胡學(xué)超，薛守洪，孫利強(qiáng)，劉 江

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓油主要起傳遞動(dòng)力、密封、冷卻、潤(rùn)滑的作用，液壓油的油質(zhì)極大影響著風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)的正常工作，對(duì)保證風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行具有重要意義。查閱GB/T 11181.1—2011《液壓油（L-HL、L-HM、L-HV、L-HS、L-HG）》[1]《風(fēng)力發(fā)電廠技術(shù)監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)匯編》[2]《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用潤(rùn)滑劑第4部分：液壓油》[3]等標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)對(duì)于HVM、HM類型的液壓油標(biāo)準(zhǔn)或研究占比很少，對(duì)于風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)使用的32號(hào)液壓油在換油指標(biāo)方面鮮有研究文獻(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的科學(xué)維護(hù)，合理安排液壓油的取樣與更換，研究風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)32號(hào)液壓油理化性質(zhì)、劣化程度和衰變時(shí)間的趨勢(shì)。

1 油液檢測(cè)技術(shù)

油液檢測(cè)技術(shù)[4]作為機(jī)械設(shè)備潛在故障檢測(cè)主流技術(shù)之一，是利用特定設(shè)備對(duì)在用潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油的理化性能、光譜分析、污染分析、磨損顆粒特征分析，獲取關(guān)于設(shè)備潤(rùn)滑和磨損狀態(tài)[5]的信息，從而評(píng)估設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及潛在故障信息一系列技術(shù)，其在液壓系統(tǒng)故障診斷中有著不可取代的優(yōu)勢(shì)。油液監(jiān)測(cè)技術(shù)主要釆用理化分析、光譜分析、污染分析、紅外分析、鐵譜分析[6-8]等手段，通過(guò)對(duì)研究機(jī)械磨損部位和過(guò)程、磨損失效的類型、磨損機(jī)理有重要的作用，也是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)不解體、不停機(jī)進(jìn)行故障診斷的重要手段。

文獻(xiàn)[9]提出了基于油液檢測(cè)的設(shè)備磨損趨勢(shì)分析方法，文獻(xiàn)

[10]基于油樣光譜分析的少量樣本多相關(guān)變量回歸分析的偏最小二乘法判斷設(shè)備磨損程度，文獻(xiàn)[11]研究了液壓油使用過(guò)程中外在因素對(duì)其性能和壽命造成影響的主要因素。本研究在模擬風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)下，通過(guò)提高運(yùn)行條件和工作頻率，定期取樣檢測(cè)分析液壓油的理化性質(zhì)與磨損狀態(tài)，以液壓系統(tǒng)磨損狀態(tài)為主要指標(biāo)，結(jié)合油品老化程度的光譜分析數(shù)據(jù)，判斷液壓油的劣化程度和衰變時(shí)間，建立風(fēng)機(jī)液壓油理化性質(zhì)與其劣化程度和衰變時(shí)間模型；收集內(nèi)蒙電網(wǎng)風(fēng)機(jī)液壓油的運(yùn)行、檢測(cè)、維護(hù)數(shù)據(jù)，修正風(fēng)機(jī)液壓油理化性質(zhì)同劣化程度和衰變時(shí)間的模型，以此評(píng)估內(nèi)蒙電網(wǎng)風(fēng)機(jī)液壓油劣化程度和衰變時(shí)間。

2 運(yùn)行液壓油的理化性質(zhì)、劣化程度和衰變時(shí)間趨勢(shì)模型的研究

2.1 研究?jī)?nèi)容

機(jī)械設(shè)備磨損的發(fā)生，很大程度上是由于潤(rùn)滑油的劣化衰變使其不能為設(shè)備提供良好的潤(rùn)滑、保護(hù)作用。通過(guò)檢測(cè)油液的理化性質(zhì)和油液中磨損顆粒等，判斷機(jī)械設(shè)備是否存在潛在故障。同樣，液壓系統(tǒng)的磨損和油液老化的光譜分析也可以在很大程度上表征液壓油的劣化、衰變程度。本研究通過(guò)建立一套風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，在最高工作壓力24 MPa、用油量200 L、油溫45 ℃下，使用同規(guī)格液壓油進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行模擬試驗(yàn)，定期采樣測(cè)試液壓油的酸值、金屬元素、污染物顆粒、銅片腐蝕、氧化安定性、抗磨性、油泥及腐蝕趨勢(shì)、高壓葉片泵磨損特性等理化性質(zhì)，同時(shí)通過(guò)鐵譜分析、油液光譜分析等跟蹤研究液壓系統(tǒng)磨損狀況。以磨損狀態(tài)和油品老化程度的光譜分析結(jié)果反映液壓油的劣化程度與衰變時(shí)間，分析液壓油的酸值、金屬元素、污染物顆粒、銅片腐蝕、氧化安定性、抗磨性、油泥及腐蝕趨勢(shì)、高壓葉片泵磨損特性等理化性質(zhì)與油品劣化、衰變趨勢(shì)，嘗試建立液壓油的劣化程度和衰變時(shí)間趨勢(shì)模型，為在用液壓油和用油設(shè)備的性能、狀態(tài)做出全面客觀的評(píng)價(jià)，制定風(fēng)電機(jī)組液壓油的監(jiān)督規(guī)程，為按質(zhì)換油提供可靠的理論依據(jù)與參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 基于液壓油理化性質(zhì)劣化程度和衰變時(shí)間的趨勢(shì)模型研究

