摘要:通過液壓油理化分析、油料光譜、紅外光譜、X射線熒光能譜等多種分析技術(shù)的綜合應(yīng)用,快速而準確地診斷出AGC液壓系統(tǒng)存在的故障,指出液壓油中抗磨添加劑ZDDP的降解是中過濾器上不明析出物的主要來源,及時地為生產(chǎn)廠找到故障原因并迅速排除故障。

關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng);故障診斷;油液監(jiān)測

中圖分類號:TP271.31 文獻標識碼:A

Fault Diagnosis of AGC Hydraulic System

WU Gen-sheng

(Shanghai Baosteel Industry Inspection Corp., Shanghai 201900, China)

Abstract:By means of the integrated application of several analytical technologies, such as physico-chemical analysis, oil spectrographic analysis, infrared spectrum analysis, EDS (Energy Dispersive XRF Spectrometer) analysis and so on, the faults of AGC hydraulic system were diagnosed accurately and quickly. It was pointed out that the main source of the unknown precipitates on the filter is the degradation of the antiwear additive ZDDP in hydraulic oil. Thus the reason of the fault was found and solved quickly.

Key words:hydraulic system; fault diagnosis; oil monitoring

0 前言

AGC伺服液壓系統(tǒng)是熱軋專門用來提供動力軋制力最關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備,是精軋軋輥壓下動力的主要控制來源,其運行狀態(tài)的好壞將直接影響到軋輥的工作狀態(tài),進而影響到熱軋產(chǎn)品的質(zhì)量。某熱軋廠AGC液壓系統(tǒng)自更換了某國產(chǎn)HM46抗磨液壓油后,過濾器經(jīng)常出現(xiàn)異常報警,主要表現(xiàn)在高壓過濾器的濾芯壓差報警器彈出,無法復位,在更換下來濾芯中則可以發(fā)現(xiàn)大量的粘稠狀污染物。每次出現(xiàn)報警后,都必須為更換濾芯耗費寶貴的生產(chǎn)時間和更換成套的過濾器,嚴重影響了軋機生產(chǎn)線的正常運行。

1 試驗部分

1.1 設(shè)備參數(shù)

該液壓系統(tǒng)采用的是國產(chǎn)HM46抗磨液壓油,油箱容量為6000 L。系統(tǒng)中工作壓力均為33 MPa,泵的出口流量為1000 L/min,油箱中液壓油溫度一般在35～45 ℃。系統(tǒng)中除吸油過濾器采用60 μm孔徑的不銹鋼濾芯外,其他均為5 μm孔徑的紙質(zhì)濾芯。

1.2 分析儀器

液壓油性能分析設(shè)備包括酸值測定儀、粘度測定儀、水分測定儀、腐蝕測定儀、污染度測定儀、Nicolet紅外光譜儀等。

金屬元素分析設(shè)備包括Spectroil M型油料光譜儀、X射線熒光能譜分析儀。

1.3 樣品采集

液壓油的采集:在設(shè)備運行狀態(tài)下,選擇該液壓系統(tǒng)高壓過濾后的壓力測試點作為取樣點,并擦凈取樣部位,用液壓插入軟件進行液壓油采集,保證取到的液壓油最具代表性。

油泥物的采集:為了找到故障發(fā)生的真正根源,又選擇了對過濾器中異物進行分析。采樣主要用刮刀,從更換下來的過濾器濾芯中刮出油泥狀物質(zhì)(見圖1和圖2),然后對其進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 油料光譜分析

將從過濾器濾芯上采集的油泥狀物質(zhì)按一定比例分散到基礎(chǔ)油中,再在超聲波儀中分散成均勻液體,然后通過油料光譜儀進行分析,結(jié)果顯示其中主要含有鋅、鈣、磷、鐵元素,其中鋅和磷元素來源于液壓油中的抗磨添加劑ZDDP,鈣元素來源于防銹添加劑[1],鐵元素則來源于系統(tǒng)中鋼質(zhì)零部件的磨損,分析結(jié)果見表1。

