石建峰

江陰興澄特種鋼鐵有限公司

某知名特鋼集團(tuán)棒材軋鋼生產(chǎn)線上的18架軋機(jī)減速機(jī)為德國(guó)SKET公司設(shè)計(jì)制造，按生產(chǎn)工藝分為粗軋區(qū)、中軋區(qū)、精軋區(qū)，分別對(duì)應(yīng)三套集中潤(rùn)滑站，通過(guò)壓力油管連接每臺(tái)軋機(jī)減速箱，為齒輪箱內(nèi)軸承、齒輪提供潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，并最終通過(guò)回油管回至油箱。

根據(jù)設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)潤(rùn)滑油中含水量超過(guò)0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下均是）時(shí)，油液乳化，油膜厚度大幅減小，抗磨性能降低，將使軸承、齒輪產(chǎn)生異常磨損，如軸承保持架斷裂，齒輪齒面點(diǎn)蝕并逐步產(chǎn)生疲勞磨損，金屬顆粒含量增加，減速機(jī)失效的概率大增；同時(shí)導(dǎo)致油品氧化變質(zhì)，酸值增加，加速對(duì)金屬（如Fe、Cu等）的腐蝕，并使?jié)櫥蛢?nèi)的添加劑發(fā)生水解反應(yīng)而失效，產(chǎn)生油泥等堵塞濾芯[1，2]。

為減少因軋機(jī)減速機(jī)異常磨損而產(chǎn)生非計(jì)劃性停機(jī)故障，避免因此產(chǎn)生的損失，針對(duì)軋機(jī)減速機(jī)設(shè)備的維修需要更為及時(shí)、有效的維修預(yù)警策略。如果在故障發(fā)生前做出預(yù)測(cè)，就能夠提前制定檢修計(jì)劃，合理安排檢修人員與備品備件，減少因減速機(jī)故障突然停機(jī)造成的損失。本文介紹了某知名特鋼集團(tuán)軋機(jī)齒輪油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)改造情況和預(yù)警案例，為做好軋機(jī)減速機(jī)的潤(rùn)滑管理提供參考。

軋機(jī)的潤(rùn)滑管理

根據(jù)某知名特鋼集團(tuán)設(shè)備潤(rùn)滑管理要求，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的油液，按周期取油樣進(jìn)行離線檢測(cè)。特鋼集團(tuán)下屬軋鋼分廠，采用德國(guó)18架SKET兩輥軋機(jī)及1套西馬克三輥軋機(jī)，生產(chǎn)模式為連續(xù)生產(chǎn)軋制，軋機(jī)減速箱具有重載、中低速、大扭矩、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，滿足大壓下量生產(chǎn)工藝軋制。其中按工藝及設(shè)備功能對(duì)應(yīng)布置4套大型集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。目前對(duì)軋機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的管理，點(diǎn)檢員每日點(diǎn)檢潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力、油位、溫度等參數(shù)；并按計(jì)劃周期，每半年對(duì)軋機(jī)減速箱潤(rùn)滑站潤(rùn)滑油取樣，送檢至專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)潤(rùn)滑油黏度、水分、酸值、銅片腐蝕、磨斑直徑、鐵譜、PQ指數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)化驗(yàn)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果制定檢修項(xiàng)目，如更換濾芯、清洗油箱、換油。離線檢測(cè)實(shí)施10多年以來(lái)，為軋機(jī)減速箱的運(yùn)行提供了重要參數(shù)和保證，未出現(xiàn)任何因異常磨損故障而產(chǎn)生停機(jī)停產(chǎn)。

機(jī)械設(shè)備80%的隱患來(lái)自于潤(rùn)滑，磨損故障是大型設(shè)備失效的主要原因。根據(jù)國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)對(duì)700多個(gè)軸承的失效分析發(fā)現(xiàn)，59% 軸承失效是因潤(rùn)滑不良引起，如圖1所示。

圖1 某鋼鐵企業(yè)軸承失效統(tǒng)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

油液在線監(jiān)測(cè)與離線檢測(cè)對(duì)比

由于油液離線檢測(cè)/監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，致使傳統(tǒng)離線方法檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)反映設(shè)備的潤(rùn)滑運(yùn)行狀況；另外，測(cè)試過(guò)程中污染侵入環(huán)節(jié)較多，對(duì)采集的油樣處理會(huì)造成大量的信息損失和對(duì)實(shí)驗(yàn)操作員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和水平依賴比較大等問(wèn)題，不利于機(jī)械系統(tǒng)故障的早期診斷和預(yù)防，不適合現(xiàn)場(chǎng)使用[3，4]。隨首檢測(cè)技術(shù)數(shù)字化、智能化發(fā)展，油品離線檢測(cè)技術(shù)已遠(yuǎn)不能滿足減速機(jī)潤(rùn)滑狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)的要求。

