采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)油液使用狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)磨屑形態(tài)分析*

劉洪濤

(中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇徐州 221116)

煤炭開采工業(yè)大力發(fā)展高效高產(chǎn)綜采機(jī)械化技術(shù)，采煤機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。隨著煤礦機(jī)械化程度的不斷提高，采煤機(jī)的功率也在不斷增大，功率的增大導(dǎo)致采煤機(jī)輸出扭矩隨之增大，對(duì)采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求也更為苛刻，在保證配套設(shè)施正常情況下要求采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有高效的連續(xù)作業(yè)能力，采煤機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性已經(jīng)成了決定產(chǎn)量、產(chǎn)值和經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)[1-5]。這就要求采煤機(jī)的故障要及時(shí)得到查實(shí)和排除。傳統(tǒng)的采煤機(jī)機(jī)械故障診斷方法有多種，如振動(dòng)診斷法、鐵譜分析法、噪聲診斷法和溫度檢測(cè)診斷法等[6-13]，局限于作業(yè)環(huán)境等因素影響，這些方法實(shí)際應(yīng)用不多。近年來，采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)逐漸成為研究重點(diǎn)，其中采煤機(jī)油液的在線監(jiān)測(cè)可檢測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，成為采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)新的研究方向[14-21]。本文作者采集了多個(gè)典型煤礦在運(yùn)轉(zhuǎn)采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的油樣，利用在線顆粒分析系統(tǒng)和掃描電鏡等設(shè)備，對(duì)油樣黏度變化、其中的磨屑形態(tài)及油液品質(zhì)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，期望能為采煤機(jī)油液的在線監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采集臨沂礦務(wù)局及淮北礦務(wù)局多個(gè)典型煤礦在運(yùn)轉(zhuǎn)采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的油樣，從油樣開始使用到報(bào)廢按平均時(shí)長分8次進(jìn)行提取。用SNB-1數(shù)字式黏度計(jì)檢測(cè)不同污染階段油液的運(yùn)動(dòng)黏度，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 265；用S-3000掃描電子顯微鏡檢測(cè)磨屑形貌，用FBRM在線顆粒分析系統(tǒng)進(jìn)行磨屑粒度檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 潤滑油黏度與潤滑油污染程度分級(jí)

潤滑油黏度是評(píng)價(jià)潤滑油性能的一個(gè)重要的物理量，對(duì)于采煤機(jī)來說，低速重載是其運(yùn)行特征，對(duì)其潤滑油黏度的檢測(cè)是其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要手段。采煤機(jī)潤滑油在使用不同時(shí)間后的黏度檢測(cè)結(jié)果見圖1。結(jié)果顯示，未使用油液黏度為913.4 mPa·s，報(bào)廢的潤滑油黏度為1 139.5 mPa·s左右。隨著使用時(shí)間的延長，油液黏度逐漸增加，增加幅度在后半段有所加速，表明油液污染加劇。

圖1 潤滑油使用不同時(shí)間黏度檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)L-CKC工業(yè)閉式齒輪油換油標(biāo)準(zhǔn)(40 ℃檢測(cè)環(huán)境下，運(yùn)動(dòng)黏度變化率超過15%為不合格油品)，文中將油品的使用壽命劃分為6個(gè)階段(見圖2)：未使用期，輕度污染期，次輕度污染期，次重度污染期，重度污染期，報(bào)廢期。輕度污染期標(biāo)記為潤滑油黏度增加幅度在3.75%內(nèi)，按照提取未使用油樣檢測(cè)結(jié)果，黏度變化在913.4～947.7 mPa·s之間；次輕度污染期標(biāo)記為潤滑油黏度增加幅度在3.75%～7.5%之間，對(duì)應(yīng)黏度值為947.7～981.9 mPa·s之間；次重度污染期標(biāo)記為潤滑油黏度增加幅度在7.5%～11.25%之間，對(duì)應(yīng)黏度值為981.9～1 016.2 mPa·s之間；重度污染期標(biāo)記為潤滑油黏度增加幅度在11.25%～15%之間，對(duì)應(yīng)黏度值為1 016.2～1 050.4 mPa·s之間；報(bào)廢期標(biāo)記為潤滑油黏度增加幅度大于15%，對(duì)應(yīng)黏度值大于1 050.4 mPa·s。

圖2 不同階段潤滑油黏度測(cè)試結(jié)果

2.2 各個(gè)階段潤滑油中磨屑的形態(tài)特征

除黏度外，磨損顆粒在潤滑油中的存在狀態(tài)也是標(biāo)識(shí)采煤機(jī)運(yùn)行可靠性的重要方面之一，文中對(duì)不同使用階段采煤機(jī)潤滑油中磨屑的形態(tài)特征進(jìn)行了研究，從粒度分布規(guī)律方面進(jìn)行了歸納統(tǒng)計(jì)。

(1)未使用期。測(cè)試表明，采煤機(jī)所用重型潤滑油由于使用條件惡劣，潤滑油添加了大量的添加劑，再加上油品合成、運(yùn)輸過程中外部污染，造成即使是未使用的潤滑油，其內(nèi)部也包括其他的雜質(zhì)和添加劑顆粒。圖3所示為從未使用的潤滑油中提取的顆粒。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，未使用潤滑油中存在的非磨屑顆粒最大尺寸為10 μm左右，大部分在5 μm以下。在未來制定油液質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，如何消除這方面的誤差是一個(gè)值得研究的事情。

