AGC液壓系統的故障診斷

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的綜合應用,快速而準確地診斷出AGC液壓系統存在的故障,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,及時地為生產廠找到故障原因并迅速排除故障。

關鍵詞:液壓系統;故障診斷;油液監測

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伺服液壓系統是熱軋專門用來提供動力軋制力最關鍵的生產設備,是精軋軋輥壓下動力的主要控制來源,其運行狀態的好壞將直接影響到軋輥的工作狀態,進而影響到熱軋產品的質量。某熱軋廠AGC液壓系統自更換了某國產HM46抗磨液壓油后,過濾器經常出現異常報警,主要表現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現大量的粘稠狀污染物。每次出現報警后,都必須為更換濾芯耗費寶貴的生產時間和更換成套的過濾器,嚴重影響了軋機生產線的正常運行。

1 試驗部分

1.1 設備參數

該液壓系統采用的是國產HM46抗磨液壓油,油箱容量為6000 L。系統中工作壓力均為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孔徑的紙質濾芯。

1.2 分析儀器

液壓油性能分析設備包括酸值測定儀、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:在設備運行狀態下,選擇該液壓系統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(見圖1和圖2),然后對其進行分析。

2 結果與討論

2.1 油料光譜分析

將從過濾器濾芯上采集的油泥狀物質按一定比例分散到基礎油中,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中鋼質零部件的磨損,分析結果見表1。

由表1可知,油泥中鐵元素含量很低,表明系統中鋼質零部件的磨損狀態基本正常。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,分析結果見表2。

X射線熒光分析表明,油泥中的固體物質主要含有鋅、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物。

2.3 紅外光譜分析

液壓油中產生油泥的來源除了添加劑降解產物外,還有可能來自基礎油氧化變質后形成的膠狀不溶物[2]。前者主要為無機鹽類化合物,分子結構中沒有烷基或者只有少量的短鏈烷基出現,兩種產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,其分子結構中存在長的烷基鏈,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,表明該固體物質的組分中有機基團的比例很低,因此它不可能是基礎油氧化變質后的產物,而應該屬于添加劑降解后生成的無機鹽類化合物。事實上,此假設還可以通過灼燒法來驗證。

2.4 灼燒法分析

當固體物質主要為有機化合物時,其在灼燒過程中將生成揮發性的CO2和H2O,殘留物很少。當固體物質為無機鹽類化合物時,其在高溫環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,因而其質量損失少。

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

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生的,那么,經過一段時間的運行后,系統中液壓油的添加劑元素濃度應該有所變化。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生了降解并生成了不溶性物質。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據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的污染度等級超標(按診斷相關標準,該伺服系統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。

2.5.3 旋轉氧彈分析

為進一步了解新液壓油和在用液壓油的使用情況,利用旋轉氧彈法對它們的氧化安定性進行了分析,其分析結果見表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,測試結果見表6。分析發現其磨斑直徑為0.57 mm,超出了診斷相關標準中規定的不大于0.55 mm的指標,與油商提供的參考數據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中能夠正常使用,而在AGC液壓系統則出現了如此嚴重的添加劑降解問題呢?

我們知道,隨著液壓技術的發展,液壓系統的壓力升高,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展,使得液壓油在液壓系統中的循環次數增加,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定性要求更高。還有就是隨著液壓控制系統變得更靈活更復雜,系統中伺服閥和比例閥部件的靈敏度高,結構復雜,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,那就是它的熱穩定性能比較差,這一點在高壓液壓系統中相當突出。

前面的分析業已表明, AGC液壓系統的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,系統的局部工作溫度升高,會導致ZDDP發生分解生成不溶物質,這種物質在形成初期,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,因此同為極性物質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中存在大量鋅、鈣元素的原因。

AGC伺服液壓系統在熱軋廠的液壓設備中是工作壓力最高的,達33 MPa,而其他系統的工作壓力均在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,促使潤滑劑的熱分解,因此在高壓液壓系統中更容易形成油泥狀物質。該牌號液壓油在其他壓力較低的液壓系統中能夠正常使用,而在AGC液壓系統則出現了嚴重的添加劑降解析出現象的原因就在這里。此外,該生產線目前的實際生產能力已經遠超出了原設備的設計能力,從而導致了該系統的生產負荷大大增加,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還會導致以下問題出現[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,會使得系統的熱交換效果下降,從而降低液壓系統的冷卻效果,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測,以避免以上不良后果的出現。

3 結論與建議

綜上所述,造成該AGC液壓系統中的油泥狀物質主要是由于油中抗磨添加劑和防銹添加劑的降解所產生的,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必要時進行技術改造,增大油箱容量;④考慮該系統目前使用的HM46新液壓油在使用過程中出現了較嚴重的添加劑降解現象,建議生產廠停止使用該批次的抗磨液壓油,應及時更換其他牌號或改用無灰抗磨液壓油。

4 結束語

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的綜合應用,快速而準確地診斷出了在線設備液壓油的添加劑消耗情況及不明析出物的來源,及時地為生產廠找到故障原因并迅速排除故障,受到了現場技術人員的好評。

參考文獻:

[1] 黃文軒. 潤滑劑添加劑應用指南[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[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[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年畢業于東北大學機電一體化專業,第二專業為環境與化學分析,現從事設備監測診斷及機械設備用油脂分析等工作,編制了“寶鋼機械設備企業用油標準和在線設備用油管理標準”,已公開發表論文數篇。