基于油液監(jiān)測(cè)的軸承潤(rùn)滑狀態(tài)綜合評(píng)估

鄭遠(yuǎn)春

（92571部隊(duì)，海南 三亞 572021）

大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械多用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油是設(shè)備磨損信息的載體，對(duì)其進(jìn)行油液分析，可以判斷設(shè)備的磨損狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障隱患。對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和維護(hù)，可使設(shè)備故障率大幅降低，避免重大設(shè)備事故發(fā)生?；谠O(shè)備潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)，依據(jù)經(jīng)典集合論的思想開展設(shè)備磨損狀態(tài)評(píng)估，常用單一指標(biāo)評(píng)估設(shè)備磨損狀態(tài)，容易產(chǎn)生漏報(bào)或誤報(bào)的情況。為了克服傳統(tǒng)評(píng)估方法的不足，提高設(shè)備潤(rùn)滑磨損狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性，本文應(yīng)用模糊集理論，對(duì)基于潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)的設(shè)備潤(rùn)滑磨損狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，指導(dǎo)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。

1 設(shè)備潤(rùn)滑狀態(tài)評(píng)估方法

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備有各種類型不一的摩擦副，它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磨損，磨損的產(chǎn)物被潤(rùn)滑油帶入潤(rùn)滑系統(tǒng)，外界混入的污染物顆粒也會(huì)留存在潤(rùn)滑油中，這些磨損顆粒和污染物的材質(zhì)、成分、形狀、大小都反映了摩擦副磨損狀態(tài)和潤(rùn)滑油狀態(tài)信息。為了有效地評(píng)估設(shè)備的磨損狀態(tài)，首先需要確定設(shè)備磨損和潤(rùn)滑油狀態(tài)指標(biāo)。

本文以錫基巴氏合金軸瓦材料、防銹汽輪機(jī)油潤(rùn)滑的某型船軸系支承軸承為評(píng)估對(duì)象，考慮軸承的材質(zhì)結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑油的自身性能參數(shù)和污染等因素，構(gòu)建油液監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。選擇鐵、鉻、鉛、銅、錫、鋁、鎳7種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和鐵磁性顆粒含量（PQ）指數(shù)作為設(shè)備磨損狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)；選用運(yùn)動(dòng)黏度、水分、破乳時(shí)間、消泡時(shí)間作為軸承潤(rùn)滑油的理化性能評(píng)估指標(biāo)。應(yīng)用最大熵分析方法，確定指標(biāo)界限值；用熵權(quán)法確定各個(gè)指標(biāo)在磨損和理化指標(biāo)類中的權(quán)重；基于模糊集理論建立指標(biāo)隸屬度函數(shù)，按照最大隸屬度原則確定指標(biāo)狀態(tài)；建立軸承磨損狀態(tài)與潤(rùn)滑油理化狀態(tài)綜合評(píng)估表，以及與之對(duì)應(yīng)的軸承運(yùn)行維護(hù)策略。

2 模糊綜合評(píng)估模型

2.1 模糊集概念

在模糊集理論中，一個(gè)元素屬于某個(gè)集合是不確定的，可能按一定程度屬于某個(gè)集合，也可能同時(shí)屬于多個(gè)集合。為了解決上述問(wèn)題，Zadeh 提出了模糊集合的概念，為處理一些模糊的問(wèn)題提供了一種精確的數(shù)學(xué)描述[1]。變換量R如式（1）所示。

式中，R為變換量。

R確定一個(gè)變換，給任意U上的一個(gè)模糊子集A，便可確定V上的一個(gè)模糊集合，即決策集B，表示為模糊變換B=A*R，其中“*”表示一種算子。在綜合評(píng)判問(wèn)題中，若取U為因素集合，取V為評(píng)語(yǔ)集合，R是U到V的模糊關(guān)系，rnm表示第n個(gè)因素對(duì)評(píng)判對(duì)象做出第m種評(píng)語(yǔ)的可能程度。

文中因素集U={U1，U2}；U1為磨損指標(biāo)集，U1的因素是各個(gè)磨損元素含量和PQ指數(shù)，U2為理化指標(biāo)集，U2的因素是各理化指標(biāo)數(shù)據(jù)。評(píng)語(yǔ)集合V={V1，V2}；V1＝{磨損指標(biāo)正常，磨損指標(biāo)警告，磨損指標(biāo)危險(xiǎn)}，V2＝{理化指標(biāo)正常，理化指標(biāo)警告，理化指標(biāo)危險(xiǎn)}。

