12V135柴油機油液原子光譜分析診斷研究

黃云水,徐建明,黃 雄

(1.91370部隊,福建福州 350015;2.92403部隊裝備部,福建福州 350007)

基于油液光譜分析的柴油機磨損故障診斷是隨著摩擦學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的。它可以分析柴油機在用油磨損金屬顆粒的成分、濃度,獲得其磨損部位和磨損程度的信息,評價、預(yù)測柴油機的磨損狀態(tài),確定柴油機磨損故障原因、類型及部位。

1 油液原子光譜分析法

原子光譜分析技術(shù)是利用油樣中所含金屬元素原子發(fā)射或吸收不同特征波長的譜線來進行金屬元素的定性和定量分析技術(shù),它可以有效地監(jiān)測機械設(shè)備潤滑系統(tǒng)中潤滑油所含磨損顆粒的成分及其含量的變化。

油液中的金屬來自 3方面:一是油品添加劑中帶來的金屬元素,如 Ca、Ba、P、Zn、Mg,這類元素來源于油中抗氧化劑、分散劑、抗磨劑等;二是外界污染物攜入的,如 V、Na、Si等;三是摩擦副表面磨損產(chǎn)生的,如 Fe、Pb、Cr、Cu、A1等元素。

由此可見,柴油機各摩擦副金屬材料并不相同,柴油機磨損金屬元素與油中添加劑的金屬元素也不相同,即油液金屬元素與柴油機摩擦副磨損存在著對應(yīng)關(guān)系,因此通過柴油機在用油原子光譜分析,可以對柴油機摩擦副磨損部位進行定位分析。

原子發(fā)射光譜可以檢測 10μm以下小顆粒 (5 μm以下幾乎是 100%覆蓋),柴油機發(fā)生異常磨損時,大顆粒數(shù)量比小微粒增長更快,濾清器的過濾作用使得 10～20μm以上的大磨粒被濾除。而小磨粒不受過濾影響,10μm以下的小顆粒數(shù)量會隨著磨損惡化程度而相應(yīng)的增加 (如圖 1所示),因此原子發(fā)射光譜可用于柴油機磨損定量分析[1]。

圖1 磨損狀態(tài)和磨粒粒徑分布關(guān)系圖

2 三線值法

界限值方法是油液監(jiān)測領(lǐng)域最基本、也是最實用的方法。它是對監(jiān)測數(shù)據(jù)絕對值 (或梯度)進行計算的一種統(tǒng)計分析方法。研究發(fā)現(xiàn),機械磨損過程中磨粒的濃度分布基本符合高斯正態(tài)分布,在這個假設(shè)下,產(chǎn)生了三線值法。三線值法是對監(jiān)測數(shù)據(jù)絕對值計算的方法,以時間為主線,來描述設(shè)備系統(tǒng)的整體變化趨勢。它是一種縱向分析方法,目的是建立包括計算參數(shù)時間曲線、基線、警告線和危險線在內(nèi)的磨損趨勢圖,以直觀地反映設(shè)備的磨損狀態(tài)。在計算時采用如下公式[2]:

正常界限值:

警告界限值:

危險界限值:

三線值法將柴油機磨損狀態(tài)劃分為正常、預(yù)警、警報 3種,相對應(yīng)的狀態(tài)間的臨界點的判斷和識別,成為準(zhǔn)確評價設(shè)備運行狀態(tài)的關(guān)鍵。

3 柴油機磨損金屬元素濃度界限值計算

原子光譜分析技術(shù)能夠快速有效檢測出油樣中所含 20多種金屬元素及其濃度值,對于不同的研究對象,可以從眾多元素參量中選擇具有代表性的元素參量進行分析。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),12V 135柴油機在用油中 Sn、Ni、Ag含量很低而變化不明顯,即表明了 12V135柴油機主要摩擦副與這 3種元素相關(guān)性非常弱。對于 12V135柴油機而言,其主要摩擦副的磨損元素為:Fe、Cr、Pb、Cu、Al元素,因此選定該 5種元素作為研究 12V135柴油機磨損狀態(tài)的參數(shù)。

根據(jù)某臺12V135柴油機30個油樣原子光譜分析數(shù)據(jù)計算界限值,其計算結(jié)果如表 1所示。

表1 12V 135柴油機油液光譜分析界限值計算結(jié)果

4 柴油機磨損元素濃度界限值修正

對于同一型號的 12V135柴油機,由于其運行、使用、維修等各不相同,其磨損元素的濃度變化規(guī)律也不盡相同,但在數(shù)據(jù)量較大時,該差異逐漸縮小甚至可忽略。因此制定的界限值可以適用于同一型號的柴油機。同時界限值不是固定不變的,需要在數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上不斷地修正,以真實反映設(shè)備的運行狀態(tài)[3]。

