油液在線監(jiān)測系統(tǒng)在礦山設(shè)備的應(yīng)用

高 勛，王躍輝，譚曉樂，陳 沖，王雅娟，閆玲娣，鄭 競

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

3智能礦山重型裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

4洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司 河南欒川 471500

隨 著對礦山生產(chǎn)需求的不斷增加，礦山設(shè)備規(guī)格不斷增大，對設(shè)備的維護(hù)也變得越來越重要。潤滑油作為礦山設(shè)備運(yùn)行的必須品，為礦山設(shè)備的潤滑、清洗、防銹、散熱提供服務(wù)。由于工作環(huán)境比較惡劣，隨著設(shè)備服役時(shí)間的增加，潤滑油品質(zhì)會(huì)發(fā)生劣化，如含水量增加、顆粒物的含量增加等。為了保證設(shè)備正常運(yùn)行，就存在事后維護(hù)引起的非計(jì)劃停機(jī)和預(yù)防性維護(hù)引起的過度維護(hù)問題。

為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，就需要監(jiān)測油液品質(zhì)。油液品質(zhì)監(jiān)測起源于美國，1941 年，美國鐵路行業(yè)首次采用 Baird 公司生產(chǎn)的發(fā)射光譜儀來檢測內(nèi)燃機(jī)車潤滑油中磨粒元素的種類和含量，并成功分析出內(nèi)燃機(jī)的失效原因[1]。

國內(nèi)也有很多專家研究油液監(jiān)測技術(shù)，粟斌等人[2]研究了美國和我國軍隊(duì)油液監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程；周俊麗等人[3]雖對油品檢測指標(biāo)進(jìn)行了相互關(guān)聯(lián)性研究，但是其研究還止于離線監(jiān)測系統(tǒng)；陳宏軍等人[4]分析了多種測量技術(shù)，包括光學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)等方法，也提出了油液監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的未來發(fā)展趨勢。針對此現(xiàn)象，筆者在某礦山設(shè)備中引入油液在線監(jiān)測系統(tǒng)，以驗(yàn)證其在實(shí)踐中的應(yīng)用效果。

1 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場系統(tǒng)、遠(yuǎn)端系統(tǒng)兩部分組成。遠(yuǎn)端系統(tǒng)可以控制多個(gè)現(xiàn)場系統(tǒng)，每個(gè)現(xiàn)場系統(tǒng)含有油路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電器系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，共同完成油液數(shù)據(jù)的采集、存儲、轉(zhuǎn)換、傳輸和就地顯示，并連接通信系統(tǒng)的 RS485 接口和 4G 接口。通信系統(tǒng)一路通過 RS485 接口把數(shù)據(jù)提供給本地服務(wù)器，另一路通過 4G 接口將數(shù)據(jù)傳輸給中信重工礦山裝備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺。遠(yuǎn)端設(shè)備由服務(wù)器、顯示器、云平臺處理系統(tǒng)等軟硬件部分組成，對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在網(wǎng)絡(luò)端和手機(jī)端進(jìn)行展示和推送。油液在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Oil online monitoring system

1.2 運(yùn)行模式

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過獨(dú)立的泵把返回潤滑站的潤滑油抽入到油液在線監(jiān)測系統(tǒng)中，潤滑油依次通過顆粒計(jì)數(shù)傳感器、含水量傳感器、理化指標(biāo)傳感器，最后潤滑油被重新打回到回油管路中。通過這個(gè)過程，把鐵磁性顆粒、非鐵磁性顆粒、含水量、黏度、溫度、密度、介電常數(shù)一一檢出，然后通過線路傳輸給后續(xù)的 PLC，再通過通信系統(tǒng)傳輸給云平臺存儲。云平臺對檢測的指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，找出理化指標(biāo)、污染指標(biāo)和磨損指標(biāo)的變化規(guī)律，從而找出礦山設(shè)備存在的風(fēng)險(xiǎn)問題，為設(shè)備的健康運(yùn)維服務(wù)，再通過軟件系統(tǒng)的處理，在不同的終端進(jìn)行相應(yīng)的展示。潤滑泵采用間斷性工作模式，大約 3～10 min 工作一次。

油液離線監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)可以為本系統(tǒng)提供參考，NB/SH/T 0586—2010 工業(yè)閉式齒輪油換油指標(biāo)如表1 所列，但是很多指標(biāo)并不完全適合，如銅片腐蝕、酸值增加等。在線監(jiān)測講究簡潔、高效，監(jiān)測指標(biāo)也要與設(shè)備可能出現(xiàn)的問題相對應(yīng)。

表1 工業(yè)閉式齒輪油技術(shù)要求和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Technical requirements and test standards of industrial closed gear oil

本系統(tǒng)主要從潤滑油現(xiàn)場容易發(fā)生的故障出發(fā)，來設(shè)計(jì)油液在線監(jiān)測的指標(biāo)。潤滑油故障主要有油液老化污染問題。為便于故障診斷，油液在線監(jiān)測系統(tǒng)潤滑油檢測的故障指標(biāo)大致分為理化指標(biāo)、污染指標(biāo)、磨損指標(biāo)。通過對 3 類故障指標(biāo)綜合判斷，對礦山設(shè)備系統(tǒng)潤滑油健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。