油液在線監(jiān)測(cè)是指在系統(tǒng)或設(shè)備在不停止工作的情況下，通過(guò)系統(tǒng)或設(shè)備的在線傳感器對(duì)在用油的理化、污染、磨損性能參數(shù)進(jìn)行連續(xù)不間斷的原位監(jiān)測(cè)，根據(jù)所監(jiān)測(cè)的油品參數(shù)常變化來(lái)判定或預(yù)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行工況和狀態(tài)，診斷系統(tǒng)或設(shè)備的異常部件，為開(kāi)展針對(duì)性維護(hù)和修理提供依據(jù)，做到及時(shí)預(yù)警，從而有效及時(shí)避免事故發(fā)生的一門監(jiān)測(cè)技術(shù)[5]。目前油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已逐漸成為減速機(jī)潤(rùn)滑、失效等故障診斷及預(yù)警發(fā)展的主要趨勢(shì)[6]。

油液在線監(jiān)測(cè)與在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)是目前設(shè)備系統(tǒng)減速箱故障監(jiān)測(cè)最常用的手段，通過(guò)在齒輪箱箱體關(guān)鍵位置安裝振動(dòng)監(jiān)測(cè)元件，能對(duì)故障出現(xiàn)軸承、齒輪等零件的異常信號(hào)進(jìn)行診斷，通過(guò)軟件分析能顯示具體零部件故障位置及故障類型[7]。而且軋機(jī)減速機(jī)在軋制期間載荷是隨軋材規(guī)格、溫度、材質(zhì)等不同而變化的，因此在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)不能實(shí)現(xiàn)早期異常磨損預(yù)警功能。

油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)減速機(jī)內(nèi)部早期點(diǎn)蝕、磨損等失效初期狀態(tài)給出及時(shí)準(zhǔn)確的診斷預(yù)警[8]。據(jù) CBM（Condition Based Maintenance）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系數(shù)據(jù)表明，兩者在線監(jiān)測(cè)在設(shè)備診斷預(yù)警中的作用有所不同，如圖2所示（圖中，“X”代表在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出設(shè)備異常磨損的時(shí)間段，通過(guò)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能提前15倍時(shí)間段預(yù)警）。

圖2 在線油液監(jiān)測(cè)與振動(dòng)監(jiān)測(cè)在設(shè)備診斷預(yù)警中的作用對(duì)比

軋機(jī)減速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)改造

系統(tǒng)的建立及監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇

實(shí)驗(yàn)室A長(zhǎng)期開(kāi)展鋼鐵企業(yè)的油品離線檢測(cè)，建立了油液檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，具備對(duì)國(guó)內(nèi)同行業(yè)實(shí)驗(yàn)室油品檢測(cè)的認(rèn)證資質(zhì)，并提供潤(rùn)滑培訓(xùn)、交流、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)，其開(kāi)發(fā)的油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于鋼鐵冶金、風(fēng)力發(fā)電、海上鉆井平臺(tái)、軍工設(shè)備等行業(yè)，取得很好的業(yè)績(jī)。從油液離線檢測(cè)與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性、可追溯性等方面考慮，并與實(shí)驗(yàn)室A技術(shù)人員結(jié)合潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行交流，對(duì)上述某特鋼集團(tuán)下屬一軋鋼分廠內(nèi)的三套軋機(jī)減速機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)改造，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油黏度、水分、鐵磁顆粒及非鐵磁顆粒的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

◇黏度。黏度是潤(rùn)滑油最重要的一項(xiàng)理化指標(biāo)，是設(shè)備廠商選擇潤(rùn)滑油牌號(hào)的主要依據(jù)。通常所說(shuō)的潤(rùn)滑油牌號(hào)為在實(shí)驗(yàn)室按油溫40 ℃時(shí)測(cè)得的黏度值。由于在線監(jiān)測(cè)時(shí)油液溫度具有波動(dòng)性，黏度傳感器監(jiān)測(cè)出的潤(rùn)滑油實(shí)時(shí)黏度值，并根據(jù)黏溫特性轉(zhuǎn)化為40 ℃黏度值，并與理論值進(jìn)行對(duì)比，由此判斷潤(rùn)滑油的劣化趨勢(shì)。

◇水分。水分在潤(rùn)滑油中主要危害包括：破壞油膜的形成，與潤(rùn)滑油中的抗磨添加劑反應(yīng)而分解，產(chǎn)生油泥，抗磨性能下降導(dǎo)致齒輪、軸承等異常磨損，在傳動(dòng)部位因摩擦高溫導(dǎo)致潤(rùn)滑油酸值增加氧化，加速油品劣化。通過(guò)在潤(rùn)滑系統(tǒng)回油管底部安裝水分傳感器，投用前與在用油離線檢測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)出的微量水分進(jìn)行預(yù)警。

