潤滑油磨粒在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉小琴，胡 桃，張 焰，劉 鵬，劉 琴

（1.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 400020；2.重慶市重科理化計量中心有限公司，重慶 400020）

1 潤滑油對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的影響

在電機(jī)、油泵等設(shè)備的運(yùn)行過程中，潤滑油的作用是非常重要的。潤滑油在長期運(yùn)行下，會受到溫度、空氣、金屬催化、機(jī)械剪切等有害介質(zhì)的影響，導(dǎo)致基礎(chǔ)油氧化、裂化、聚合等一系列化學(xué)反應(yīng)，造成潤滑油的消耗和失效，同時，也會產(chǎn)生一些對設(shè)備不利的部件，造成設(shè)備相關(guān)部件的老化和退化。此時必須更換潤滑油，保證設(shè)備正常運(yùn)行。一般來說，潤滑油的降解產(chǎn)物主要是乙烯烴氧化物質(zhì)，以及醛、酮、醇、有機(jī)含氧酸等。在這些不同的反應(yīng)中，會不同程度地發(fā)生分解和聚合現(xiàn)象，產(chǎn)生活性的、不穩(wěn)定的烴類過氧化物，進(jìn)而對設(shè)備金屬造成嚴(yán)重的損壞，尤其是會導(dǎo)致特殊磨損、故障。潤滑油除了會產(chǎn)生氧化變質(zhì)之外，在不同的溫度影響下還會產(chǎn)生不同沉積物質(zhì)，進(jìn)而使設(shè)備發(fā)生各種類型的故障問題。

2 潤滑油磨粒在線檢測系統(tǒng)技術(shù)的不足

2.1 缺乏對診斷與預(yù)測的清晰認(rèn)識，及時性不足

潤滑油磨粒只能用來預(yù)測設(shè)備的故障。很多時候，通過頻譜或鐵譜分析進(jìn)行故障預(yù)測，但發(fā)現(xiàn)機(jī)器拆機(jī)后出現(xiàn)了不同程度的故障，如拉缸、斷齒等。事實上，許多鐵譜分析工作未能有效地預(yù)測故障。大多數(shù)時候，只能根據(jù)分析潤滑油磨粒來進(jìn)行存在故障的推測，從而避免故障的擴(kuò)大。

2.2 檢查工作的針對性和準(zhǔn)確性不夠

許多故障分析工作是先進(jìn)行鐵譜或光譜檢查，然后對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行油的理化分析，然后排除原因。例如，先對空壓機(jī)油樣進(jìn)行鐵譜檢測，發(fā)現(xiàn)有磨粒氧化后再對油樣進(jìn)行分析。解決含水量過高的問題后，就會恢復(fù)正常。如果先進(jìn)行油水分析，工作量會極大減少，同時進(jìn)行故障預(yù)測和預(yù)警。檢測渦輪渦旋桿箱潤滑油中的機(jī)械雜質(zhì)后，進(jìn)行光譜測試。之后發(fā)現(xiàn)鐵、銅、硅的含量超標(biāo)，進(jìn)行了鐵譜試驗，發(fā)現(xiàn)有異常。此時，對渦輪進(jìn)行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)渦輪磨損嚴(yán)重。其實是石油機(jī)械中的雜質(zhì)含量超標(biāo)，或者是光譜中的鐵含量超標(biāo)，可以作為拆檢的依據(jù)，不需要進(jìn)行后續(xù)的檢測工作。冷卻水的泄漏會導(dǎo)致機(jī)械故障。采采用理化方法進(jìn)行油水含量分析即可在較快時間內(nèi)準(zhǔn)確獲得冷卻系統(tǒng)泄漏的結(jié)論，而不需要進(jìn)行光譜、鐵譜檢測。

3 潤滑油磨粒在線檢測系統(tǒng)技術(shù)分析

3.1 潤滑油磨粒在線監(jiān)測傳感器技術(shù)

