油液監(jiān)測技術在神東礦區(qū)的應用

李 娟，王飛雪

(鄂爾多斯市神東檢測有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

油液監(jiān)測技術，是以油液分析為手段，通過對在用油液的磨粒檢測、污染度檢測、理化性能檢測、元素分析等，對機械設備進行在用油使用狀況實施動態(tài)監(jiān)控、預測與診斷，并提出管理措施和維修決策的技術[1-3]。神東煤炭集團引進了油液監(jiān)測技術對煤礦采煤機械設備進行監(jiān)測，及時了解設備狀態(tài)，制定相應的預防預測性檢修措施，從以前的事后維修、周期性維修到現(xiàn)在的根據(jù)監(jiān)測信息實施主動維修。從而降低設備故障率，延長設備的使用壽命，避免設備因頻繁維修或者盲目換油而造成的浪費[4-6]。油液監(jiān)測技術作為設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的重要方法之一，在神東煤炭集團已堅持20多年。從1995年神東引進第一臺采煤機，油液監(jiān)測技術作為設備故障診斷的首選手段就被引進神東，對設備的油液跟蹤化驗分析。2002年神東成立設備管理中心，設立專業(yè)機電檢測實驗室，擁有最先進的儀器和油液分析專家系統(tǒng)。截止目前設備的油液監(jiān)測技術已成為發(fā)現(xiàn)設備隱患的主要手段和方法之一。2005年成立檢測中心，每年監(jiān)測在用油設備約2.2萬個，為神東礦區(qū)采煤設備實現(xiàn)主動維修提供科學依據(jù)。

1 取樣點位、周期和取樣要求

1.1 取樣點位和周期

取樣點位：經(jīng)過長期的檢測和摸索對油液監(jiān)測點位進行了確定，將主要采煤設備如長臂采煤機(搖臂、行星輪、牽引、破碎、液壓)、連采機(滾筒、截割、耙爪、行走、液壓)、掘錨機(截割頭、耙爪、行走、運輸)、刮板機(機頭減速器、機尾減速器)、轉載機減速器、破碎機減速器、膠帶機等進行了重點監(jiān)測。

取樣周期：綜采設備取樣周期確定為15 d，連采和運轉的主要設備周期為2個月，洗煤廠的主要設備監(jiān)測周期為3個月。在油液監(jiān)測報告顯示為異常時，區(qū)隊對被監(jiān)測點位進行換油并重點監(jiān)護此點位噪聲、溫度等信息，取樣周期縮短為3 d。

1.2 取樣要求

各單位取樣人員應在停機后半小時內(nèi)取樣，如停機超過半小時，必須啟動設備，至少運轉5～15 min，使油液達到均勻后再??；應始終固定在同一位置取樣，井下設備目前從放油口處取樣，有條件的可安裝取油閥門；取油前，取油孔周圍應擦拭干凈；有油堵的取樣點，松動油堵，放掉適量的油，沖洗后再接取油樣；每個部位取樣量應在100 mL及以上。

2 油液監(jiān)測的流程

2.1 總流程

根據(jù)公司各單位生產(chǎn)情況檢測公司給生產(chǎn)單位下發(fā)的取樣計劃，各單位機電科設備潤滑管理人員接到取樣計劃后下發(fā)給各生產(chǎn)區(qū)隊、車間，生產(chǎn)單位按照計劃時間從設備被監(jiān)測點位取樣，然后檢測公司到生產(chǎn)單位將樣品取回，接收油填寫任務單，被監(jiān)測油樣并附帶檢測任務單流轉到實驗室，實驗室專人負責樣品接樣檢測并出具檢測報告。