◇鐵磁顆粒。該指標(biāo)主要監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中不同直徑的鐵元素磨粒數(shù)量及趨勢(shì)，反映齒輪、軸承滾珠等摩擦副表層疲勞剝落、滑動(dòng)磨損、剪切磨損等故障信息。

◇非鐵磁顆粒。該指標(biāo)主要監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中不同直徑的非鐵元素磨粒數(shù)量及趨勢(shì)，如銅、鉻、錫及非金屬等物質(zhì)，反映軸承保持架、軸瓦等摩擦副磨損、擦傷等信息，并與離線檢測(cè)相結(jié)合判斷實(shí)際故障信息。

系統(tǒng)原理

初軋區(qū)潤(rùn)滑系統(tǒng)油液在線監(jiān)測(cè)原理如圖3所示。

圖3 初軋潤(rùn)滑系統(tǒng)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

系統(tǒng)組成及功能

油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括下位機(jī)、上位機(jī)、壓力檢測(cè)、局域網(wǎng)等組成。下位機(jī)由油路循環(huán)系統(tǒng)、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、進(jìn)出取樣管路、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、就地顯示系統(tǒng)組成。下位機(jī)安裝于潤(rùn)滑系統(tǒng)主回油管路上（如圖4所示），完成油液在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集；下位機(jī)油路循環(huán)系統(tǒng)與潤(rùn)滑站系統(tǒng)連鎖，當(dāng)主泵啟動(dòng)且主管壓力檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)到設(shè)定壓力后，發(fā)送連鎖信號(hào)至下位機(jī)，下位機(jī)才能啟動(dòng)，進(jìn)行取樣，監(jiān)測(cè)分析油樣。

圖4 下位機(jī)安裝位置示意

下位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如40 ℃黏度、實(shí)時(shí)黏度、油溫、水分、鐵磁顆 粒（40～70 μm、70～100 μm、100～150 μm、＞150 μm）、非鐵磁顆 粒（40～70 μm、70～100 μm、100～200 μm、200～300 μm、300～400 μm、＞400 μm）等，實(shí)時(shí)顯示在下位機(jī)屏幕上，如圖5、圖6所示。

圖5 下位機(jī)數(shù)據(jù)一（黏度監(jiān)測(cè)）

圖6 下位機(jī)數(shù)據(jù)二（鐵磁監(jiān)測(cè)）

每臺(tái)下位機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線上傳至上位機(jī)儲(chǔ)存，可由多個(gè)用戶在內(nèi)網(wǎng)上查看油液監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)。

上位機(jī)由服務(wù)器、顯示器、專家診斷系統(tǒng)組成，服務(wù)器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，通過(guò)客戶端，直觀地展現(xiàn)出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，另一端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給實(shí)驗(yàn)室A內(nèi)的診斷中心，由專家進(jìn)行更詳細(xì)專業(yè)的分析。油液在線監(jiān)測(cè)人機(jī)界面如圖7所示。

圖7 油液在線監(jiān)測(cè)人機(jī)界面

通過(guò)人機(jī)界面可以直觀查詢?nèi)?0 ℃黏度、實(shí)時(shí)黏度、油溫、水分、鐵磁顆粒、非鐵磁顆粒等數(shù)據(jù)的歷史曲線，如界面所示一個(gè)月內(nèi)對(duì)中軋1300潤(rùn)滑站鐵磁顆粒查詢，在2020年10月24日曾監(jiān)測(cè)到100～150 μm鐵磁顆粒數(shù)為1個(gè)，且未達(dá)到系統(tǒng)報(bào)警值；而后期各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示正常，可視為系統(tǒng)正常磨損。

實(shí)施及應(yīng)用

2019年8月15日，精軋1100潤(rùn)滑站油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水分含量超高報(bào)警，顯示含水量超過(guò)預(yù)警設(shè)定值3%（日常顯示值為0.03%）。同時(shí)點(diǎn)檢員巡查精軋1100潤(rùn)滑站，發(fā)現(xiàn)油箱液位異常，較上幾次巡查液位有小幅上升。遂對(duì)1100潤(rùn)滑站進(jìn)行油品取樣，發(fā)現(xiàn)油樣乳化發(fā)白，靜止沉淀24 h后，有油水分層現(xiàn)象。綜上表明，1100潤(rùn)滑站油箱已進(jìn)水，潤(rùn)滑油存在乳化現(xiàn)象。

與此同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，確認(rèn)為精軋區(qū)軋機(jī)回油管銹蝕，軋機(jī)軋輥冷卻水通過(guò)銹蝕的潤(rùn)滑油管道進(jìn)入油箱，造成水分含量監(jiān)測(cè)超標(biāo)報(bào)警。

