主成分分析在柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨粒分析中的應(yīng)用*

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430033)

對(duì)裝備在用潤(rùn)滑油中的磨粒進(jìn)行分析可以揭示摩擦副的磨損機(jī)制，判斷裝備磨損程度和磨損類(lèi)型，預(yù)測(cè)可能的失效[1]?；谝誀顟B(tài)維護(hù)和可靠性為中心的維修理念(CBM/RCM)[2]，對(duì)船舶柴油機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)行磨粒分析可以為柴油機(jī)的安全可靠運(yùn)行提供保障。

磨粒分析包括對(duì)鐵磁性磨粒的分析和對(duì)非鐵磁性磨粒的分析， 常見(jiàn)的分析技術(shù)有分析式鐵譜、原子發(fā)射光譜、鐵量?jī)x等[1]。分析式鐵譜技術(shù)可以有效獲取油樣中鐵磁性磨粒的形貌尺寸特征，但制譜周期長(zhǎng)，對(duì)分析環(huán)境和人員要求較高且重復(fù)性差，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍[3]。原子發(fā)射光譜技術(shù)可以快速獲取油樣中磨損金屬元素含量，但無(wú)論是轉(zhuǎn)盤(pán)電極還是等離子耦合發(fā)射光譜對(duì)大于10 μm的顆粒檢測(cè)都不敏感[4-5]。鐵量?jī)x可以快速有效檢測(cè)油樣中鐵磁性磨粒的總量，但是如果油樣中存在大尺寸的非鐵磁性磨粒，會(huì)對(duì)PQ值產(chǎn)生負(fù)影響[6]。磁力法采用磁力測(cè)量方法檢測(cè)油樣的鐵磁性磨粒總量，也無(wú)法檢測(cè)到油樣中的大尺寸非鐵磁性磨粒[7]。張奇等人[8]采用濾膜法對(duì)鐵磁性磨粒進(jìn)行吸附，快速檢驗(yàn)出油樣中大于10 μm的非鐵磁性磨粒，但沒(méi)有對(duì)磨粒尺寸特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

受機(jī)器型號(hào)、工作環(huán)境、運(yùn)行工況等因素的影響，目前對(duì)于船舶柴油機(jī)的整體磨損狀態(tài)難以制定確切的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。利用磨粒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)同型柴油機(jī)的油樣進(jìn)行聚類(lèi)研究，可以將相近磨損狀態(tài)的油樣進(jìn)行歸類(lèi)，有助于對(duì)柴油機(jī)磨損狀態(tài)的評(píng)估。主成分分析是通過(guò)降維技術(shù)將原來(lái)眾多具有一定相關(guān)性的特征轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個(gè)相互無(wú)關(guān)的綜合特征的統(tǒng)計(jì)分析方法[9-10]。通過(guò)主成分分析，可以剔除原始特征的重復(fù)性信息，從原始特征錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系中提取主要成分，揭示特征之間的內(nèi)在關(guān)系。本文作者采用主成分分析法，對(duì)船舶柴油機(jī)在用油樣的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)、PQ值、磁力值以及非鐵磁性磨粒的尺寸最大值和平均值進(jìn)行了研究，根據(jù)磨損監(jiān)測(cè)特征對(duì)油樣進(jìn)行了聚類(lèi)分析。

1 油樣及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)某船隊(duì)某同型柴油機(jī)共計(jì)14臺(tái)進(jìn)行潤(rùn)滑油取樣分析，自2016年1月10日開(kāi)始至2016年12月29日結(jié)束，共取得實(shí)際工作油樣105個(gè)。對(duì)105個(gè)油樣，采用國(guó)產(chǎn)OAS750型原子發(fā)射光譜儀獲得了油樣中典型元素的含量，采用鐵量?jī)x和磁力法檢測(cè)裝置測(cè)量了鐵磁性磨粒的總量。