由表1可知,油泥中鐵元素含量很低,表明系統(tǒng)中鋼質(zhì)零部件的磨損狀態(tài)基本正常。由于該液壓油采用的是鋅型抗磨添加劑,而油泥中存在大量鋅元素和較多磷元素,因此有理由相信抗磨添加劑ZDDP的降解產(chǎn)物是油泥的主要成分。鈣元素含量也比較高,同樣說明防銹添加劑的降解產(chǎn)物也是油泥的組成部分之一。

當然,由于該液壓油屬于高鋅配方,其抗磨劑為硫磷酸鋅鹽,在其降解產(chǎn)物中必定還存在較多的硫元素,而油料光譜儀不能分析硫元素含量,因此利用X射線熒光能譜儀對油泥中的固體物質(zhì)進行進一步分析。

2.2 X射線熒光能譜分析

將過濾器上油泥狀物質(zhì)分散到石油醚中,再真空過濾,并用石油醚將濾餅清洗多次,再經(jīng)干燥、研磨后得到粉末狀固體,然后將該粉末狀固體用于進行X射線熒光分析,分析結(jié)果見表2。

X射線熒光分析表明,油泥中的固體物質(zhì)主要含有鋅、鈣、硫、磷元素,其中,鋅元素含量很高,硫、磷元素濃度也比較高,進一步表明油泥主要是由抗磨添加劑ZDDP降解后產(chǎn)生的。鈣元素的含量也相當高,它來源于防銹添加劑的降解產(chǎn)物。

2.3 紅外光譜分析

液壓油中產(chǎn)生油泥的來源除了添加劑降解產(chǎn)物外,還有可能來自基礎(chǔ)油氧化變質(zhì)后形成的膠狀不溶物[2]。前者主要為無機鹽類化合物,分子結(jié)構(gòu)中沒有烷基或者只有少量的短鏈烷基出現(xiàn),兩種產(chǎn)物的紅外光譜譜圖的差別很大,因此其紅外譜圖中烷基的νC-H吸收峰的強度低;后者主要為有機化合物,其分子結(jié)構(gòu)中存在長的烷基鏈,則其紅外譜圖中烷基的νC-H吸收峰的強度很高。

為進一步確定油泥中固體物質(zhì)的來源,對其進行了紅外光譜分析(見圖3)。由圖3可知,在2957.90 cm-1和2927.68 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰即為烷基上-CH₃、-CH2的νC-H吸收峰,其相對強度很低,表明該固體物質(zhì)的組分中有機基團的比例很低,因此它不可能是基礎(chǔ)油氧化變質(zhì)后的產(chǎn)物,而應(yīng)該屬于添加劑降解后生成的無機鹽類化合物。事實上,此假設(shè)還可以通過灼燒法來驗證。

2.4 灼燒法分析

當固體物質(zhì)主要為有機化合物時,其在灼燒過程中將生成揮發(fā)性的CO2和H2O,殘留物很少。當固體物質(zhì)為無機鹽類化合物時,其在高溫環(huán)境下不會燃燒或很難燃燒,殘留物主要為金屬氧化物和非金屬氧化物,因而其質(zhì)量損失少。

將油泥中分離出來的固體粉末狀物質(zhì)放在不銹鋼藥勺中,在明火上加熱,直至鋼勺燒紅,5 min后停止加熱,待冷卻后發(fā)現(xiàn)藥勺中的固體物質(zhì)除外觀顏色變成了黑色外,其質(zhì)量損失很少(初步估計<30%)。由此說明該固體物質(zhì)主要為無機鹽類化合物,也就是說,油泥中固體物質(zhì)的主要來源在于添加劑的降解,而不是基礎(chǔ)油的氧化變質(zhì)。

2.5 新液壓油和在用液壓油的對比分析

2.5.1 光譜分析

既然油泥是由于添加劑的降解所產(chǎn)生的,那么,經(jīng)過一段時間的運行后,系統(tǒng)中液壓油的添加劑元素濃度應(yīng)該有所變化。于是,對在用液壓油和新液壓油中的Zn、Ca、P元素濃度進行了測定,分析結(jié)果見表3。

由表3可知,在用液壓油中鋅和鈣元素濃度均有了明顯下降,磷元素濃度也略有下降,再次表明抗磨添加劑和防銹添加劑發(fā)生了降解并生成了不溶性物質(zhì)。同時,由于過濾器的精度相當高,因此這些尺寸較大的不溶物被過濾出來,從而降低了油中添加劑元素的濃度。