為減少因水分對(duì)齒輪油乳化造成齒輪、軸承的異常磨損，保證軋機(jī)減速機(jī)與生產(chǎn)的正常運(yùn)行，分廠第一時(shí)間啟用真空加熱凈油機(jī)脫水，排放油箱底部油水混合物，并在油箱內(nèi)補(bǔ)加220號(hào)齒輪油新油，提高抗磨性。

因油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水分預(yù)警信息及時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)排查處置迅速，及時(shí)投用真空凈油機(jī)，利用水和潤(rùn)滑油的沸點(diǎn)不同，并在一定真空度下，水的沸點(diǎn)下降很多，潤(rùn)滑油中的水分快速破除乳化狀態(tài)而蒸發(fā)汽化，被真空泵抽出至大氣中，而潤(rùn)滑油因自重沉入真空罐底，隨管路排入油箱。真空凈油機(jī)脫水效率相對(duì)離心式凈油機(jī)效率低，但可以深度脫水，適用于油液含水量要求嚴(yán)格的系統(tǒng)。脫水兩周后，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示水分為0.03%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），恢復(fù)至正常狀態(tài)。在線監(jiān)測(cè)水分預(yù)警異常趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 在線監(jiān)測(cè)水分預(yù)警異常趨勢(shì)示意

為檢測(cè)潤(rùn)滑油內(nèi)含水量，按脫水進(jìn)程分別取樣送檢化驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1100潤(rùn)滑站進(jìn)水、脫水前后油樣離線檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總

由表1可見(jiàn)：

◇進(jìn)水后（8月18日）取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)與5月30日化驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，潤(rùn)滑油外觀、水分、鐵元素含量、銅元素含量、油泥等指標(biāo)上升，而代表異常磨損的磨粒分析如黏首擦傷、PQ指數(shù)等未有明顯上升趨勢(shì)；

◇脫水兩周后（8月28日）及正常運(yùn)行一個(gè)月后（10月10日）取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，潤(rùn)滑油外觀、抗磨性、水分、鐵元素含量、油泥等指標(biāo)基本恢復(fù)至正常水平，黏首擦傷、PQ指數(shù)指標(biāo)未上升，表明潤(rùn)滑油內(nèi)基本無(wú)代表異常磨損的鐵磁顆粒；

◇脫水后化驗(yàn)數(shù)據(jù)中，銅元素含量數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定且未下降，主要與潤(rùn)滑系統(tǒng)過(guò)濾器有關(guān)。由于回油過(guò)濾器為一種帶磁鐵的過(guò)濾網(wǎng)，只能過(guò)濾含鐵的顆粒物，對(duì)于銅、鉛、鋁等細(xì)小顆粒物無(wú)法吸附過(guò)濾，只能通過(guò)離線取樣進(jìn)行光譜分析。因此在油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，非鐵磁顆粒監(jiān)測(cè)顆粒物大小、數(shù)量也是作為一項(xiàng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如發(fā)現(xiàn)非鐵磁顆粒異常，也需及時(shí)離線取樣分析。

潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)水后，造成潤(rùn)滑油內(nèi)鈣、鎂離子增加，油泥含量增加，積聚在過(guò)濾器濾芯上。進(jìn)水故障后（8月、9月、10月）分別更換了三批次濾芯，經(jīng)過(guò)脫水、循環(huán)、更換濾芯后油泥含量降低，濾芯表面附首塊狀油泥明顯減少（圖9）。

圖9 濾芯附首油泥對(duì)比

通過(guò)本次油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的故障診斷報(bào)警，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)判斷及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故前兆，并進(jìn)行真空過(guò)濾脫水，保證潤(rùn)滑油黏度、抗磨性、水分等基本數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)，后續(xù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示正常，鐵磁顆粒、非鐵磁顆粒等未明顯增加，避免因潤(rùn)滑造成異常設(shè)備故障損失折合人民幣150余萬(wàn)元。

在本案例中，對(duì)于脫水后正常使用的潤(rùn)滑油來(lái)說(shuō)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注黏度、抗磨性、水分、鐵譜分析等數(shù)據(jù)。因此，縮短離線檢測(cè)周期，對(duì)比在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是保證減速機(jī)正常運(yùn)行的重要點(diǎn)檢措施。

結(jié)束語(yǔ)

油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是設(shè)備管理、運(yùn)行及維護(hù)方面智能化發(fā)展的一個(gè)方向和趨勢(shì)，能實(shí)時(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，做到提前故障診斷及預(yù)警。在設(shè)備管理上，油液在線監(jiān)測(cè)仍需與油品離線檢測(cè)緊密配合，互為補(bǔ)充，并與設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)、軸承溫度在線監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)相結(jié)合，從而快速定位現(xiàn)場(chǎng)減速機(jī)故障位置，準(zhǔn)確判斷運(yùn)行狀態(tài)和故障。