多功能磨粒分析儀在油液監(jiān)測中的應(yīng)用

侯大慶

(山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，山西 太原 030032)

引 言

油液監(jiān)測是通過檢測懸浮或溶解在被測油液中顆粒物的大小、數(shù)量、形貌和類型等參數(shù)對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，了解磨損的程度、原因以及機理，從而預(yù)測及避免設(shè)備故障發(fā)生的技術(shù)。

20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)了油液監(jiān)測中的顆粒計數(shù)法，在顯微鏡下觀察在用油中顆粒的數(shù)量，數(shù)量越高，設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性越大，這是最早期的油品污染程度的評價。

20世紀(jì)70年代初期，Westcott等推出了鐵譜分析技術(shù)[1]，在顯微鏡下觀察大尺寸顆粒的數(shù)量、形貌，進(jìn)行分類和推斷。因其在故障診斷方面的獨特功能，得到了各方面的關(guān)注。

分析式鐵譜儀使用的標(biāo)準(zhǔn)是《ASTM D7690-2011(R2017)用分析式鐵譜儀對使用中潤滑油顆粒進(jìn)行顯微鏡鑒定的規(guī)程》。

因分析鐵譜主觀性強，對分析人員的能力和經(jīng)驗要求極高，美國海軍研究所開發(fā)出以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)智能磨粒智能分類系統(tǒng)[2]，并發(fā)布了ASTM D7596-2014《對于油使用直接成像綜合測試儀自動顆粒計數(shù)和顆粒形狀分類的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》標(biāo)準(zhǔn)。

我國在20世紀(jì)70年代末開始引進(jìn)鐵譜儀并開展了鐵譜分析方法的研究[3]，發(fā)布了SH/T 0573-1993《在用潤滑油磨損顆粒試驗法(分析式鐵譜法)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

西安交通大學(xué)[4]、武漢理工大學(xué)[5]、石家莊軍械大學(xué)[6]等大學(xué)科研機構(gòu)，在2000年初開始了智能鐵譜方面的研究。

傳統(tǒng)磨損顆粒分析儀主要包括顆粒計數(shù)器和分析鐵譜儀[7]。

傳統(tǒng)顆粒計數(shù)器主要檢測油液中顆粒的大小、分布和數(shù)量。但是顆粒計數(shù)器不能檢測磨粒的形貌與來源，只能表征油液中固體顆粒的多少，無法判斷顆粒是來自外界污染還是設(shè)備自身磨損。

傳統(tǒng)分析鐵譜儀通過梯度磁場，把在用油中的磨損顆粒按尺寸和磁性大小按序排列，在顯微鏡下觀察各種磨損顆粒的大小、濃度、分布和表面形貌，判斷摩擦副的主要磨損原因和磨損嚴(yán)重程度[8]。分析鐵譜主觀性強，只能進(jìn)行定性檢測，沒有定量結(jié)果，對分析人員的能力和經(jīng)驗要求極高，且檢驗效率低。

支持打好三大攻堅戰(zhàn)是財政部門踐行以人民為中心發(fā)展思想的內(nèi)在要求。我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾，這對財政工作提出了新的更高要求。打好三大攻堅戰(zhàn)，既是解決發(fā)展不平衡不充分問題的客觀需要，也是滿足人民日益增長的美好生活需要的必然要求。財政取之于民，用之于民。財政部門在打好三大攻堅戰(zhàn)中，要全面落實以人民為中心的發(fā)展思想，抓住人民群眾最關(guān)心最直接最現(xiàn)實的利益問題，突出財政的公共性和公平性，完善財稅制度安排，有效發(fā)揮防范化解重大風(fēng)險、消除貧困、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的職能作用，不斷增強人民群眾的獲得感、幸福感、安全感。

在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，2016年我院引進(jìn)了美國斯派超公司的LaserNet220多功能磨粒分析儀。該儀器符合GB/T14039-2002《液壓傳動油液固體顆粒污染等級代號》、DL/T 432-2018《電力用油中顆粒度測定方法》和ASTM D7596-2014標(biāo)準(zhǔn)，能對磨損顆粒進(jìn)行自動計數(shù)及分類，并能對鐵譜進(jìn)行高效智能分析和解讀。

1 LaserNet220多功能磨粒分析儀的檢測原理

LaserNet首先是一種顆粒計數(shù)器(見第97頁圖1)，通過激光成像技術(shù)和圖像處理軟件，對≥4 μm顆粒進(jìn)行精確計數(shù)；同時，LaserNet可以對磨損顆粒進(jìn)行智能識別和分類。

樣品通過泵送定量流過樣品池，由特定激光照射此樣品池，然后由高速攝像機進(jìn)行記錄，設(shè)備軟件系統(tǒng)(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))[9]對顆粒物影像進(jìn)行識別，得出樣品清潔代碼。顆粒物分為切削磨損、滑動磨損、疲勞磨損、非金屬、纖維、水珠等。

圖1 顆粒計數(shù)器示意圖

2 LaserNet與光學(xué)顆粒計數(shù)器比較

2.1 傳統(tǒng)顆粒計數(shù)器主要有以下問題

1) 不能檢測高污染度油樣。樣品顆粒濃度太高時，會有顆粒重疊，不能被檢測器區(qū)分，使結(jié)果低于真實值。顆粒計數(shù)器只適合檢測顆粒濃度≤10 000個/mL的樣品。