2.5.2 液壓油理化和污染度分析

該液壓油的理化分析情況見表4。我們知道,液壓油中添加劑大多為酸性,因此從理化分析的酸值變化就可以大致了解到添加劑的消耗情況。由表4看來,液壓油的酸值與前幾次分析數(shù)據(jù)進行比較有明顯下降,這也表明該液壓油中添加劑的消耗相當嚴重。此外,污染度分析也顯示該系統(tǒng)的污染度等級超標(按診斷相關(guān)標準,該伺服系統(tǒng)的最高污染度等級為不大于NAS 6級)。這些污染物的來源同樣在于添加劑降解后生成的不溶性固體物質(zhì)。

2.5.3 旋轉(zhuǎn)氧彈分析

為進一步了解新液壓油和在用液壓油的使用情況,利用旋轉(zhuǎn)氧彈法對它們的氧化安定性進行了分析,其分析結(jié)果見表5。由表5可知,新液壓油的氧化時間為388 min,而在用液壓油的氧化時間已縮短到了280 min,降低了27.8%,表明在用液壓油中抗氧化添加劑(在此主要為ZDDP)消耗比較嚴重。

2.5.4 液壓油抗磨分析

為了驗證液壓油中添加劑消耗對設(shè)備抗磨性的影響,我們采用了四球機對該HM46新液壓油進行了長磨測試,測試結(jié)果見表6。分析發(fā)現(xiàn)其磨斑直徑為0.57 mm,超出了診斷相關(guān)標準中規(guī)定的不大于0.55 mm的指標,與油商提供的參考數(shù)據(jù)0.50～0.51 mm也有較大差距,再次表明該批次的抗磨液壓油存在質(zhì)量方面問題。

以上新液壓油和在用液壓油的對比分析表明,油泥的主要來源在于添加劑的降解析出,且該批次的新液壓油本身還存在抗磨性能較差等情況。

2.6 添加劑降解原因分析

為什么同牌號的液壓油在該廠的其他液壓系統(tǒng)中能夠正常使用,而在AGC液壓系統(tǒng)則出現(xiàn)了如此嚴重的添加劑降解問題呢?

我們知道,隨著液壓技術(shù)的發(fā)展,液壓系統(tǒng)的壓力升高,功率增大,油泵的負荷越來越重,因此對液壓油的抗磨性能提出了更高的要求。此外,液壓裝置朝高壓、高速和小型化方向發(fā)展,使得液壓油在液壓系統(tǒng)中的循環(huán)次數(shù)增加,液壓油在油箱中的停留時間變短,故油溫也逐漸上升,對液壓油的熱氧化穩(wěn)定性要求更高。還有就是隨著液壓控制系統(tǒng)變得更靈活更復雜,系統(tǒng)中伺服閥和比例閥部件的靈敏度高,結(jié)構(gòu)復雜,配合間隙小,精度高,同樣要求液壓油有更高的清潔度和更好的過濾性。因此,高性能的抗磨液壓油的使用越來越普遍, ZDDP就是用來調(diào)配高性能抗磨液壓油的重要抗磨添加劑之一,該類型添加劑具有良好的抗磨、抗氧性能,成本低,因此其使用范圍較廣,但其缺點同樣不容忽視,那就是它的熱穩(wěn)定性能比較差,這一點在高壓液壓系統(tǒng)中相當突出。

前面的分析業(yè)已表明, AGC液壓系統(tǒng)的HM46抗磨液壓油所采用的抗磨添加劑為ZDDP。在高壓和高負荷工作條件下,系統(tǒng)的局部工作溫度升高,會導致ZDDP發(fā)生分解生成不溶物質(zhì),這種物質(zhì)在形成初期,其尺寸大多為亞微米級,隨著時間的推移,小尺寸顆粒通過相互碰撞而不斷長大,直至長成微米級甚至更大的顆粒,并在油箱、零部件表面、過濾器濾芯上沉積下來形成漆膜或油泥。同時,由于這種顆粒為極性物質(zhì),因此同為極性物質(zhì)的防銹添加劑也會大量吸附在其表面,從而導致液壓油中抗磨添加劑和防銹添加劑的損失,這也就是濾芯的油泥狀物質(zhì)中存在大量鋅、鈣元素的原因。