篩選出105個(gè)油樣中鐵磁性磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0的油樣以及Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于平均值(1.925×10-5)的油樣共計(jì)18個(gè)。對(duì)這18個(gè)油樣繼續(xù)進(jìn)行非鐵磁性磨粒的分析。在文獻(xiàn)[8]的研究基礎(chǔ)上，利用鐵譜顯微鏡對(duì)濾膜(孔徑規(guī)格10 μm)上的非鐵磁性磨粒進(jìn)行覆蓋掃描，提取了濾膜上所有非鐵磁性磨粒的形貌尺寸特征。濾膜分析過(guò)程中，用強(qiáng)磁鐵吸附掉了油樣中的鐵磁性磨粒，統(tǒng)計(jì)濾紙上非鐵磁性磨粒的平均尺寸和最大尺寸。從濾膜法分析結(jié)果來(lái)看，Al、Cu等非鐵磁性磨損元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的油樣，也存在大顆粒非鐵磁性磨粒，且磨粒平均尺寸并不低于Al、Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的油樣。表1列出了18個(gè)油樣的原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)。表2列出了18個(gè)油樣的PQ值、磁力值及非鐵磁性磨粒的最大尺寸和平均尺寸。

表118個(gè)油樣的原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)

Table1Theatomicemissionspectraldataof18oilsamples

10-6

油樣序號(hào)FeAlCuCrPbSiNaMgCaPZn140.611.32372.582.616.1417.5117.532 897.48811.63905.93259.322.7319.62.573.366.2665.1613.673 014.73949.16987.273162.320.9810.512.132.956.0570.5412.273 026.72929.67935.214114.690.9611.871.722.85.2861.5711.812 917.61882.89947.19566.571.068.691.233.866.3956.6311.952 851.64854.63905.66657.380.748.140.952.613.3569.9311.722 813.02944.33915.58769.040.828.380.962.593.6669.7411.812 797.76966.66931.028103.381.114.811.9136.1369.6612.762 844.74951.51969.419134.081.1414.012.43.446.0778.0812.262 806.06959.3295110119.190.912.662.143.185.3967.3411.842 675.71908.9908.351114.251.88.241.332.977.1981.2815.572 991.4941.5913.171230.9513.6221.561.8824.463.051 025.92394.954 021.46870.411 035.981321.1310.5516.560.975.412.8140.2349.592 716.97706.47894.181421.3710.2815.071.045.342.91140.2748.062 763.63773.04910.591522.9610.8217.051.095.713.03134.6146.272 795.76720.27909.321624.6510.5517.21.144.212.74155.446.132 880.29822.16895.571728.269.7625.981.346.075.11227.4753.942 927.5803.76954.461819.321.054.960.564.327.71142.6826.162 737.38713.35857.19

表2 18個(gè)油樣的PQ值、磁力值及非鐵磁性磨粒的最大尺寸和平均尺寸

2 主成分分析

在柴油機(jī)在用潤(rùn)滑油的磨粒分析中，監(jiān)測(cè)特征眾多，且部分特征之間存在相關(guān)性。將主成分分析法用于對(duì)柴油機(jī)在用潤(rùn)滑油的磨粒分析中，可以在保證獲取盡可能多的磨損信息基礎(chǔ)上，降低監(jiān)測(cè)特征的維度，減小磨粒分析的復(fù)雜程度[11-12]。

對(duì)油樣進(jìn)行主成分分析的步驟如下：

(1)設(shè)有n個(gè)油樣，p個(gè)監(jiān)測(cè)特征，原始數(shù)據(jù)矩陣Xn×p=(X1,X2,......,Xp)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣：

(2)構(gòu)造油樣監(jiān)測(cè)特征的相關(guān)系數(shù)陣：

R=(rij)p×p=X*′X*

(2)

求R的特征值λ1≥λ2......≥λp≥0以及各特征值對(duì)應(yīng)的單位特征向量：

(3)主成分表達(dá)式:

yi=ui1x1+ui2x2+......uipxp,(i,j=1,2,......,p)

(3)

(4)確定主成分：

(5)計(jì)算主成分得分用于評(píng)價(jià)樣本：

Cij=(Xi*)′·uj,(i,j=1,2,......,p)

(4)