基于油品理化性質(zhì)隨運(yùn)行時(shí)間的曲線，使用鐵譜分析判斷摩擦與磨損發(fā)生的不同程度，使用紅外光譜確定油品性質(zhì)劣化的不同階段，以鐵譜分析和紅外光譜分析確定液壓油的劣化程度和衰變。參照?qǐng)D1對(duì)鐵譜分析的磨損烈度指數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。根據(jù)鐵譜分析將模擬條件下液壓系統(tǒng)磨損狀態(tài)按時(shí)間分成0～28 d的磨合、28～252 d的穩(wěn)定磨損、252～308 d的急劇磨損等3個(gè)階段（圖2）。

圖1 潤(rùn)滑設(shè)備機(jī)械磨損的3個(gè)階段

圖2 依據(jù)磨損度指數(shù)與磨損狀態(tài)的油液狀態(tài)劃分

在0～14 d時(shí)間段內(nèi)，總磨損量由第1天的3.5迅速上升至第14天的41.5，第28天下降至6.9，磨損烈度指數(shù)變大100多倍；隨著摩擦表面的磨平，建立了彈性接觸的條件，磨損逐漸穩(wěn)定。

在28～252 d，經(jīng)過(guò)良好的磨合設(shè)備達(dá)到“穩(wěn)定”磨損階段，DL與DS隨時(shí)間正比增長(zhǎng)，增長(zhǎng)趨勢(shì)的相關(guān)性較磨合階段明顯降低，此時(shí)設(shè)備中磨損仍然在進(jìn)行，但磨損趨勢(shì)放緩很多。

在252～308 d階段，磨損烈度指數(shù)（DL2+DS2）呈指數(shù)型增長(zhǎng)，此時(shí)液壓系統(tǒng)中開始出現(xiàn)異常磨損，造成液壓系統(tǒng)機(jī)械部件的快速損傷。圖3鐵譜分析的異常磨損顆粒圖像中可觀察到大面積的摩擦磨損微粒和切削磨損微粒及少量的片狀微粒；圖6理化性質(zhì)與時(shí)間趨勢(shì)2中葉片泵損失試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)液壓油的抗磨性能快速降低（葉片泵損失量迅速增加）。從圖4可以看出液壓油從新油開始紅外光譜的變化，液壓油的氧化深度從平均0.017 A/0.1 mm上升到0.106 A/0.1 mm，同時(shí)在252～308 d急劇磨損階段后期添加劑從0變到-0.01 A/0.1 mm，標(biāo)志著液壓油添加劑含量減少、油液氧化速度加快。抗磨劑的減少使液壓系統(tǒng)零部件抗磨性變差，磨損顆粒、老化產(chǎn)物等更加劇了零部件的磨損，使液壓油劣化陷入惡性循環(huán)，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)異常磨損。

基于機(jī)械磨損狀態(tài)的判斷，分析油品理化性質(zhì)與機(jī)械磨損狀態(tài)反映的油品狀態(tài)的關(guān)系（圖5、圖6）。

圖3 鐵譜分析異常磨損顆粒

圖4 模擬系統(tǒng)液壓油氧化深度與時(shí)間曲線

圖5 理化性質(zhì)與時(shí)間趨勢(shì)1

圖6 理化性質(zhì)與時(shí)間趨勢(shì)2

（1）通過(guò)橫向比較0～231 d時(shí)間段內(nèi)各理化性質(zhì)，色度、運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、顆粒度、銅片腐蝕、空氣釋放值、水分離性、極壓性能等指標(biāo)隨時(shí)間呈接近線性增長(zhǎng)；閃點(diǎn)、氧化安定性則呈接近線性降低；清潔度在磨合階段出現(xiàn)1級(jí)變化，分析認(rèn)為是磨合期的磨損顆粒進(jìn)入油中造成的，經(jīng)過(guò)濾油系統(tǒng)后顆粒度下降并呈接近線性增長(zhǎng)，而不溶物含量在該階段不存在。在接近此階段末期時(shí)，各理化性質(zhì)的變化速率較之前有明顯的加快趨勢(shì)，而無(wú)論是液壓油理化性質(zhì)還是鐵譜、光譜等分析結(jié)果，都表征出該階段液壓油處于良好的工作狀態(tài)。

