造粒機(jī)組主減速機(jī)油液在線監(jiān)測試驗研究

陶 輝，馮 偉，賀石中

（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510530；2.工業(yè)摩擦潤滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心，廣東廣州 510530）

0 引言

石化企業(yè)動設(shè)備關(guān)鍵機(jī)組是石化生產(chǎn)裝置的“心臟”，直接影響生產(chǎn)裝置的正常運行，而潤滑油作為機(jī)組的“血液”，目前大機(jī)組潤滑油均采用月度人工采樣分析來監(jiān)控潤滑油品質(zhì)及轉(zhuǎn)動部位磨損情況，但對于低轉(zhuǎn)速、多齒輪副、多滾動軸承的機(jī)組或者其他高轉(zhuǎn)速、重負(fù)荷、大型化、自動化類特別重要的機(jī)組，月度潤滑油分析難以發(fā)現(xiàn)早期故障，做不到早期故障預(yù)警。潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)能達(dá)到及時提供關(guān)鍵機(jī)組潤滑油的油質(zhì)變化情況及機(jī)組零部件的磨損情況，為關(guān)鍵機(jī)組預(yù)知性檢修提供依據(jù)，從而避免設(shè)備事故的發(fā)生。因此，為確保石化企業(yè)關(guān)鍵機(jī)組的正常運行，安裝潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)很有必要。

油液在線傳感器技術(shù)的發(fā)展較為迅速，已有多種類型設(shè)備投入工業(yè)實際使用[1]。由于不同的磨損機(jī)理對應(yīng)監(jiān)測設(shè)備不同的損傷形式，因此對磨粒類型的智能識別，其實質(zhì)是一種故障模式識別。對磨粒類型的正確識別是進(jìn)行磨損模式識別的重要任務(wù)，它直接關(guān)系到磨粒識別的最終結(jié)果，對設(shè)備的磨損狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷的準(zhǔn)確性有著重要影響。傳統(tǒng)磨粒分析對技術(shù)人員經(jīng)驗及知識水平依賴性較大，分析精度差別較大，且只能做一些定性描述，影響了鐵譜技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，并阻礙了對采用磨粒進(jìn)行磨損故障診斷后續(xù)數(shù)據(jù)處理的自動化、智能化和系統(tǒng)化的發(fā)展。

隨著人工智能及油液分析技術(shù)的信息化發(fā)展，磨損故障診斷也進(jìn)入了智能化階段，并得到成功運用。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是設(shè)備故障模式和分類識別中運用比較成功的技術(shù)，且在模式分類識別中具有強(qiáng)大的自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)能力，已被廣泛應(yīng)用到模式識別、控制決策、故障診斷等領(lǐng)域。在該領(lǐng)域，文獻(xiàn)［2］研究了一種新的在線鐵譜圖像分析的方法，經(jīng)過圖像采集、二值化、磨粒分割、特征構(gòu)造、趨勢分析等對鐵譜圖像進(jìn)行診斷；文獻(xiàn)［3］針對鐵譜圖像磨粒計算分析問題，研究了采用YUV 顏色空間方法二值化、合理卷積模板實現(xiàn)銳化，并通過運用減背景法和自動閾值法，提高了磨粒分割準(zhǔn)確率；文獻(xiàn)［4］提出了二次二值化方法，改進(jìn)了磨粒識別效率、采用線性濾波處理磨粒圖像和低通濾波處理背景噪點，提高了識別精度；文獻(xiàn)［5］基于D—S 證據(jù)理論的信息融合方法應(yīng)用于磨損顆粒的自動識別，編制了相應(yīng)的計算機(jī)識別程序，在對磨粒圖像的形態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行篩選和統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，研究了各參數(shù)的統(tǒng)計容許限和決策基元概率；文獻(xiàn)［6］基于遺傳算法的信息融合柴油機(jī)故障診斷方法，采用油液磨粒的特征進(jìn)行柴油機(jī)的故障監(jiān)測；文獻(xiàn)［7］采用貝葉斯方法研究油液的潤滑狀態(tài)；文獻(xiàn)［8］研究了油液磨損顆粒的3 維構(gòu)建方法；文獻(xiàn)［9］研究了BP 和CNN 算法在自動油液磨損狀態(tài)分析中的應(yīng)用。

1 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)原理及組成

針對造粒機(jī)組主減速機(jī)用油及設(shè)備潤滑磨損特點，設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 主減速機(jī)油液在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

（1）油中微水分在線監(jiān)測：薄膜電容探測技術(shù)輔以溫度補(bǔ)償和電子技術(shù)，克服傳統(tǒng)介電常數(shù)測量的缺點。含水率是指油品中的水分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，水分的測量以%表示，小于0.03%稱為痕跡，此外有特殊要求的油品，水分也有以mg/kg（ppm）表示。

（2）油品黏度在線監(jiān)測：黏度是衡量流體抵抗流動能力的一個重要的物理參數(shù)，設(shè)備用油由于運行時間、受熱、污染等因素都會導(dǎo)致在用油黏度變化；現(xiàn)場加錯油同樣導(dǎo)致黏度變化，黏度是影響設(shè)備潤滑油膜的重要指標(biāo)。

（3）磨損狀態(tài)在線監(jiān)測：通過單片機(jī)控制主油路旁路電磁閥、指示燈、泵有效，使油液進(jìn)入油路形成回路，再用電磁鐵吸附鐵磁性磨粒。當(dāng)定量的油液采集完成后，計算機(jī)通過光敏元件成像，從而進(jìn)行磨損顆粒有效信息特征提取和設(shè)備故障分析。

