劉敬軍，張佃惠

(1.92132部隊，山東 青島 266405;2.91663部隊，山東 青島 266011)

大量資料表明，磨損是影響液壓設(shè)備工作可靠性和使用壽命的主要原因，且以磨料磨損造成的損失最為嚴(yán)重，而磨損類故障的主要故障源是液壓油污染。據(jù)統(tǒng)計，液壓元件失效的70%～85%歸因于液壓油液污染［1］。液壓油的污染主要包括顆粒、水分、空氣、熱和微生物污染等，其中對油液使用性能影響最大的就是顆粒和水分污染，其次為空氣、熱污染。通常意義上所說的污染就是指液壓油中金屬顆粒與水分污染。液壓油及其中的污染物蘊(yùn)含著大量的表征液壓設(shè)備內(nèi)部磨損狀態(tài)的信息。運(yùn)用先進(jìn)的監(jiān)測診斷技術(shù)，對在用液壓油的污染情況實(shí)施有效的監(jiān)測和控制，可以及時掌握液壓系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，判斷過度磨損是否有可能發(fā)生，采取措施消除各種故障源，將對液壓系統(tǒng)的科學(xué)使用管理和合理維護(hù)保障有著十分重要的意義。

目前用于液壓油中污染物監(jiān)測分析的主要技術(shù)手段有光譜分析、鐵譜分析、污染度分析、理化指標(biāo)分析和紅外光譜分析等。由于各種監(jiān)測儀器的原理、結(jié)構(gòu)不同，其適用范圍也各不相同，因此選擇合適的油液監(jiān)測儀器，才能可靠的表征機(jī)械設(shè)備實(shí)際狀態(tài)的信息參數(shù)。分析處理時要把各種分析手段(參數(shù))綜合在一起，互相補(bǔ)充印證，對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行綜合分析、判斷，使設(shè)備監(jiān)測診斷做到更科學(xué)、更準(zhǔn)確、更有效［2］。下面針對某船液壓設(shè)備——絞纜機(jī)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，應(yīng)用原子發(fā)射光譜技術(shù)、自動磨粒形狀分類技術(shù)和污染度監(jiān)測技術(shù)對其液壓油樣進(jìn)行分析，應(yīng)用鐵譜技術(shù)對個別關(guān)鍵油樣進(jìn)行分析，通過比較得出各分析技術(shù)的相關(guān)性。

1 油液監(jiān)測技術(shù)

1.1 油料光譜技術(shù)

基于磨粒分析的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要對潤滑油液(作為診斷介質(zhì))攜帶的磨粒進(jìn)行定性定量分析，提供關(guān)于設(shè)備部件當(dāng)前狀態(tài)的重要信息。油料光譜技術(shù)主要對油液中鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫、銀、硅、硼、鈉、鎂、鈣、鋇、磷、鋅等多種元素進(jìn)行測試，可快速準(zhǔn)確地提供油液中機(jī)械設(shè)備磨粒和污染方面的信息，但僅能測試小于10μm以下的磨粒元素濃度。不同機(jī)械設(shè)備的摩擦副材質(zhì)、所使用的油液種類和可能發(fā)生的污染是不同的，對特定設(shè)備進(jìn)行油液監(jiān)測時所選定的所有監(jiān)測元素稱為特征元素。特征元素的確定主要是根據(jù)設(shè)備可能發(fā)生磨損的主要摩擦副材質(zhì)、油液添加劑的種類和污染物的種類而定。一般地，鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫元素的含量反映設(shè)備摩擦副磨損情況，硅、鈉元素反映油液污染程度，鎂、鈣、鋇、磷、鋅元素的含量反映添加劑的耗損情況。比如對于常用海水冷卻的船舶液壓設(shè)備而言，銅、鐵、硅、鈉是必須要監(jiān)測的元素，前兩種是主要的磨損元素，而后兩種元素則是主要污染物的表征。經(jīng)驗(yàn)表明，對于某一類系統(tǒng)而言，某些金屬或非金屬的含量的增加一定意味著設(shè)備的某個或某些部件發(fā)生了異常磨損。根據(jù)磨粒監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測結(jié)果可以繪制磨粒元素的濃度變化趨勢圖，據(jù)此并結(jié)合油液分析的其它結(jié)果，可以確定設(shè)備的磨損速率，判斷設(shè)備是否處于正常磨損狀態(tài)以及磨損故障的逼近程度。結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)中材質(zhì)構(gòu)成，便能判明異常磨損發(fā)生在哪種部件或組件上，從而檢測出潛在的機(jī)械故障。