2) 檢測通道的精確度依賴于穩(wěn)定流速。因為流速會影響傳感器脈沖值。如果樣品流經(jīng)樣品池時的速度過快，超出傳感器反應(yīng)值，會造成結(jié)果偏低，因此傳統(tǒng)顆粒計數(shù)器必須進(jìn)行校準(zhǔn)和在特定的流速下使用。

3) 受顆粒的形貌以及油液的色度影響大。顆粒計數(shù)器是通過光電二極管接受光的多少來計算顆粒數(shù)量，油液的色度和顆粒的形貌會干擾檢測結(jié)果。

2.2 LaserNet

LaserNet具有與傳統(tǒng)激光顆粒計數(shù)器相同的功能，并且計數(shù)結(jié)果更精準(zhǔn)，測量范圍也更廣，其優(yōu)勢在于：

1) 排除水滴氣泡影響。如圖2所示，當(dāng)光源穿過氣泡和水滴時，因折光不同，形成影像也不同，因此可以被LaserNet區(qū)分出來。

圖2 LaserNet檢測氣泡和水滴原理

3) 可以檢測深黑色的油樣。LaserNet具有激光光強自動調(diào)節(jié)技術(shù)(AGC)，在檢測深黑色油樣時，光源會根據(jù)需求增強，類似于拍照的時候加了閃光燈，因此LaserNet可以用于檢測在用發(fā)動機機油。

3 LaserNet與傳統(tǒng)鐵譜儀比較

鐵譜技術(shù)一直是確定磨損機理和潤滑機械中故障診斷的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是傳統(tǒng)的鐵譜分析存在以下缺點：

1) 結(jié)果分析比較復(fù)雜，需要專業(yè)的人員。鐵譜儀是通過梯度磁場將油樣中的磨損顆粒按磁性和尺寸按序排列，然后在顯微鏡下觀察磨損顆粒的尺寸、濃度、分布及表面紋理，判斷設(shè)備的磨損原因和磨損程度。對于鐵譜分析人員，首先，需要識別各種磨粒。麻省理工大學(xué)Dan Anderson教授寫的《Wear Particle Atlas》中，記錄了各種狀況下的上千張鐵譜圖片，這不是一朝一夕，或簡單培訓(xùn)幾天就能掌握的。因為當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障的時候，會產(chǎn)生大量各種類型的磨損顆粒，即使熟練掌握了各種磨損顆粒的特征，還需要找到最主要的磨損類型，判斷磨損原因，這需要非常豐富的實踐經(jīng)驗，因此限制了鐵譜儀的廣泛使用。

2) 最終的結(jié)果主觀性強，完全定性。鐵譜儀不會產(chǎn)生定量檢測結(jié)果，檢驗員需要根據(jù)經(jīng)驗來選擇典型磨損顆粒的圖片，存在人為誤差，這種不一致在不同實驗室之間更加明顯。

3) 檢測耗時。雖然一個樣品制成鐵譜的時間只有10 min～20 min，但需要檢驗員在放大1 000倍的視野內(nèi)找到各種磨損類型，并發(fā)現(xiàn)最主要的磨損類型，大致需要1 h～3 h，因此，即使經(jīng)驗豐富的鐵譜專業(yè)人員，1天也只能做3個～6個樣品，效率非常低，不能滿足商業(yè)檢測需要。

LaserNet軟件系統(tǒng)能夠很好地解決上述問題，可以在很短時間內(nèi)，查出樣品的磨損原因和機理，無需經(jīng)驗豐富的分析師。

4 LaserNet的準(zhǔn)確度高

使用NIST(national institute of standards and technology)可追溯顆粒計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對其進(jìn)行檢測，見第98頁表1。

相對標(biāo)準(zhǔn)誤差符合JJF1059標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 儀器測量相對標(biāo)準(zhǔn)誤差檢測結(jié)果

5 應(yīng)用于設(shè)備故障原因分析

某企業(yè)用戶送檢15個樣品發(fā)現(xiàn)，油樣的理化指標(biāo)(水分、酸值、黏度等)正常，但是有2個樣品的清潔度等級均為12級，超過警戒值，見表2。

2個樣品的智能鐵譜分析結(jié)果，見表3。

S20180638樣品結(jié)果顯示，顆粒以疲勞磨損為主，疲勞磨損的濃度超過70個/mL，最大尺寸平均在100 μm，遠(yuǎn)高于其他類型，判斷為設(shè)備的異常磨損。

表2 異常油樣的清潔度檢測結(jié)果

S20180635樣品結(jié)果顯示，顆粒以非金屬為主，非金屬顆粒的濃度超過100個/mL，最大尺寸超過100 μm，遠(yuǎn)高于其他類型。同時，切削磨損顆粒的濃度遠(yuǎn)高于其他磨損顆粒，判斷設(shè)備的磨損類型為外界固體污染。

表3 異常油樣的智能鐵譜檢測結(jié)果

6 結(jié)論

多功能磨粒分析儀具有傳統(tǒng)顆粒計數(shù)器和鐵譜儀的兩大功能，采用了先進(jìn)的光學(xué)檢測系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性好，能夠智能分析結(jié)果，為企業(yè)設(shè)備的運行和保養(yǎng)提供可靠的技術(shù)支持，特別適用于第三方油品檢測機構(gòu)為客戶開展批量油液監(jiān)測業(yè)務(wù)。