2.2 隸屬度函數(shù)

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集方式，選擇不同的隸屬度函數(shù)構(gòu)造方法。指標(biāo)界限值存在的實(shí)質(zhì)是用矩形隸屬度函數(shù)界定指標(biāo)狀態(tài)，然而，從正常到異常變化的指標(biāo)狀態(tài)是一個(gè)模糊漸變過(guò)程，用矩形隸屬度函數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)顯然不合實(shí)際。根據(jù)潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集方式，這里選擇三角形分布函數(shù)，來(lái)確定指標(biāo)狀態(tài)的隸屬度。隸屬度函數(shù)的構(gòu)造考慮指標(biāo)的3種情況[2]：①下限型指標(biāo)（如潤(rùn)滑油的堿值），指標(biāo)狀態(tài)的描述性語(yǔ)言為“正常”“偏低”“太低”；②上限型指標(biāo)（如磨損指標(biāo)），指標(biāo)狀態(tài)的描述語(yǔ)言為“正?！薄捌摺薄斑^(guò)高”；③雙限型指標(biāo)（如潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度），指標(biāo)狀態(tài)的描述語(yǔ)言為“太低”“偏低”“正?！薄捌摺薄斑^(guò)高”。

2.3 權(quán)重矩陣

指標(biāo)權(quán)重是用每個(gè)指標(biāo)在整個(gè)指標(biāo)體系中的相對(duì)重要性的數(shù)值表示。本文采用客觀賦權(quán)的熵權(quán)法[3]來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重。若有原始評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣Xij=(xij)s×t，其中，xij≥0，xij表示第i個(gè)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)（i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m），s為評(píng)估對(duì)象個(gè)數(shù)，t為評(píng)估指標(biāo)個(gè)數(shù)。熵權(quán)計(jì)算過(guò)程如下。

1）對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣Xij=(xij)s×t進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Pij：

2）第j個(gè)指標(biāo)的信息熵Ej為：

式中，?為中間參數(shù)，?= lns。

3）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的差異系數(shù)Gj：

4）第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重Wj為：

5）確定指標(biāo)權(quán)重矩陣Ak。

式中，k為指標(biāo)類型；是第t個(gè)指標(biāo)在第k類中的權(quán)重。

2.4 模糊評(píng)估

1）隸屬度矩陣。指標(biāo)有正常、警告和危險(xiǎn)3個(gè)狀態(tài)，隸屬度矩陣Rk代表k類n個(gè)指標(biāo)分別屬于3個(gè)狀態(tài)的隸屬度的大小，由（n× 3）個(gè)組成：

2）一級(jí)評(píng)估：

由第k類指標(biāo)的隸屬度矩陣Rk，歸一化指標(biāo)權(quán)重矩陣Ak，選用加權(quán)平均模糊算子M( )·, + 進(jìn)行計(jì)算[1]，得到第k類指標(biāo)狀態(tài)一級(jí)評(píng)估矩陣Bk。

3）綜合評(píng)估。由于軸瓦材料是一體化制造，各個(gè)磨損元素關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，單一磨損元素異常還不能說(shuō)明軸瓦磨損狀態(tài)異常，只有多個(gè)磨損元素異常時(shí)，才能有效反映軸瓦磨損異常狀態(tài)。所以，對(duì)于磨損類光譜元素?cái)?shù)據(jù)以及鐵磁性磨粒指標(biāo)數(shù)據(jù)的評(píng)估采用加權(quán)平均法，取最大隸屬度，確定軸承磨損的正常狀態(tài)、警告狀態(tài)、危險(xiǎn)狀態(tài)。

潤(rùn)滑油的理化指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較弱，指標(biāo)變化的同步性也較差，加權(quán)平均計(jì)算隸屬度的時(shí)候，容易將權(quán)重小的異常指標(biāo)掩蓋掉。本文在計(jì)算理化指標(biāo)狀態(tài)矩陣時(shí)，直接取指標(biāo)矩陣的最大隸屬度，用以代表軸承潤(rùn)滑油理化指標(biāo)狀態(tài)。如果參與評(píng)估的理化指標(biāo)異常，就判定潤(rùn)滑油的理化狀態(tài)異常，并由各指標(biāo)中異常程度最大的狀態(tài)確定。