3 數(shù)據(jù)分析

油樣的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)、鐵磁性磨?？偭恳约胺氰F磁性磨粒尺寸特征綜合反映了在用柴油機(jī)的磨損狀態(tài)，可以根據(jù)這些磨粒監(jiān)測(cè)值對(duì)油樣的磨損狀態(tài)進(jìn)行聚類(lèi)分析。為了減少濾膜法重復(fù)性差的干擾，在剔除濾紙磨粒數(shù)量這一特征的基礎(chǔ)上，利用主成分分析法對(duì)表1、2所示18個(gè)油樣的15個(gè)監(jiān)測(cè)特征進(jìn)行挖掘研究。主成分分析結(jié)果見(jiàn)表3，根據(jù)表3分析結(jié)果，前3個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到80%，說(shuō)明前3個(gè)主成分即可良好地代表磨粒攜帶的磨損信息。

表3 主成分分析結(jié)果

通過(guò)前3個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征向量對(duì)主成分進(jìn)行分析。第一主成分對(duì)應(yīng)的特征向量中除第1分量(Fe元素含量系數(shù))、第6分量(Si元素含量系數(shù))、第10分量(P元素含量系數(shù))、第12分量(PQ值)、第13分量(磁力值)、第14分量(濾膜顆粒平均尺寸)、第15分量(濾膜顆粒最大尺寸)為負(fù)值外，其分量均接近于0或?yàn)檎?，說(shuō)明第一主成分是負(fù)向反映柴油機(jī)整體磨損劇烈程度的綜合指標(biāo)。第二主成分對(duì)應(yīng)的特征向量中只有第2分量(Al元素含量系數(shù))小于0，且第3分量(Cu元素含量系數(shù))、第14分量(濾膜顆粒平均尺寸)、第15分量(濾膜顆粒最大尺寸)均接近0，其他分量均大于0，說(shuō)明第二主成分負(fù)向代表了非鐵磁性磨粒攜帶的信息量。第三主成分對(duì)應(yīng)的特征向量中除第1分量(Fe元素含量系數(shù))、第2分量(Al元素含量系數(shù))、第3分量(Cu元素含量系數(shù))和第4分量(Cr元素含量系數(shù))大于0外，其余分量均接近于0或?yàn)樨?fù)數(shù)，說(shuō)明第三主成分是正向反映小顆粒磨粒(尺寸小于10 μm)信息量的指標(biāo)。

根據(jù)油樣的前3個(gè)主成分得分對(duì)油樣進(jìn)行聚類(lèi)分析。表4列出了18個(gè)油樣對(duì)應(yīng)的前3個(gè)主成分的得分情況。根據(jù)主成分方差貢獻(xiàn)率規(guī)律，第一、二、三主成分對(duì)聚類(lèi)影響程度依次降低。因此，進(jìn)行油樣聚類(lèi)分析時(shí)，盡量保留高順位的主成分。圖1所示為油樣的第一、二主成分得分散點(diǎn)圖，圖2所示為油樣的第一、三主成分得分散點(diǎn)圖。

表4 油樣主成分得分

圖1 第一、二主成分得分散點(diǎn)圖

Fig 1 The first and second PC scatter plot

圖2 第一、三主成分得分散點(diǎn)圖

圖1和圖2顯示，除去油樣1外，根據(jù)第一、二主成分與根據(jù)第一、三主成分進(jìn)行油樣聚類(lèi)的結(jié)果基本一致。根據(jù)主成分得分將18個(gè)油樣聚成類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果如表5所示。如圖1所示，A、B、C三類(lèi)油樣在橫軸方向從小到大依次排列，說(shuō)明A、B、C三類(lèi)油樣整體磨損程度依次降低，A類(lèi)油樣磨損最劇烈；B類(lèi)油樣聚集在豎軸方向最底端，說(shuō)明B類(lèi)油樣受非鐵磁性磨粒影響最大；C類(lèi)油樣在圖1中位于右上角，在圖2中位于右下角，說(shuō)明C類(lèi)油樣從3個(gè)主成分代表的磨損評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析都是磨損程度最低的油樣。