潤滑油磨粒的在線監(jiān)測技術(shù)需要在工作過程中進(jìn)行，即在設(shè)備上應(yīng)用潤滑油時，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息更加直觀，為相關(guān)工作人員的工作提供了便利。監(jiān)測技術(shù)為其提供了預(yù)警、提示。也就是說在設(shè)備上安裝監(jiān)測傳感器對其工作進(jìn)行監(jiān)測，以監(jiān)測其工作。如果發(fā)現(xiàn)問題，在線檢測技術(shù)對其進(jìn)行報警，并提示相關(guān)人員此時設(shè)備的狀態(tài)。金屬摩擦后產(chǎn)生的顆粒具有一定的特性，因其具有鐵磁性所以它算是在線監(jiān)測傳感器比較成功的一種技術(shù)。它在工作過程中通過設(shè)備油液流動，使設(shè)備油穿過傳感器有磁場的部分。如果在此過程中出現(xiàn)金屬顆粒，該技術(shù)可以對其進(jìn)行干擾，改變檢測區(qū)域和磁力線的情況，讓檢測區(qū)域內(nèi)的情況與磁力線之間發(fā)生改變，通過此過程檢測潤滑油磨粒的數(shù)量，潤滑油會受到不可抗力因素的影響，包括一些顆粒和氣泡。此類技術(shù)的目的是將潤滑油金屬磨粒與油液進(jìn)行分離，這也是傳感器技術(shù)的目的。

國外有很多具備此類功能的傳感器。美國、加拿大和英國是能夠開發(fā)這種傳感器的國家。TechAlert TM10型傳感器在給檢測人員提供數(shù)據(jù)時，可以通過機(jī)器對其磨粒的分布和數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，方便相關(guān)人員分析工作。在此過程中還可以消除水泡，并且通過消除水泡減少報警錯誤的發(fā)生。這種類型的傳感器可以監(jiān)測鐵顆粒和非鐵顆粒，并根據(jù)兩者之間的空隙進(jìn)行判斷，讓相關(guān)工作人員更好地區(qū)分工作，并根據(jù)安裝需要將遠(yuǎn)程傳感器與潤滑系統(tǒng)連接。

MetalSCAN 磨粒傳感器的主要檢測內(nèi)容是非鐵磁顆粒。非鐵磁粒子需要與鐵磁粒子反應(yīng)才能區(qū)分兩者的不同。相關(guān)人員在檢測過程中也可以通過振幅來確定粒徑。同時，振幅也可以反映出顆粒的類型，并通過后續(xù)的信號含量來檢測顆粒的大小。這種類型的遠(yuǎn)程傳感器可以監(jiān)測金屬顆粒在100 μm 以上的范圍，和非金屬250 μm 以上的范圍，這種傳感器的最大特點是就是通過一系列的研究可以分析出各個顆粒的尺寸范圍在什么區(qū)間內(nèi)，也可以通過相關(guān)技術(shù)分析顆粒的質(zhì)量，并通過數(shù)據(jù)分析確定整體趨勢。在安裝此類傳感器時，需要將油路與傳感器設(shè)備直接進(jìn)行連接，連接部位在油路上。這種傳感器可以同時監(jiān)測金屬顆粒和非金屬顆粒，監(jiān)測范圍為40～135 μm，傳感器提供的數(shù)據(jù)是檢測設(shè)備使用壽命的重要手段。以上2種傳感器均可進(jìn)入軍事領(lǐng)域，且這2種傳感器具有一定的特點：靈敏度高、可靠性強(qiáng)、快速檢測能力強(qiáng)，可及時了解故障信息的內(nèi)容，提前上報故障信息。近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷提高，相關(guān)行業(yè)的工作人員結(jié)合先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的思想來提高自身的技術(shù)，特別是在線傳感器的研究工作。他們在這項工作中也取得了新的突破，并且研發(fā)出了一種基于石英晶體微天平（QCM）技術(shù)的磨粒量監(jiān)測傳感器，并且自身具有一定的特點，主要特點是現(xiàn)行響應(yīng)靈敏度高。通過一系列的研究，這種傳感器已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)領(lǐng)域。

3.2 油液水分在線監(jiān)測傳感器技術(shù)