AGC伺服液壓系統(tǒng)在熱軋廠的液壓設(shè)備中是工作壓力最高的,達33 MPa,而其他系統(tǒng)的工作壓力均在25 MPa以下。油壓的升高往往還會導致油中所溶解的空氣濃度也隨之增加,促使?jié)櫥瑒┑臒岱纸?因此在高壓液壓系統(tǒng)中更容易形成油泥狀物質(zhì)。該牌號液壓油在其他壓力較低的液壓系統(tǒng)中能夠正常使用,而在AGC液壓系統(tǒng)則出現(xiàn)了嚴重的添加劑降解析出現(xiàn)象的原因就在這里。此外,該生產(chǎn)線目前的實際生產(chǎn)能力已經(jīng)遠超出了原設(shè)備的設(shè)計能力,從而導致了該系統(tǒng)的生產(chǎn)負荷大大增加,這也是造成該液壓油使用壽命縮短的重要原因。

2.7 添加劑消耗帶來的不良后果

由于添加劑的大量消耗會導致液壓油的抗磨和抗氧化安定性能下降,最終導致油泵的磨損以及液壓油的使用壽命縮短。此外,添加劑降解后形成的油泥狀物質(zhì)還會導致以下問題出現(xiàn)[3]:①降低液壓油的清潔度;②增大摩擦,增加能耗,甚至導致閥門的失靈或卡死;③由于油泥或漆膜可作為絕熱物質(zhì),會使得系統(tǒng)的熱交換效果下降,從而降低液壓系統(tǒng)的冷卻效果,使油溫上升;④限制或阻止油的流動,并可能使閥門、過濾器堵塞等。因此在使用過程中,必須對在用液壓油添加劑的消耗情況進行適時監(jiān)測,以避免以上不良后果的出現(xiàn)。

3 結(jié)論與建議

綜上所述,造成該AGC液壓系統(tǒng)中的油泥狀物質(zhì)主要是由于油中抗磨添加劑和防銹添加劑的降解所產(chǎn)生的,其中抗磨添加劑ZDDP的降解占主導地位。建議:①定期采用濾油器對系統(tǒng)油箱中液壓油進行過濾處理;②縮短換油周期或定期補充新油;③必要時進行技術(shù)改造,增大油箱容量;④考慮該系統(tǒng)目前使用的HM46新液壓油在使用過程中出現(xiàn)了較嚴重的添加劑降解現(xiàn)象,建議生產(chǎn)廠停止使用該批次的抗磨液壓油,應(yīng)及時更換其他牌號或改用無灰抗磨液壓油。

4 結(jié)束語

通過液壓油理化、污染度、油料光譜、紅外光譜、X射線熒光能譜等多種分析技術(shù)的綜合應(yīng)用,快速而準確地診斷出了在線設(shè)備液壓油的添加劑消耗情況及不明析出物的來源,及時地為生產(chǎn)廠找到故障原因并迅速排除故障,受到了現(xiàn)場技術(shù)人員的好評。

參考文獻:

[1] 黃文軒. 潤滑劑添加劑應(yīng)用指南[M]. 北京: 中國石化出版社, 2003:41-49.

[2] 張叔良, 易大年, 吳天明. 紅外光譜分析與新技術(shù)[M]. 北京: 中國藥物科技出版社, 1993.

[3] 顏志光.潤滑材料與潤滑技術(shù)[M]. 北京: 中國石化出版社, 2000:96-115.

收稿日期:2008-10-16。

作者簡介:吳根生(1966-),男,工程師,2006年畢業(yè)于東北大學機電一體化專業(yè),第二專業(yè)為環(huán)境與化學分析,現(xiàn)從事設(shè)備監(jiān)測診斷及機械設(shè)備用油脂分析等工作,編制了“寶鋼機械設(shè)備企業(yè)用油標準和在線設(shè)備用油管理標準”,已公開發(fā)表論文數(shù)篇。