，LNF－C磨粒分析儀對(duì)乳化的油樣沒(méi)有效用。此時(shí)，應(yīng)用鐵譜分析分析磨粒如圖3所示。

圖1 LNF－C磨粒分析的切削磨粒、疲勞磨粒和非金屬顆粒

圖2 4#樣品的鐵譜圖片

圖3 6#樣品的鐵譜圖片

從圖3可以看出，在大顆粒區(qū)存在大量污染物，在30mm區(qū)存在大量的紅色氧化物，50mm區(qū)存在較大的切削銅磨粒和塊狀銅磨粒，建議立即拆檢修理。經(jīng)拆檢查實(shí)，油箱冷卻器盤(pán)管故障導(dǎo)致液壓油進(jìn)海水，引起了液壓設(shè)備的異常磨損。經(jīng)修理并更換液壓油后，銅、鐵元素含量回落，數(shù)值基本穩(wěn)定。

3 結(jié)論

油料光譜分析、鐵譜分析、污染度分析和LNF－C磨粒形狀分類(lèi)分析等油液監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)在用液壓油中磨粒監(jiān)測(cè)具有較好的相關(guān)性。一般情況下，光譜分析、污染度分析和LNF－C自動(dòng)磨粒形狀分類(lèi)分析可對(duì)液壓油中磨粒作出較為準(zhǔn)確的判斷，鐵譜分析可作為旁證。但當(dāng)油樣嚴(yán)重乳化，在進(jìn)行LNF－C磨粒分析前必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?(如用同一牌號(hào)的新油進(jìn)行稀釋或用無(wú)水溶劑稀釋)，或者進(jìn)行鐵譜分析。

［1］毛美娟，朱子新，王峰.機(jī)械裝備油液監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006:68.

［2］萬(wàn)耀青，鄭長(zhǎng)松，馬彪.油液分析故障診斷中的信息融合問(wèn)題 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21(9):1－4.