2 現(xiàn)場設(shè)備安裝

現(xiàn)場被監(jiān)測設(shè)備如圖2 所示，齒輪箱參數(shù)信息如表1 所示。

圖2 被監(jiān)測齒輪箱

表1 監(jiān)測設(shè)備信息

2.1 整體布局規(guī)劃

聚丙烯一Z501 造粒機(jī)組主減速機(jī)油液在線監(jiān)測設(shè)備安裝規(guī)劃如圖3 所示。

圖3 主減速機(jī)在線監(jiān)測設(shè)備安裝規(guī)劃圖

2.2 取油口和回油口

該減速機(jī)齒輪箱的濾油機(jī)進(jìn)油管及取油管留有預(yù)留接口，只需要將油液在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)出油口連接到原取油管和回油管上即可實現(xiàn)油液循環(huán)。

（1）取油管道改造：如圖4 所示，將箭頭所指取油口位置原有ZG1/2 堵頭拆掉，按順序依次安裝ZG1/2 直通、ZG1/2 三通、ZG1/2 堵頭、ZG1/2 直通、ZG1/2 球閥、ZG1/2 轉(zhuǎn)Φ8 的轉(zhuǎn)接頭、Φ8的儀表管。

（2）回油管道改造：將箭頭所指回油口位置原有ZG1/2 堵頭拆掉，按圖4 所示順序依次安裝ZG1/2 直通、ZG1/2 三通、ZG1/2堵頭、ZG1/2 直通、ZG1/2 球閥、ZG1/2-Φ8 轉(zhuǎn)接頭、Φ8 的儀表管。

圖4 取油與回油管道改造

2.3 電源取電位置

從PLC 控制柜取24 V 電源。

2.4 線路走線位置

電源線和信號線需埋入地下，從線溝接入控制室。

2.5 下位機(jī)安裝位置

在圖5a）位置安裝下位機(jī)，將監(jiān)測儀支架焊接在底座上（圖5b）），再用4 個M10 的螺栓將監(jiān)測儀安裝到支架上。

圖5 下位機(jī)安裝位置

3 主減速箱拆檢情況

主減速箱拆檢發(fā)現(xiàn)S3 軸輸出端軸承23934ME4 損壞，軸承外圈裂開、保持架損壞、滾子磨損（圖6）。

圖6 S3 軸輸出端軸承損壞

4 主減速機(jī)軸承故障油液在線數(shù)據(jù)分析

Z501 造粒機(jī)組主減速機(jī)油液在線監(jiān)測設(shè)備安裝后，匯總2019 年1 月1 日—4 月30 日，4 個月共計120 d 的監(jiān)測區(qū)間段采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 數(shù)據(jù)分析

磨損指標(biāo)于1 月11 日、30 日分別出現(xiàn)顆粒急劇增加（圖7），2 月5 日、15 日出現(xiàn)顆粒急劇增加（圖8），3 月份分別于8日、17 日、25 日、27 日、31 日出現(xiàn)5 次顆粒急劇增加（圖9），4 月份分別于5 日、11 日、14 日、25 日、27 日、29 日出現(xiàn)6 次顆粒急劇增加（圖10）。

圖7 2019 年1 月磨粒監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖8 2019 年2 月磨粒監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9 2019 年3 月磨粒監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖10 2019 年4 月磨粒監(jiān)測數(shù)據(jù)

齒輪箱油液在線監(jiān)測理化指標(biāo)分析總結(jié)：

（1）齒輪箱運行初期，由于油溫較低，傳感器監(jiān)測黏度相對較大，當(dāng)油溫穩(wěn)定在39 ℃左右時，傳感器測試值基本穩(wěn)定在210 cSt 左右；但同時一段時間也出現(xiàn)在150 cSt 左右低位和300 cSt 左右高位，屬于正常情況。

（2）在用齒輪油水分監(jiān)測期間，水分含量由高轉(zhuǎn)低，之后保持平穩(wěn)，且總體含水率低。其一是齒輪油運行初期水分相對高，隨著溫度升高水分蒸發(fā)，含水率逐步降低；其二是齒輪箱在用油運行過程中未受到水分的污染，表明現(xiàn)場潤滑維護(hù)正常。

（3）磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，2019 年1 月監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該齒輪箱在用潤滑油中產(chǎn)生了異常磨損顆粒，隨著時間延長，磨損顆粒數(shù)量不斷增加，顆粒處于70～100 μm 和100～150 μm 尺寸段的比較多。

4.2 造粒機(jī)主減速機(jī)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

油液在線監(jiān)測儀器于2018 年7 月正式投入運行，現(xiàn)場計算機(jī)磨損分析見圖11，可見在2018 年10 月31 日開始發(fā)現(xiàn)異常磨損顆粒，第一次出現(xiàn)磨損顆粒異常報警。圖11 中70～100 μm 磨損顆粒數(shù)量上升很明顯，100～150 μm 磨損顆粒數(shù)量也呈現(xiàn)上升趨勢，表明油液在線監(jiān)測系統(tǒng)已監(jiān)測到該齒輪箱的異常磨損情況及劣化趨勢。

圖11 現(xiàn)場計算機(jī)磨損指標(biāo)分析

5 結(jié)束語

油液指標(biāo)監(jiān)測中，在線監(jiān)測技術(shù)具有獲取的數(shù)據(jù)量大、信息不易處理、診斷復(fù)雜、診斷結(jié)果對摩擦學(xué)專家的技術(shù)和經(jīng)驗依賴性強(qiáng)等特點。通過現(xiàn)場實驗分析可以看出，本文提供的油液在線監(jiān)測試驗系統(tǒng)以及提出的試驗測試方法，對解決石化行業(yè)機(jī)械裝備的摩擦磨損問題提供了較好的參考和借鑒。