通過(guò)一級(jí)評(píng)估得到軸承磨損和潤(rùn)滑油狀態(tài)，軸承綜合狀態(tài)評(píng)估表見(jiàn)表1，由表1 確定軸承綜合狀態(tài)。軸承綜合狀態(tài)劃分為正常、注意、報(bào)警、緊急和特急5 種，為防止虛報(bào)增加管理難度，避免漏報(bào)加大事故風(fēng)險(xiǎn)，建立與綜合狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軸承運(yùn)行維護(hù)策略，軸承運(yùn)維策略對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表2。

表1 軸承綜合狀態(tài)評(píng)估表

表2 軸承運(yùn)維策略對(duì)應(yīng)表

3 模糊綜合狀態(tài)評(píng)估實(shí)例

1）對(duì)某船軸系1#軸承潤(rùn)滑油采樣，通過(guò)光譜分析、PQ指數(shù)檢測(cè)、理化指標(biāo)檢測(cè)得到樣本數(shù)據(jù)；指標(biāo)界限值由歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照最大熵原理計(jì)算得到，指標(biāo)權(quán)重由熵權(quán)法計(jì)算確定。1#軸承潤(rùn)滑油指標(biāo)界限值及樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，1#軸承潤(rùn)滑油指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)表4。

表3 1#軸承潤(rùn)滑油指標(biāo)界限值及樣本數(shù)據(jù)

表4 1#軸承潤(rùn)滑油指標(biāo)權(quán)重

2）通過(guò)隸屬度函數(shù)，計(jì)算軸承磨損指標(biāo)和潤(rùn)滑指標(biāo)隸屬度矩陣。

式中，R1為設(shè)備磨損指標(biāo)隸屬度矩陣；R2為潤(rùn)滑指標(biāo)隸屬度矩陣。

3）由表3得到指標(biāo)權(quán)重矩陣A1。

4）采用加權(quán)平均運(yùn)算模型進(jìn)行模糊變換，得到磨損指標(biāo)一級(jí)評(píng)估隸屬度矩陣B1。

式中，P1是矩陣B1中最大元素的列號(hào)。

5）采用最大隸屬度原則，由R2可得到理化指標(biāo)的一級(jí)狀態(tài)評(píng)估。

式中，P2是矩陣R2中最大元素的列號(hào)。

P1和P2均可取值1、2、3，分別代表指標(biāo)處于正常、警告、危險(xiǎn)狀態(tài)。

6）綜合評(píng)估。由P1和P2可知，對(duì)應(yīng)的設(shè)備磨損和潤(rùn)滑油均處于危險(xiǎn)狀態(tài)。查詢軸承綜合狀態(tài)評(píng)估表和運(yùn)維策略對(duì)應(yīng)表，可知軸承的潤(rùn)滑磨損處于特急狀態(tài)。維護(hù)措施是檢查軸瓦磨損情況，視情維修，更換潤(rùn)滑油。

7）鐵譜分析。圖1、圖2分別是1#軸承處于正常狀態(tài)和特急狀態(tài)的潤(rùn)滑油鐵譜圖（100 倍），圖2中可以看到磨粒粗大，鏈條密集，鐵、鉻、鉛、錫、鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PQ 值均屬于危險(xiǎn)狀態(tài)，水分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度超出了危險(xiǎn)狀態(tài)上界限值，多因素共同作用，使得軸承潤(rùn)滑效果變差，導(dǎo)致軸瓦磨損加劇，說(shuō)明評(píng)估結(jié)論是正確合理的。

圖1 1#軸承處于正常狀態(tài)的潤(rùn)滑油鐵譜圖（100倍）

圖2 1#軸承處于特急狀態(tài)的潤(rùn)滑油鐵譜圖（100倍）

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合考慮船舶軸系軸承磨損和潤(rùn)滑油理化指標(biāo)狀態(tài)的模糊不確定性，通過(guò)對(duì)1#軸承潤(rùn)滑油進(jìn)行原子發(fā)射光譜分析、PQ 指數(shù)分析和理化性能檢測(cè)，應(yīng)用模糊綜合評(píng)估方法，建立基于磨損和潤(rùn)滑油理化信息融合的軸承狀態(tài)綜合評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承磨損和潤(rùn)滑狀態(tài)的綜合評(píng)估，彌補(bǔ)了用單一指標(biāo)信息評(píng)估軸承狀態(tài)的不足，確定了與綜合狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軸承運(yùn)行維護(hù)策略，能夠提高軸承管理維護(hù)的有效性。