1.2 磨粒形狀分類技術(shù)

磨粒監(jiān)測主要檢測液壓油中含有的從磨損表面產(chǎn)生的金屬或非金屬性微粒以及外來污染物顆粒，它是基于油液分析的液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的重要手段，其有效性表現(xiàn)為通過磨粒屬性和數(shù)量的監(jiān)測結(jié)果及其趨勢分析，能夠確定系統(tǒng)的狀態(tài):接近失效、已經(jīng)失效以及失效形式。磨?？偭坑糜谂袛嗄p處于什么階段;磨粒尺寸分布用于判斷磨損的嚴(yán)重程度;磨粒形態(tài)用于判斷磨損類型，分析磨損機(jī)理;磨粒化學(xué)成分用于確定磨損部件和磨粒元素的來源。磨粒形狀分類技術(shù)可以迅速對油液中磨粒的形狀并按磨損形式對其分類、數(shù)量、各尺寸磨粒分布及污染度等進(jìn)行分析，但不能對材質(zhì)進(jìn)行辨別。

1.3 鐵譜技術(shù)

分析式鐵譜儀主要對油液中較大的鐵磁性磨粒和部分具有明顯顏色特征的金屬磨粒 (如銅等)的形貌、顏色和輪廓尺寸進(jìn)行識別，但精度較低、重復(fù)性差，只能定性分析，主要依賴于分析人員經(jīng)驗(yàn)，在油液監(jiān)測故障診斷中有重要的旁證價值。直讀式鐵譜儀可按磨粒尺寸大小定量測試大小磨粒的顆粒數(shù)。但兩種儀器對非鐵磁性磨粒的識別效用不大。近年來有人提出用具有選擇性的磁流體對油液中不同的非鐵磁性金屬磨粒進(jìn)行磁化，將非鐵磁性磨粒保留在譜片上進(jìn)行研究取得了一定的成果。

1.4 污染度分析技術(shù)

油液的污染度是指單位容積油液中固體顆粒污染物的含量，即油液中所含固體顆粒污染物的濃度。油液污染度標(biāo)準(zhǔn)從最早使用的質(zhì)量污染度和體積μL/L、質(zhì)量μg/g等，逐漸改進(jìn)為可反映顆粒尺寸及分布的顆粒污染度表示方法。油液的污染度分析是通過對系統(tǒng)中循環(huán)流動的液壓油的污染狀況進(jìn)行監(jiān)測，檢測和分析油液中固體顆粒污染物的濃度、尺寸大小、尺寸分布以及質(zhì)量等的變化，研究固體顆粒污染物的特性與機(jī)械零部件磨損之間的關(guān)系，為計算顆粒粒度分布函數(shù)的數(shù)學(xué)參量提供準(zhǔn)確的基本數(shù)據(jù)，并從顆粒數(shù)量的統(tǒng)計角度判斷機(jī)械的工作狀態(tài)和磨損情況，為機(jī)械設(shè)備的故障診斷和維修決策提供依據(jù)。液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測目標(biāo)，主要是對其污染度進(jìn)行控制。通常液壓油的污染度等級沒有超過標(biāo)準(zhǔn)，液壓系統(tǒng)的運(yùn)行一般處于正常。

NAS1638污染度等級標(biāo)準(zhǔn)是用100mL油樣中的顆粒尺寸范圍5～15μm、15～25μm、25～50μm、50～100μm 和 ＞100μm 的顆粒數(shù)，表示油液污染度。原定污染度等級為12級，為了擴(kuò)大應(yīng)用范圍，現(xiàn)已將污染度等級擴(kuò)展到21個等級。

ISO4406污染度等級標(biāo)準(zhǔn)是用1 mL油樣中的顆粒尺寸大于5μm和15μm的顆粒數(shù)，用“/”符號隔開，表示油液污染度，分為30等級。