理化指標(biāo)是油液的基本指標(biāo)，直接影響著潤滑油對于設(shè)備的維護(hù)效果。理化指標(biāo)的閾值暫時(shí)參考離線換油的技術(shù)要求，包括溫度、黏性(動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度)、密度、介電常數(shù)、酸堿度、顏色等。

污染指標(biāo)是油液必須重點(diǎn)監(jiān)控的指標(biāo)。油液被污染后，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)對設(shè)備造成不良影響。通過油液所含元素的變化來判斷油液是否被污染，因?yàn)槲廴疚锖陀鸵罕旧砗械脑夭灰粯?。油液在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控的最主要的污染物是含水量和非鐵磁性顆粒。

磨損指標(biāo)對于監(jiān)控設(shè)備的健康度和預(yù)測設(shè)備的壽命起著關(guān)鍵性作用。它包括鐵磁性磨粒數(shù)量、非鐵磁性顆粒數(shù)量和非鐵磁性顆粒物形態(tài)等。油液在線監(jiān)測系統(tǒng)最主要的監(jiān)測指標(biāo)是鐵磁顆粒數(shù)。

本系統(tǒng)專為某一礦山設(shè)計(jì)了一組設(shè)備的監(jiān)測指標(biāo)，如表2 所列。

表2 監(jiān)測指標(biāo)Tab.2 Monitoring indicators

監(jiān)測指標(biāo)都有固定閾值和增速閾值，超出閾值后可及時(shí)報(bào)警。當(dāng)其中某一項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中換油規(guī)定值時(shí)，應(yīng)提示更換潤滑油，并根據(jù)故障情況，及時(shí)維護(hù)相關(guān)設(shè)備。

2 實(shí)踐應(yīng)用

2.1 使用情況

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)在某礦山現(xiàn)場圓錐破碎機(jī)、高壓輥磨機(jī)和球磨機(jī)的多種潤滑系統(tǒng)中進(jìn)行了安裝使用，如圖2 所示。通過對潤滑油的溫度、黏度、介電常數(shù)、含水量、鐵磁性顆粒和非鐵磁性顆粒含量等指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測和分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測潤滑油，在線分析油品受污染情況和關(guān)鍵設(shè)備零部件的磨損趨勢。異常監(jiān)測結(jié)果通過現(xiàn)場、網(wǎng)絡(luò)端和手機(jī)端實(shí)時(shí)預(yù)警提示，如圖3、4 所示。球磨機(jī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3 所列。

表3 球磨機(jī)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.3 Monitoring indicator data of ball mill

圖2 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用Fig.2 Application of oil online monitoring system

圖3 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端界面Fig.3 Network interface of oil online monitoring system

圖4 油液在線監(jiān)測系統(tǒng)手機(jī)端界面Fig.4 Mobile interface of oil online monitoring system

2.2 發(fā)現(xiàn)問題

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)上線以后，在 2023 年 8 月初，發(fā)現(xiàn)球磨機(jī)潤滑油指標(biāo)中的 40 ℃ 黏度、含水量和介電常數(shù)都有異常變化，如圖5、6 所示。

圖5 球磨機(jī)潤滑油黏度指標(biāo)變化趨勢Fig.5 Variation trend in viscosity indicators of lubricating oil for ball mill

圖6 球磨機(jī)潤滑油含水量和介電常數(shù)變化曲線Fig.6 Changing curves of moisture content and dielectric constant of lubricating oil for ball mill

8 月 3 日開始，潤滑油溫度降到 32～38 ℃；40 ℃黏度開始上升，逐漸從 147 cSt 攀升到 175 cSt；8 月 1日開始，含水量從 100 mg/kg 陡增至近 300 mg/kg，介電常數(shù)從 2.2 F/m 陡增到 4.0 F/m。由此可以判斷，潤滑油中含水量已經(jīng)超標(biāo)。

2.3 現(xiàn)場驗(yàn)證

潤滑油提取試樣如圖7 所示。試樣在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過人工實(shí)際檢驗(yàn)，結(jié)果如表4 所列。由表4 可知，試樣中含水率和機(jī)械雜質(zhì)含量嚴(yán)重超標(biāo)，驗(yàn)證了油液在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

表4 潤滑油檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Inspection results of lubricating oil

圖7 潤滑油取樣Fig.7 Lubricating oil sampling

經(jīng)過調(diào)研現(xiàn)場的檢修和維護(hù)情況，發(fā)現(xiàn)這次指標(biāo)超標(biāo)的原因，是球磨機(jī)現(xiàn)場維護(hù)時(shí)，水和機(jī)械雜質(zhì)混入潤滑油中，造成潤滑油污染。

3 結(jié)語

油液在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測潤滑油品質(zhì)的變化，也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)了礦山設(shè)備存在的安全隱患，避免非計(jì)劃停機(jī)引起更大損失。但是實(shí)踐中，油液在線監(jiān)測與離線檢測的精確度還有一定的差距，這在準(zhǔn)確性方面增加故障診斷的難度。