表5 油樣聚類(lèi)結(jié)果

4 聚類(lèi)結(jié)果驗(yàn)證分析

對(duì)A、B、C三類(lèi)油樣中典型磨粒的形貌尺寸特征進(jìn)行分析，檢驗(yàn)聚類(lèi)結(jié)果的可靠性。

圖3所示為A類(lèi)油樣的典型磨粒圖樣。11個(gè)A類(lèi)油樣中，非鐵磁性磨粒平均尺寸集中在30 μm左右，個(gè)別油樣中磨粒的最大尺寸達(dá)到100 μm以上。典型代表磨粒中，油樣2磨粒表面有多道劃痕,屬于嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒；油樣4磨粒表面有褶皺且存在斷裂跡象，屬于層狀磨粒；油樣7磨粒尺寸達(dá)到100 μm以上，表面粗糙且輪廓極不規(guī)則，屬?lài)?yán)重滑動(dòng)磨粒。A類(lèi)油樣典型磨粒大多屬于層狀磨?；驀?yán)重滑動(dòng)磨粒，預(yù)示著柴油機(jī)處于嚴(yán)重疲勞磨損狀態(tài)或黏著磨損狀態(tài)。

圖3 A類(lèi)油樣典型磨粒圖樣

圖4所示為B類(lèi)油樣的典型磨粒圖樣。

圖4 B類(lèi)油樣典型磨粒圖樣

如圖4所示,6個(gè)B類(lèi)油樣中，磨粒的平均尺寸基本在20 μm左右，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)尺寸大于50 μm的磨粒。B類(lèi)油樣的典型磨粒以片狀為主，磨粒表面無(wú)明顯凹坑或劃痕，屬疲勞剝離磨粒,預(yù)示柴油機(jī)處于輕微疲勞磨損狀態(tài)。

圖5所示為C類(lèi)油樣的典型磨粒圖樣，C類(lèi)油樣只有一個(gè)油樣12。油樣12中，磨粒的平均尺寸為19.4 μm。除了疲勞剝離磨粒外，在油樣12中還捕獲到了紅色片狀的氧化物磨粒，預(yù)示柴油機(jī)存在輕微疲勞磨損和腐蝕磨損。

圖5 C類(lèi)油樣(油樣12)典型磨粒圖樣

Fig 5 Typical debris pattern of class C(oil sample 12)

典型磨粒的形貌尺寸特征分析表明：A類(lèi)油樣表明設(shè)備大多處于嚴(yán)重疲勞磨損狀態(tài)或黏著磨損狀態(tài)；B類(lèi)油樣表明設(shè)備基本處于輕微疲勞磨損狀態(tài)；C類(lèi)油樣表明設(shè)備存在輕微疲勞磨損和腐蝕磨損。這與通過(guò)主成分的分散點(diǎn)圖分析結(jié)果相吻合。說(shuō)明采用主成分分析法綜合多項(xiàng)磨粒監(jiān)測(cè)參數(shù)來(lái)對(duì)柴油機(jī)磨損狀態(tài)進(jìn)行聚類(lèi)是合理的，聚類(lèi)結(jié)果具有可靠性。

5 結(jié)論

(1)采用主成分分析法，對(duì)船舶柴油機(jī)在用油樣的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)、PQ值、磁力值以及非鐵磁性磨粒的尺寸最大值和平均值進(jìn)行了研究，根據(jù)磨損監(jiān)測(cè)特征對(duì)油樣進(jìn)行了聚類(lèi)分析。結(jié)果表明：Al、Cu等非鐵磁性磨損元素含量較低的油樣，也存在大顆粒非鐵磁性磨粒。對(duì)于非鐵磁性磨粒的分析不能僅限于發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，需要結(jié)合大顆粒(大于10 μm)非鐵磁性磨粒的尺寸特征進(jìn)行協(xié)同分析。

(2)經(jīng)磨粒圖像形貌特征的分析，驗(yàn)證了主成分分析法可以綜合多項(xiàng)磨粒監(jiān)測(cè)指標(biāo)，將具有相近磨損狀態(tài)的油樣進(jìn)行聚類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果具有可靠性，有助于對(duì)工作柴油機(jī)整體磨損狀態(tài)的評(píng)估。