2 試驗(yàn)

2.1 監(jiān)測儀器

監(jiān)測儀器包括:超譜M油料光譜分析儀，LNF－C磨粒分析儀，dcA污染度監(jiān)測儀;FTP－X2型分析式鐵譜儀，OLYMPUS鐵譜顯微鏡。

2.2 監(jiān)測方法

對所有的液壓油樣進(jìn)行光譜分析、dcA污染度測試分析和LNF－C磨粒分析，對個別關(guān)鍵油樣進(jìn)行鐵譜分析。樣品5為第一次換油后的油樣，樣品8為修理并換油后的油樣。

LNF－C磨粒分析儀測試方法如下:將油樣加熱0.5 h，搖勻5min，消泡1min，進(jìn)行測試。

2.3 結(jié)果

2.3.1 污染度對比

對所有油樣進(jìn)行污染度分析，結(jié)果如表1。從表1中可以看出，dcA測試儀與LNF－C磨粒分析儀兩臺儀器因其測試的原理不同，對同一油樣得出的顆?？倲?shù)數(shù)值不相同，但得出的NAS1638和ISO4406污染等級相近。

表1 dcA測試和LNF－C磨粒測試污染度的比較

2.3.2 相關(guān)性

表2中第一次換油前光譜數(shù)據(jù)表明:銅元素含量有異常增加，達(dá)到了48.1μg/g;LNF－C磨粒測試數(shù)據(jù)和圖1磨粒圖片表明，磨粒以疲勞磨損為主，從而初步判斷出絞纜機(jī)的銅質(zhì)摩擦副疲勞磨損較重。為了進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，進(jìn)行鐵譜分析如圖2所示發(fā)現(xiàn)，在鐵譜片55mm區(qū)存在大量的塊狀銅磨粒。建議換油后繼續(xù)取樣監(jiān)測。

表2 光譜數(shù)據(jù)和LNF－C磨粒測試數(shù)據(jù)對比

第一次換油后的絞纜機(jī)液壓油中銅元素含量回落，但第二次取樣，銅元素含量就猛升到79.2μg/g，鐵含量達(dá)到了175μg/g，表明異常磨損仍然存在，而且鈉元素含量達(dá)到了854μg/g，懷疑液壓油進(jìn)海水。由于油液乳化嚴(yán)重，LNF－C磨粒分析儀對乳化的油樣沒有效用。此時，應(yīng)用鐵譜分析分析磨粒如圖3所示。

圖1 LNF－C磨粒分析的切削磨粒、疲勞磨粒和非金屬顆粒

圖2 4#樣品的鐵譜圖片

圖3 6#樣品的鐵譜圖片

從圖3可以看出，在大顆粒區(qū)存在大量污染物，在30mm區(qū)存在大量的紅色氧化物，50mm區(qū)存在較大的切削銅磨粒和塊狀銅磨粒，建議立即拆檢修理。經(jīng)拆檢查實(shí)，油箱冷卻器盤管故障導(dǎo)致液壓油進(jìn)海水，引起了液壓設(shè)備的異常磨損。經(jīng)修理并更換液壓油后，銅、鐵元素含量回落，數(shù)值基本穩(wěn)定。

3 結(jié)論

油料光譜分析、鐵譜分析、污染度分析和LNF－C磨粒形狀分類分析等油液監(jiān)測技術(shù)對在用液壓油中磨粒監(jiān)測具有較好的相關(guān)性。一般情況下，光譜分析、污染度分析和LNF－C自動磨粒形狀分類分析可對液壓油中磨粒作出較為準(zhǔn)確的判斷，鐵譜分析可作為旁證。但當(dāng)油樣嚴(yán)重乳化，在進(jìn)行LNF－C磨粒分析前必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?(如用同一牌號的新油進(jìn)行稀釋或用無水溶劑稀釋)，或者進(jìn)行鐵譜分析。

［1］毛美娟，朱子新，王峰.機(jī)械裝備油液監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006:68.

［2］萬耀青，鄭長松，馬彪.油液分析故障診斷中的信息融合問題 ［J］.機(jī)械設(shè)計，2004，21(9):1－4.