喬新勇, 劉 君, 靳 瑩

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系, 北京 100072)

柴油機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，更是一個(gè)由眾多摩擦副組成的集合體[1]。摩擦副之間的磨損情況會(huì)不同程度地影響柴油機(jī)的安全運(yùn)行，而嚴(yán)重的磨損可能影響其正常使用，進(jìn)而可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。潤(rùn)滑油具有減小摩擦副間的摩擦因數(shù)、冷卻摩擦副表面、防止表面銹蝕、清潔摩擦副表面雜物等作用。而通過檢測(cè)潤(rùn)滑油中的金屬屑，可直接判斷柴油機(jī)主要零件的磨損狀況。因此，可以通過分析柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中元素含量的變化來對(duì)柴油機(jī)的磨損和運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)。由于柴油機(jī)的運(yùn)行會(huì)不斷地消耗潤(rùn)滑油，因此必須定期對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充或更換[2]，而該操作會(huì)影響潤(rùn)滑油液元素的檢測(cè)和分析。徐泰富等[3]通過對(duì)某臺(tái)柴油機(jī)機(jī)油進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的檢測(cè)，并對(duì)元素含量進(jìn)行線性回歸分析，雖一定程度上消除了換油的影響，但其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取成本大、周期長(zhǎng)。為此，筆者通過對(duì)大量坦克柴油機(jī)的潤(rùn)滑油液數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合生成了各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線，提出了一種能夠有效消除換油操作和摩托小時(shí)影響的分析方法，為柴油機(jī)的磨損和故障情況的分析奠定了基礎(chǔ)。

1 油液分析技術(shù)與油液特征元素提取

1.1 油液分析技術(shù)簡(jiǎn)介

目前常用的油液分析技術(shù)有鐵譜分析技術(shù)和光譜分析技術(shù)。

鐵譜分析技術(shù)又稱為磨屑監(jiān)測(cè)技術(shù)，是20世紀(jì)70年代產(chǎn)生的一種技術(shù)性高、應(yīng)用范圍廣的磨損顆粒分析技術(shù)，是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法之一。鐵譜分析的原理是在重力場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下，使鐵磁性和非鐵磁性的磨損微粒按一定規(guī)律分離出來[4]，進(jìn)而對(duì)油樣進(jìn)行定量或定性分析。

光譜分析技術(shù)最早開始于20世紀(jì)40年代，美國(guó)的Denver&Riogard鐵路公司率先成功對(duì)內(nèi)燃機(jī)車用潤(rùn)滑油進(jìn)行了光譜分析，為油液光譜技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過幾十年不斷的發(fā)展，光譜分析技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮了重要作用[5]。通過光譜分析，可快速獲得潤(rùn)滑油中各種金屬磨粒和污染物微粒的組成元素和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其變化情況，并依據(jù)柴油機(jī)各摩擦副的材質(zhì)，推斷柴油機(jī)磨損程度和磨損部位。

1.2 油液特征元素提取

潤(rùn)滑油液數(shù)據(jù)中磨損元素的成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是評(píng)價(jià)一個(gè)機(jī)械設(shè)備磨損情況的重要指標(biāo)。同時(shí)，磨損元素的成分以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩擦副的成分以及摩擦程度有著緊密聯(lián)系，以此可以判斷磨損部位和磨損程度。筆者所用柴油機(jī)的潤(rùn)滑油液中各元素的來源[6]如表1所示。

表1 柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中各元素來源

2 消除換油影響的方法原理

在柴油機(jī)潤(rùn)滑油液分析中，為獲得油液中元素成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，通常對(duì)同一臺(tái)柴油機(jī)持續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，并定期對(duì)油液進(jìn)行采樣和分析[3,7-8]。但這種方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且單一的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的偶然性，不符合統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本要求。如果對(duì)多臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，則存在由于換油時(shí)機(jī)及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不同而造成的不同油樣不具備可比性的問題，難以準(zhǔn)確描述潤(rùn)滑油液數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

考慮到油液中單元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占所有元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比重在某部件磨損時(shí)將發(fā)生變化，且不受換油的影響。因此，筆者從分析各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占所有元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比重入手，研究消除換油影響的方法及磨損故障診斷方法，其主要原理如下。

以正常磨損柴油機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。設(shè)有m臺(tái)正常運(yùn)行的柴油機(jī)，n種磨損特征元素，第i臺(tái)柴油機(jī)油液中第j個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為hij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，則第i臺(tái)柴油機(jī)潤(rùn)滑油液數(shù)據(jù)中所有元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

以所有元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)H為橫坐標(biāo)，以第j個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，得到第j個(gè)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨所有元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線，如圖1所示。

圖1 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

在正常運(yùn)行的柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中，單個(gè)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈遞增的變化趨勢(shì)，可利用線性回歸分析方法[9]，以擬合得到回歸曲線AB作為判斷磨損的標(biāo)準(zhǔn)。