（2）231～266 d時(shí)間段內(nèi)，磨損狀態(tài)從穩(wěn)定磨損階段過(guò)渡到急劇磨損階段。此階段內(nèi)色度、運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)、顆粒度、空氣釋放值、水分離性、氧化安定性、極壓性能保持著良好狀態(tài)末期的增長(zhǎng)速率，該階段整體時(shí)間較短，可觀察出明顯的線性。酸值的變化速率在進(jìn)入該階段后出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，同時(shí)不溶物含量在該階段開始出現(xiàn)。銅片腐蝕指標(biāo)呈直線增加，但考慮其本身分級(jí)指標(biāo)不適合線性計(jì)算，所以不能很好判斷其指標(biāo)的增加與磨損狀態(tài)的相關(guān)性。

（3）266～294 d時(shí)間段內(nèi)劇烈磨損階段，色度、閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、空氣釋放值、水分離性、氧化安定性等變化速率基本不變；銅片腐蝕、不溶物含量、極壓性能的變化速率明顯增大；而顆粒度得等級(jí)超過(guò)了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)最大值，不能表征之后油液中顆粒物的變化狀態(tài)，建議使用ISO 4406標(biāo)準(zhǔn)替代舊的SAEAS4059F等級(jí)（近似于已作廢的NAS 1638等級(jí)）。

（4）294～308 d時(shí)間段內(nèi)色度、運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)、顆粒度、空氣釋放值、水分離性、氧化安定性、極壓性能等理化指標(biāo)變化速率較劣化II階段時(shí)的變化速率明顯變大。

綜上，將油品狀態(tài)劃分成理化性質(zhì)及油樣狀態(tài)時(shí)間圖譜中0～231 d的良好階段、231～266 d的劣化I段、266～294 d的劣化II段、294～308 d的衰變階段。液壓油的劣化程度由于液壓油系統(tǒng)的工作環(huán)境（影響液壓油的溫度）、液壓油的添加劑（抗氧化、抗磨性能）、日平均工作時(shí)間（添加劑的工作消耗）、工作最高壓力（加速氧氣溶解于液壓油中）等不同會(huì)產(chǎn)生不同的劣化曲線。從模擬系統(tǒng)下油質(zhì)處于劣化I階段和劣化II階段時(shí)的理化性質(zhì)變化分析，此階段內(nèi)變化速率發(fā)生明顯改變的理化性質(zhì)有酸值、不溶物含量、葉片泵損失。鑒于葉片泵損失測(cè)試代價(jià)較高，推薦以劣化II階段對(duì)應(yīng)理化指標(biāo)作為油質(zhì)開始劣化的預(yù)期值，即表1模推薦的液壓油理化性質(zhì)運(yùn)行限值，作為運(yùn)行中風(fēng)機(jī)液壓油運(yùn)行限值的參考。同時(shí)將酸值和不溶物含量作為風(fēng)機(jī)液壓油重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，必要時(shí)輔以其他理化性質(zhì)、鐵譜、光譜等手段，綜合評(píng)估風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，以達(dá)到科學(xué)維護(hù)風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)的目的。

表1 模推薦的液壓油理化性質(zhì)運(yùn)行限值

3 結(jié)論

（1）本研究以模擬系統(tǒng)進(jìn)行32號(hào)低溫風(fēng)機(jī)液壓油理化性質(zhì)與劣化和衰變時(shí)間的研究，建立風(fēng)機(jī)液壓油理化性質(zhì)與劣化和衰變時(shí)間趨勢(shì)模型，為同類風(fēng)機(jī)判斷液壓油狀態(tài)、制定換油和維護(hù)周期、計(jì)算液壓油剩余可用周期提供參考。

（2）研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與SH/T 0599中液壓油的換油指標(biāo)比較接近，當(dāng)液壓油的理化性質(zhì)接近或達(dá)到文中相應(yīng)限值時(shí)，液壓油抗老化和抗磨性能幾乎同時(shí)開始出現(xiàn)性能下降。

（3）基于多個(gè)液壓油理化性質(zhì)與劣化程度和衰變模型的研究，給出判斷液壓油劣化和衰變程度的參考值，為更全面地評(píng)估液壓油狀態(tài)提供理論依據(jù)。