油液水分指的是潤滑油中水分含量的多少，潤滑油中的水分會加速氧化速度，水分的存在可以直接降低潤滑油的黏度，也會增加潤滑油中油泥的形成，對于金屬的腐蝕也起到了促進(jìn)作用，因此，這也是降低潤滑和絕緣效果的關(guān)鍵因素。經(jīng)過一系列的實驗研究，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果潤滑油中的水分含量繼續(xù)增加，潤滑油的耐磨性將繼續(xù)下降。當(dāng)含水率繼續(xù)增加到11%，耐磨性的下降速度也會加快，潤滑油本身的性能幾乎會喪失。

因此，相關(guān)工作人員必須注意監(jiān)測潤滑油中的水分含量。含水率的高低直接決定了后期工作的順利進(jìn)行，對含水率的監(jiān)測還可以降低設(shè)備發(fā)生故障的概率，也有利于預(yù)警。因此，必須注意監(jiān)測潤滑油中的水分含量。含水率的高低直接決定了后期工作的順利進(jìn)行，對含水率的監(jiān)測還可以降低設(shè)備發(fā)生故障的概率，也有利于預(yù)警。因此，相關(guān)人員一定要注意這項工作，才能使設(shè)備發(fā)揮實質(zhì)性作用。

4 潤滑油磨粒在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 光譜和鐵譜測試方法

正常情況下，光譜檢測得到的潤滑油磨粒濃度與鐵譜檢測得到的磨粒濃度相似。通過對發(fā)動機(jī)、液壓系統(tǒng)和變速箱油樣數(shù)據(jù)的分析，得出正常磨損過程中，大磨粒和小磨粒產(chǎn)生變化的速率比相對穩(wěn)定，在測量磨粒濃度的過程中，只需要檢測其中一種。但在選擇油樣時，應(yīng)選擇油樣均勻、操作簡單、定量簡單的光譜法。在大多情況下不必二者都做，只做一種就可以。當(dāng)然，油樣品均勻、操作簡單、容易定量的光譜法是首選。此外，鐵譜學(xué)與光譜預(yù)測之間也存在不一致，主要是由于儀器性能的限制和采樣代表性不足造成的。同時，也說明了故障的復(fù)雜性。換句話說，不同的磨粒分析儀器對于不同方面的磨粒檢測得到的結(jié)果各不相同。

4.2 不同故障范圍、頻率的化驗診斷

（1）必做項目，如果黏度、酸/堿值、水分、機(jī)械雜質(zhì)、不溶性物質(zhì)，閃點和其他潤滑油理化指標(biāo)的變化，這意味著潤滑油降解，在一定程度后即會引起設(shè)備故障，而且還反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。例如泄漏，必須立即處理，以避免更大的故障。因此，如果指標(biāo)超標(biāo)，必須立即停機(jī)檢查，排除故障，更換潤滑油。這種工程檢測儀器操作簡單方便，成本低。同時，它具有規(guī)范的運(yùn)算和分析方法，可獲得清晰、通用的數(shù)值結(jié)果。

（2）關(guān)鍵項目。較之必做項目的檢測頻率較低，在油降解后期，或者是污染物量接近、達(dá)到警告值時的頻率變大。主要是采用發(fā)射光譜、紅外光譜等方法進(jìn)行檢測，主要實現(xiàn)對故障發(fā)生前期后果，應(yīng)進(jìn)行及時檢測。此類項目檢測在操作上較為簡便，可以獲得定量分析的數(shù)據(jù)，但是在實際應(yīng)用上受限于較為昂貴的設(shè)備價格，所以應(yīng)用并不十分普遍。

（3）選做項目。主要是必要項目和關(guān)鍵項目的檢測結(jié)果接近預(yù)警值，或明確需要進(jìn)行檢測時的相關(guān)檢測（鐵譜學(xué)）。它可以更清晰地識別故障問題和磨損性質(zhì)。機(jī)器可以不停機(jī)拆機(jī)的情況，通過鐵譜測試可以更深入地了解設(shè)備的磨損情況?？梢钥闯觯霉庾V法測定的相關(guān)金屬濃度達(dá)到一定值后，需要進(jìn)行鐵譜測試。同時，抗泡、抗乳化、抗氧化等潤滑油性能指標(biāo)是常見且必要的項目。