2.2 實驗室檢測流程

檢測公司負責油樣檢測的實驗室檢驗員對取回的在用油根據(jù)標準要求進行檢測，主要包括在用油的來樣登記(包括送檢單位、區(qū)隊、工作面、油樣數(shù)量、取樣點位、取樣日期、取樣人等)，登記完畢后利用水分測定器對來樣水分進行檢測，利用石油產(chǎn)品和添加劑機械雜質(zhì)測定器檢測在用油中的機械雜質(zhì)，然后進行制備試樣制作鐵譜片，樣品制備好后用旋轉式鐵譜儀進行制作鐵譜片，借助鐵譜顯微鏡進行磨粒的定量和定性分析。對于異常點位進行重點分析和比對，然后將報告上傳至資產(chǎn)管理系統(tǒng)中后，將譜片存檔。

3 油液監(jiān)測的內(nèi)容及案例

3.1 油液主要物理化學性能分析

水分：潤滑油中水分的存在，會破壞潤滑油形成的油膜，使油液潤滑效果變差，加速有機酸對金屬的腐蝕作用，銹蝕設備，使油品容易產(chǎn)生沉渣；總之，潤滑油中盡量做到水分檢測結果零痕跡。潤滑油中混入水后會造成乳化和破壞油膜，降低油液的潤滑性，加劇摩擦副部件間磨損，同時加速對摩擦副的腐蝕并使?jié)櫥鸦?，特別對有添加劑的油液含水會使添加劑乳化、沉淀或分解而失效；所以水含量也是油液劣化的重要指標。油中水分一旦超標乳化，就必須對監(jiān)測部位采取換油措施，以減少對部件的腐蝕，設備維護人員應盡快找出被監(jiān)測部位油液乳化的原因，并進行維修[7-8]。

機械雜質(zhì)：油中雜質(zhì)來源主要有空氣中的粉塵、機械中零部件的磨損元素、油品中添加劑基礎油本身存在的元素，神東煤炭集團通過自動顆粒計數(shù)器或機械雜質(zhì)含量的檢測來確定油液污染等級；自動顆粒計數(shù)器通過定量檢測潤滑油中的污染顆粒的數(shù)量來確定污染等級，多用于液壓系統(tǒng)或著比較干凈的潤滑油系統(tǒng)油液的監(jiān)測，不能夠?qū)ξ廴驹催M行分析；機械雜質(zhì)是指存在于潤滑油中不溶于汽油、乙醇和苯等溶劑的沉淀物或膠狀懸浮物，這些雜質(zhì)大部分是砂石和鐵屑之類，以及由添加劑帶來的一些難溶于溶劑的有機金屬鹽；機械雜質(zhì)各元素的含量測定是進行油脂化驗的主要內(nèi)容，是對設備進行故障診斷分析的理論基礎，油中雜質(zhì)分為正常、清潔和污染3種等級，對雜質(zhì)含量等級輕微的點位更換濾芯進行油液清潔，達到污染等級的油液會影響設備正常潤滑要及時更換新油，以免造成設備故障。

3.2 油液磨粒分析

鐵譜技術之所以能得到快速發(fā)展，是因為它具有其他機械磨損檢測技術所不具備的獨特優(yōu)勢，利用鐵譜技術才能按磨粒大小依序沉積和排列并實現(xiàn)直接觀察機械磨損產(chǎn)物[9]。無論從磨屑的單體特征，如形狀、大小、成分、表面紋理等；還是磨粒的群體特性，如總量、粒度分布等，都帶有有關機械摩擦副和潤滑系統(tǒng)狀態(tài)的豐富信息，這類信息的獲取，不需要通過傳統(tǒng)的拆卸方式，并且能夠為主動維修提供可靠依據(jù)。

利用PQL鐵屑指數(shù)通過檢測在用油或潤滑脂中鐵磁性磨損金屬顆粒的數(shù)量進行定性分析，且能夠較為準確地判斷油中磨損顆粒的濃度變化，推斷設備的磨損量和磨損濃烈程度。