以圖1中C點(diǎn)為例進(jìn)行分析，C點(diǎn)表示柴油機(jī)潤(rùn)滑油元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為HC，第j個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為hC。根據(jù)建立的正常運(yùn)行柴油機(jī)油液標(biāo)準(zhǔn)曲線AB，元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為HC時(shí)，第j個(gè)元素的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為hE。易見，hC明顯大于hE，所以該柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中第j個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在超標(biāo)現(xiàn)象，進(jìn)而可以推斷含有第j個(gè)元素的部件可能磨損較為嚴(yán)重。再對(duì)D點(diǎn)進(jìn)行分析，可以得到該柴油機(jī)油液中第j個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于標(biāo)準(zhǔn)值，說明該柴油機(jī)中含有第j個(gè)元素的部件磨損情況良好。

由以上的分析可以看出：該方法與油液取樣時(shí)間無關(guān)，因此可消除柴油機(jī)摩托小時(shí)和換油時(shí)機(jī)不同造成的影響。

3 坦克柴油機(jī)磨損故障診斷

3.1 油液分析及磨損標(biāo)準(zhǔn)確定

筆者采集了132臺(tái)某型坦克柴油機(jī)(其中129臺(tái)正常磨損，3臺(tái)存在磨損故障)的潤(rùn)滑油光譜分析數(shù)據(jù)。這些柴油機(jī)摩托小時(shí)不同，換油時(shí)機(jī)也不同，所以難以從時(shí)間序列的角度來尋找元素含量變化的規(guī)律。為了避開這些因素的干擾，從分析各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比重角度出發(fā)，研究某個(gè)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。

通過對(duì)129臺(tái)正常運(yùn)行柴油機(jī)的潤(rùn)滑油液數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用主成分分析法[10]，提取鐵(Fe)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋁(Al)、硅(Si)6種元素作為特征元素，以每臺(tái)柴油機(jī)油液中這6種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和作為元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過數(shù)據(jù)分析得到二者之間的變化曲線，并采用線性回歸分析方法，擬合得到6種元素的線性回歸曲線，如圖2所示。其回歸表達(dá)式為

Fe:y=0.389x-5.100。

Cr:y=0.015x-0.022。

Pb:y=0.019x+7.968。

Cu:y=0.029x+2.722。

Al:y=0.160x+1.109。

Si:y=0.388x-6.676。

式中:x為元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù);y為單個(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于這些曲線都是通過分析磨損狀態(tài)正常的柴油機(jī)得到的，在一定程度上反映了油液中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，因此可將其作為判定磨損情況的參考標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)未知情況的柴油機(jī)油液進(jìn)行分析時(shí)，可參照該標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)油液中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而診斷出可能的磨損部件。

圖2 各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

3.2 磨損故障診斷

3.2.1 基于優(yōu)化3σ規(guī)則的故障診斷原理

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中常采用3σ規(guī)則[11]來判定異常數(shù)據(jù)，因此在故障診斷中也經(jīng)常被用來制定故障判別的準(zhǔn)則。

vi=xi-yi,

標(biāo)準(zhǔn)差σ近似為

運(yùn)用3σ方法對(duì)3.1節(jié)中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得到6種元素的σ值分別為8.27×10-6、0.62×10-6、3.24×10-6、3.50×10-6、3.01×10-6、7.11×10-6。在對(duì)未知狀況柴油機(jī)進(jìn)行診斷時(shí)，當(dāng)該柴油機(jī)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出理論值的部分大于3σ時(shí)，則認(rèn)為該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)，進(jìn)而判定含有該元素的部件可能存在磨損較為嚴(yán)重的情況。

3.2.2 磨損故障診斷實(shí)例

試驗(yàn)中共提取了3臺(tái)具有磨損故障的柴油機(jī)潤(rùn)滑油液，現(xiàn)以其中某臺(tái)為例說明磨損故障的診斷過程。其油液中鐵、鉻、鉛、銅、鋁、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為102×10-6、8.9×10-6、11.9×10-6、4.5×10-6、42.9×10-6、90.2×10-6，6種元素的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為260.4×10-6，其與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線的關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)線性回歸曲線得到各元素的理論標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為96.17×10-6、3.81×10-6、12.94×10-6、10.35×10-6、42.72×10-6、94.39×10-6，由計(jì)算結(jié)果和圖3可知：鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出理論標(biāo)準(zhǔn)值的部分明顯大于相應(yīng)的3σ值，因此可以判定鉻元素超標(biāo)，進(jìn)而推斷該型柴油機(jī)中含有鉻元素的金屬部件(活塞環(huán)或主軸)存在較為嚴(yán)重的磨損。

圖3 某柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

同理，對(duì)其余2臺(tái)柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中元素進(jìn)行分析，其結(jié)果如表2和表3所示。

表2 1#柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中元素分析結(jié)果 10-6

表3 2#柴油機(jī)潤(rùn)滑油液中元素分析結(jié)果 10-6

經(jīng)過對(duì)柴油機(jī)的檢查，以上診斷結(jié)論與實(shí)際檢查結(jié)果一致。當(dāng)然在柴油機(jī)潤(rùn)滑油液檢測(cè)中，影響診斷精確度的問題不但與換油、采樣時(shí)間有關(guān)，還與采樣的位置、狀態(tài)有關(guān)。在其他條件不變的情況下，該方法能夠有效消除換油影響，從而準(zhǔn)確地判別柴油機(jī)磨損狀態(tài)或故障。

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