（4）觀察項目。油壓異常和潤滑油耗油量異常通常是設(shè)備故障的標(biāo)志。潤滑油的常規(guī)理化分析是十分必要的，這是跟蹤高質(zhì)量變化、比較參考值、判斷潤滑油質(zhì)量、及時更換質(zhì)量差或型號錯的潤滑油的基礎(chǔ)。觀察方的應(yīng)用成本低，可以直觀地獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，應(yīng)用更加普遍。

5 潤滑油磨粒在線檢測系統(tǒng)技術(shù)未來發(fā)展

在現(xiàn)實設(shè)備使用過程中，設(shè)備故障診斷是機(jī)械行業(yè)的范疇，潤滑油監(jiān)測是石油行業(yè)的范疇，按照過去大而全、小而全的傳統(tǒng)模式，我國的大型機(jī)械行業(yè)公司都建立了自己的油液實驗室，是為自助式，其存在問題有：項目不全、儀器利用率低、人員素質(zhì)難保證，因而很難完成有效的診斷任務(wù)。目前國外比較流行的是獨(dú)立實驗室，一般是跨國聯(lián)鎖的，旨在為各個行業(yè)提供實驗室服務(wù)。

這種模式工作效率高，人員素質(zhì)均衡，數(shù)據(jù)可靠，具有仲裁功能，是一種先進(jìn)的模式。油液檢測人員通過油液化驗和監(jiān)測提出故障診斷意見后，不能負(fù)責(zé)對設(shè)備進(jìn)行故障排除。通過潤滑油診斷故障的人既要了解此設(shè)備結(jié)構(gòu)，又要具備潤滑油知識，還要知道此設(shè)備近況，牽扯到機(jī)械、油化學(xué)和設(shè)備管理三行業(yè)，要有多行業(yè)知識或由這三方面的人在一起綜合起來才能確診。因此由潤滑油監(jiān)測結(jié)果得出的僅是從油的變化推測的意見，需其他方法互補(bǔ)，才能更為準(zhǔn)確。

與其他機(jī)械方法相比，潤滑油磨粒方法也有缺點，它需要專門的實驗室，不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。因此，近年來開發(fā)了許多快速、簡單的現(xiàn)場潤滑油測量方法，可以快速了解現(xiàn)場的潤滑油狀況。同時，研究了傳感器式測量方法，可以觀察儀表板上油液的變化，實現(xiàn)在線監(jiān)測。近年來，該領(lǐng)域也出現(xiàn)了一些專家系統(tǒng)，有助于診斷。目前，故障診斷是機(jī)械行業(yè)的一個課題。員工有豐富的機(jī)械知識，但缺乏潤滑油磨粒知識。因此，在使用油類進(jìn)行診斷時，往往將潤滑油磨粒視為與設(shè)備故障無關(guān)的而僅是磨料攜帶介質(zhì)，把注意力集中在對磨粒的分析中。

6 結(jié)束語

潤滑油磨粒在線檢測技術(shù)可以監(jiān)測故障的原因和后果。與機(jī)械法相比，它具有更多的優(yōu)點。它們可以相互結(jié)合，效果更好。從事設(shè)備管理或潤滑油故障診斷的技術(shù)人員不僅要有豐富的機(jī)械知識，還要有一定的潤滑油知識。設(shè)備故障的原因是復(fù)雜多樣的，并且是相互影響的，因此對故障診斷的全面性要求很高。從潤滑油檢測出發(fā)的設(shè)備故障診斷方法也是一個綜合系統(tǒng)。對此，相關(guān)設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和檢修人員必須充分了解潤滑油檢查與設(shè)備故障診斷的密切關(guān)系，了解目前應(yīng)用中存在的主要問題，進(jìn)而采用合適的方式、方法提高潤滑油油質(zhì)情況檢測，實現(xiàn)對設(shè)備故障的有效診斷。