利用光譜分析是根據(jù)物質(zhì)的光譜來鑒別物質(zhì)及確定其化學組成和相對含量的方法，ICP光譜儀可以實現(xiàn)對一個試樣進行多元素分析并獲得各種元素含量。在實際工作中，通過分析油樣中磨損金屬顆粒元素的成分和濃度來判斷設備部件磨損的情況，添加劑元素和污染元素來分析在用油添加劑損耗度和油液污染程度。利用光譜分析跟蹤設備某一部位油液就可以得出該設備部件摩擦副的磨損趨勢和油液中添加劑的消耗情況。

鐵譜檢測儀器設備的配置：使用的旋轉式鐵譜儀主要由圓柱形永久磁鐵，傳動裝置、試樣輸送定位裝置和控制部件等組成；其工作原理是用定量移液器將油樣滴入固定在磁場上方的正方形基片中心，磁鐵和基片在電機帶動下一起旋轉。油樣中的磨粒物質(zhì)在離心力、磁場力、重力和液體粘滯阻力等合力的作用下，按其粒度不同在譜片上沉積成與環(huán)形結構磁場相對應的3個同心磨粒環(huán)；鐵譜分析用的顯微鏡應為透反射偏光顯微鏡，其中反射功能用于觀察金屬磨損顆粒等不透光顆粒，透射和偏振功能在觀察纖維顆粒、透明砂礫、摩擦聚合物等時可以用到；試驗中使用的四氯乙烯、無水乙醇均是常規(guī)的分析純試劑，稀釋油的選用建議選用同一品牌同一牌號的新油，為避免新油中的雜質(zhì)影響檢測結果，因此都預先進行過濾；試驗中使用的定量移液器、試管根據(jù)制譜時的取樣量，使用1 mL的定量移液器和10 mL試管。

鐵譜分析中樣品的加熱與振蕩：對于運動粘度(40 ℃)大于100 mm2/s的油樣(如220#齒輪油)，將樣品瓶在65±5 ℃的干燥箱中保溫30 min，再用手或者機械振動機構(如超聲波清洗機)充分振蕩，使油樣中的磨粒完全分散，呈充分懸浮狀態(tài)；對于運動粘度(40 ℃)小于100 mm2/s的油樣(如液壓油及液力傳動油)則無需加熱，直接振蕩使其懸浮。

樣品的稀釋：對于運動粘度大于100 mm2/s的樣品混合均勻后立即用移液器取樣1 mL加入干凈試管中，再加入3 mL稀釋油稀釋；對于運動粘度(40 ℃)小于100 mm2/s的樣品不需要稀釋；粘度稀釋是進行濃度稀釋后的油樣搖勻用移液器取樣1 mL加入另一試管中，用四氯乙烯進行稀釋；運動粘度大于100 mm2/s的樣品與四氯乙烯的粘度稀釋比為1∶3，運動粘度(40 ℃)小于100 mm2/s的油樣粘度稀釋比為1∶1，搖勻后作為試樣；為了防止基片攜帶的雜質(zhì)影響檢測結果，用稀鹽酸清洗可以去除無機物雜質(zhì)、用無水乙醇去除有機物雜質(zhì)。

譜片的制作：鐵譜儀的定位漏斗，用膠頭滴管滴無水乙醇于磁場裝置的磁頭上，并覆蓋磁頭表面，將玻璃基片輕輕放置于磁頭上，保證基片與磁頭之間無氣泡；蓋上定位漏斗，從定位漏斗上方滴四氯乙烯于基片上，將基片表面覆蓋；啟動鐵譜儀，將轉速控制在75 r/min下將油樣均勻滴入定位漏斗，時間控制在90～120 s；向滴完油樣的試管中加入1 mL四氯乙烯振蕩清洗，將鐵譜儀轉速調(diào)到150 r/min，然后重復上述清洗方法3遍，時間控制在3～4 min；取下定位漏斗，將轉速調(diào)至200 r/min，將譜片甩干，時間控制在5～8 min；關閉鐵譜儀開關，垂直向上輕輕取出譜片。

譜片的觀察：將譜片置于顯微鏡的載物臺上，調(diào)節(jié)焦距使磨損顆粒清晰可見；按照間隔50°～70°，在內(nèi)圈選取6個視場，進行磨損顆粒特征觀察并記錄。