圖3 未使用潤滑油中提取的顆粒特征

(2)輕度污染期。隨著磨損時(shí)間的延長，油液中逐漸出現(xiàn)粒徑較大的磨屑，其顆粒特征見圖4。磨粒粒徑主要集中在0.5～30 μm，磨粒粒徑小于10 μm的含量，為80%；磨粒粒徑平均尺寸為12 μm，粒徑在10～30 μm之間的磨粒含量約為20%。

圖4 輕度污染期潤滑油中提取的顆粒特征

(3)次輕度污染期。該時(shí)期油液中磨粒粒徑主要集中在0.5～50 μm，粒徑大于50 μm時(shí)含量幾乎為0，粒徑小于10 μm的磨屑含量約為70%，粒徑在10～50 μm的磨粒含量為30%。磨粒粒徑平均尺寸約為15 μm，偶見個(gè)別尺寸在30～50 μm磨屑，其顆粒特征見圖5。

圖5 次輕度污染期潤滑油中提取的顆粒特征

(4)次重度污染期。該時(shí)期油液中磨粒粒徑主要集中在0.5～50 μm，粒徑小于10 μm的磨粒含量約為48%，粒徑在10～50 μm的磨粒含量約為52%。磨粒粒徑平均尺寸為22 μm，可見個(gè)別50～70 μm的磨屑，其顆粒特征見圖6。

圖6 次重度污染期潤滑油中提取的顆粒特征

(5)重度污染期。該時(shí)期油液中磨粒粒徑主要集中在0.5～70 μm，粒徑小于10 μm的磨粒含量約為35%，粒徑在10～70 μm的磨粒含量約為65%。磨粒粒徑平均尺寸為28 μm，可見個(gè)別尺度大于70 μm的磨屑，其顆粒特征見圖7。

圖7 重度污染期潤滑油中提取的顆粒特征

(6)報(bào)廢期。該時(shí)期油液中磨粒粒徑主要集中在0.5～70 μm，粒徑小于10 μm的磨粒含量約為30%，粒徑在10～70 μm的磨粒含量約為65%。磨粒粒徑平均尺寸大于30 μm，多見尺度大于70 μm的磨屑，其顆粒特征見圖8。

圖8 報(bào)廢期潤滑油中提取的顆粒特征

對(duì)不同使用階段采煤機(jī)潤滑油中磨屑的形態(tài)特征進(jìn)行總結(jié)，見表1。研究表明：未使用期的潤滑油存在顆粒，顆粒粒度在5 μm以下，當(dāng)采用顆粒計(jì)數(shù)作為油液污染程度評(píng)價(jià)手段時(shí)，要注意油液自身的顆粒背景問題；在進(jìn)行采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)油液磨屑監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)定時(shí)，要注意幾個(gè)磨屑粒徑節(jié)點(diǎn)：30，50和70 μm。當(dāng)油液中磨屑粒度小于30 μm時(shí)，采煤機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段；當(dāng)油液中磨屑粒度大部分位于30～50 μm時(shí)，采煤機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段，但需注意補(bǔ)充一定量新潤滑油；當(dāng)油液中出現(xiàn)50～70 μm的磨屑時(shí)，可考慮進(jìn)行潤滑油的更換和傳動(dòng)系統(tǒng)檢修；當(dāng)油液中出現(xiàn)大于70 μm的磨屑時(shí)，可開展傳動(dòng)系統(tǒng)大修。

表1 不同使用階段采煤機(jī)潤滑油中磨屑的形態(tài)特征

3 結(jié)論

對(duì)采煤機(jī)不同使用階段的油液黏度和其中磨屑的形態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)L-CKC工業(yè)閉式齒輪油換油標(biāo)準(zhǔn)劃分了潤滑油污染階段分級(jí)，得到主要結(jié)論如下：

(1)依據(jù)L-CKC工業(yè)閉式齒輪油換油標(biāo)準(zhǔn)，將采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑油的使用壽命劃分為6個(gè)階段：未使用期，輕度污染期，次輕度污染期，次重度污染期，重度污染期，報(bào)廢期。

(2)對(duì)未使用的采煤機(jī)油液中顆粒形態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)即使未使用的潤滑油中也存在顆粒，顆粒粒度在5 μm以下，將對(duì)潤滑油評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生影響。

(3)在進(jìn)行采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)油液磨屑監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)定時(shí)，要注意幾個(gè)磨屑粒徑節(jié)點(diǎn)：30，50和70 μm。當(dāng)油液中磨屑粒度小于30 μm時(shí)，采煤機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段；當(dāng)油液中磨屑粒度大部分位于30～50 μm時(shí)，可采煤機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段，但需注意補(bǔ)充一定量新潤滑油；當(dāng)油液中出現(xiàn)50～70 μm的磨屑時(shí)，可考慮進(jìn)行潤滑油的更換和傳動(dòng)系統(tǒng)檢修；當(dāng)油液中出現(xiàn)大于70 μm的磨屑時(shí)，可開展傳動(dòng)系統(tǒng)大修。

上述結(jié)果將對(duì)提高采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度提供數(shù)據(jù)支持，為采煤機(jī)油液的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)提供基礎(chǔ)理論。