監(jiān)測結果的錄入：在用油監(jiān)測結果每次都會錄入公司的資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)里有每臺被監(jiān)測設備的信息，包括使用部門設備規(guī)格型號、工作面信息、設備編碼、取樣點位、油液分析報告相關信息；監(jiān)測人員將各類設備的油液分析結果錄入該系統(tǒng)中，設備使用、維修和管理單位可隨時獲得設備潤滑情況，監(jiān)測報告結果顯示某點位存在異常需要進行換油處理時，資產(chǎn)管理系統(tǒng)會自動生成換油工單，相關人員會對異常點位實施換油；運行管理員會對生產(chǎn)單位的換油工序進行監(jiān)督和檢查，以確保工單任務的順利完成和設備的正常潤滑，資產(chǎn)管理系統(tǒng)為設備實現(xiàn)主動維修提供了信息化平臺，并對異常點位進行記錄形成跟蹤曲線。

3.3 典型磨損顆粒的識別和形成機理分析

鐵譜技術中最重要的是對不同類型的磨損顆粒進行識別，進而判斷磨損的機理，對磨損失效提出早期預報，采取相應的措施。對被監(jiān)測設備實行主動維修。

潤滑油中的磨粒，主要來自機器摩擦副零件的金屬及其氧化物磨粒；潤滑油脂自身因高溫高壓氧化形成的摩擦聚合物；外界的雜質(zhì)顆粒，包括砂礫、纖維、煤屑、塵埃等。常見的磨損顆粒有以下7種。

正常磨損顆粒：正常磨損顆粒的形態(tài)呈鱗片狀，磨粒有著光滑的表面，機械磨合期間還常出現(xiàn)一些長條狀和扁平狀的磨粒，也屬于正常磨損顆粒。

切削磨損顆粒：切削磨損顆粒的形態(tài)一般呈曲線狀、螺旋線狀、環(huán)狀和條狀等。由零件的尖銳刃邊產(chǎn)生的磨粒通常粗大，當潤滑表面間存在堅硬的夾雜物或磨料時會產(chǎn)生細小線性切削磨損顆粒。

疲勞磨損顆粒：疲勞磨損顆粒主要產(chǎn)生有3種，①疲勞剝塊，塊狀，表面光滑有麻點；②球形磨粒，表面光滑球形；③層狀顆粒，極薄，表面有孔洞、折皺、裂紋等缺陷。

鐵的氧化物顆粒：鐵的氧化物分為紅色氧化物和黑色氧化物。

腐蝕磨損顆粒：腐蝕磨損顆粒是極細和極均勻的亞微米級黃褐色的顆粒，沒有金屬光澤，很難區(qū)分單個顆粒。

有色金屬顆粒：有色金屬顆粒的特征是顆粒不按磁場方向排列，而以隨機方式沉淀，大多數(shù)偏離鐵磁性磨損顆粒鏈或處在相鄰兩鏈之間，并往往帶有有色金屬本身的特征顏色。

嚴重滑動磨損顆粒：磨粒尺寸較大，表面有明顯的劃痕和開裂跡象，棱邊平直，有時表面有回火色。

3.4 監(jiān)測報告結論的類別

把監(jiān)測結果分為正常、輕微、異常和嚴重4個等級。正常是指油中水分、雜質(zhì)磨損顆粒均為正常。正常磨損等級的磨損顆粒是機器在正?；瑒訝顟B(tài)下產(chǎn)生的不會影響設備的使用，正常磨損顆粒產(chǎn)生時，油箱內(nèi)的油可以繼續(xù)使用，無需其他操作。

輕微：是指設備被監(jiān)測部位出現(xiàn)輕微的異常磨損，無論濃度或粒度都未達到異常磨損等級，不需用更換油液但需要對所檢設備部位溫度和噪音的變化進行監(jiān)測并適當縮短取樣周期進行監(jiān)測。

異常：是指設備被監(jiān)測部位出現(xiàn)了明顯的異常磨損，磨損顆粒在顆粒類型、顆粒大小、顆粒濃度、油水分超標、雜質(zhì)污染這5項指標中某一項或多項達到了異常等級，需要立即換油，查找并排除油樣異常的原因，換油后需監(jiān)護運行并縮短換油周期進行監(jiān)測。

嚴重：是指設備被監(jiān)測部位出現(xiàn)了嚴重的機械磨損故障隱患，磨損顆粒在顆粒類型、顆粒大小、顆粒濃度、油水分超標、雜質(zhì)污染這5項指標中某一項或多項達到了嚴重等級，需要立即換油，查找并排除異常的原因，換油后需監(jiān)護運行并將換油周期縮短為3天進行監(jiān)測，如檢測結果依然屬于嚴重等級，則需立即準備更換該點位的大型部件并對替換下來部件進行拆解檢測，查清原因，及時發(fā)現(xiàn)和排除設備的故障隱患，減少損失。

3.5 油液監(jiān)測典型案例

2015年7月，神東某礦綜采工作面長臂采煤機右搖臂行星頭齒輪箱潤滑油油樣的例行監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)該點位油樣存在異常，具體表現(xiàn)為：油樣呈渾濁的黑色，視場內(nèi)磨損顆粒濃度超過60%，滾-滑復合磨損顆粒的長軸尺寸超過200 μm(圖1)。于是立即通知運行管理員和礦方機電人員對該采煤機檢查，檢查發(fā)現(xiàn)該齒輪箱由于油堵丟失而導致漏油，油位過低，為保險起見礦方?jīng)Q定更換該搖臂并送往維修中心拆解檢查。拆解后發(fā)現(xiàn)該部件二級行星輪齒圈出現(xiàn)大面積剝落，如圖2所示，嚴重影響設備正常運行和設備部件壽命。

a-包含嚴重滑動顆粒的各類混合磨損顆粒；b-超過200 μm的滾滑復合磨損顆粒；c-尺寸為60～150 μm的各類疲勞顆粒；d-堆積在一起的各類大塊疲勞顆粒圖1 該采煤機油樣磨損顆粒示意圖

2018年4月，檢測中心油液監(jiān)測人員在對神東某工作面采煤機右搖臂的油液進行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)該油液中磨損顆粒在尺寸、濃度上均達到“嚴重”等級，油液中的疲勞剝塊達到了250 μm以上，油液中水分含量為16%，已經(jīng)水分超標。立即聯(lián)系該礦機電科通知區(qū)隊，區(qū)隊現(xiàn)場人員也發(fā)現(xiàn)檢測到該采煤機右搖臂有高溫現(xiàn)象，建議立即實施換油，后來檢修發(fā)現(xiàn)右搖臂中心水管漏水，水套密封破損，維修后經(jīng)過連續(xù)2次監(jiān)測，右搖臂溫度正常。分析出現(xiàn)這種情況可能是由于較大磨損顆粒的存在和油液乳化導致潤滑油潤滑性能下降，發(fā)生異常磨損，導致?lián)u臂溫度升高。

圖2 齒圈磨損照片

4 結語

油液監(jiān)測技術在神東礦區(qū)經(jīng)過了20多年的礦井實踐應用，預報過很多次設備故障，減少了故障停機，為實現(xiàn)采煤設備實施主動維修提供了重要的依據(jù)。隨著科技的發(fā)展，油液在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功，可以和油液監(jiān)測系統(tǒng)廠家合作，對被監(jiān)測單位油液實行實時監(jiān)測，這樣既可以避免因現(xiàn)場取樣不規(guī)范或因為典型磨損顆粒沉底而取不到具有代表性的油樣或檢測人員經(jīng)驗不足對監(jiān)測結果的影響，又可以及時發(fā)現(xiàn)設備故障隱患，隨時實施維修，提高設備生產(chǎn)效率。