基于歷史數(shù)據(jù)分析、故障統(tǒng)計和維修實踐驗證,對界限值進行了修正,優(yōu)化了 12V135柴油機油液光譜分析磨損金屬元素濃度的界限值,如鐵元素正常值為小于 130×10-6(百萬分之一),預(yù)警值 (130～200) ×10-6,警報值為大于 200×10-6。修正后的界限值見表 2。

表2 修正后的界限值

5 Fe、Cr、Pb、Cu、Al 5種元素相關(guān)性分析

經(jīng)過對 126個樣本數(shù)據(jù)進行的相關(guān)性分析計算,5種元素的相關(guān)系數(shù)如表 3所示。

表3 5種元素相關(guān)性分析

5.1 鋁元素與鐵、鉻元素的相關(guān)性

由表 3可知,鋁元素和鐵元素的相關(guān)系數(shù)為0.75,說明兩者之間的相關(guān)性很強,鋁元素含量隨著鐵元素含量的增長而增長,其變化的趨勢見圖2,這說明 12V135型柴油機鋁合金活塞磨損隨著缸套磨損間隙的增大而加劇。

由表 3可知,鋁元素和鉻元素的相關(guān)系數(shù)為0.75,說明兩者之間的相關(guān)性很強,鋁元素含量隨著鉻元素含量的增長而同步增長,其變化的趨勢見圖 3,這表明 12V135型柴油機活塞環(huán)磨損隨著活塞磨損而加劇。

鋁元素含量和鐵、鉻元素含量的相關(guān)性分析表明了,12V135型柴油機活塞隨著缸套 -活塞環(huán)的磨損而急劇磨損。

圖2 鋁元素含量隨鐵元素變化的趨勢圖

圖3 鉻元素含量隨鋁元素變化的趨勢圖

5.2 鉻元素與鐵元素的相關(guān)性

由表 3可知,鉻元素與鐵元素的相關(guān)系數(shù)僅為0.61,其相關(guān)性比鋁鐵元素之間的相關(guān)性要弱。但從鉻元素含量隨鐵元素含量變化的趨勢圖 (如圖4)看,鉻元素含量與鐵元素同步增長的趨勢還是比較明顯的。這表明鉻、鐵元素的相關(guān)性也很強,但它不同于鋁、鐵的相關(guān)性。

從鉻元素含量隨鐵元素含量變化的趨勢圖(見圖 4)中分析發(fā)現(xiàn),鉻元素含量達到一定水平時 (約 40×10-6),不再明顯增長,鐵元素含量因缸套、活塞環(huán)的磨損而繼續(xù)增長。這表明:缸套嚴重磨損后,由于缸套與活塞環(huán)的間隙變大導(dǎo)致潤滑惡化,使得活塞環(huán)開始劇烈磨損,由于活塞環(huán)表面鍍鉻層較薄,鍍鉻層磨損殆盡后其元素含量不再增加,而活塞環(huán)和缸套磨損進一步加劇。當(dāng)鉻元素含量低于 20×10-6時,而鐵元素含量接近或超過 200×10-6,預(yù)示著柴油機缸套磨損不是鐵元素含量增長的主導(dǎo)因素,可能是主軸承等其他摩擦副嚴重磨損所致;當(dāng)鉻元素含量高于 20×10-6,且鐵元素含量接近或超過 200×10-6時,預(yù)示著柴油機的缸套和活塞環(huán)已經(jīng)嚴重磨損。鉻元素濃度超標(biāo)必然伴隨著鐵元素濃度超標(biāo),因此,鉻元素濃度是反映缸套 -活塞環(huán)磨損的特征指標(biāo)。

圖4 鉻元素含量隨鐵元素變化的趨勢圖

5.3 銅元素與鐵元素的相關(guān)性

由表 3可知,銅元素與鐵元素的相關(guān)系數(shù)為0.72。從圖 5可以看出,兩者同步增長的趨勢并不明顯。這表明,多數(shù)情況下鐵元素含量主要由缸套摩損所產(chǎn)生。銅元素主要來自主軸承的磨損,正常情況下銅元素含量較低且增長比較緩慢,當(dāng)主軸承摩擦副嚴重磨損時,將產(chǎn)生大量的銅、鐵元素磨粒。因此,從鐵元素含量隨銅元素含量變化的趨勢圖 (圖 5)可以得到如下結(jié)論:一是鐵元素含量的劇增并不一定伴隨著銅元素含量的增長;二是銅元素含量的劇增必然伴隨著鐵元素含量的劇增。

圖5 鐵元素含量隨銅元素變化的趨勢圖

5.4 銅元素與鉛元素的相關(guān)性

銅元素與鉛元素的相關(guān)系數(shù)為 0.47,兩者的相關(guān)性較弱,說明它們分別是兩種不同摩擦副表面的主要成分,即 12V135型柴油機的主軸承與連桿軸瓦分別是銅、鉛元素的主要來源,兩者之間沒有必然的聯(lián)系。

從 12V135柴油機 5種磨損元素相關(guān)性分析可以總結(jié)出以下基本規(guī)律。

1)鋁 -鐵、鋁 -鉻、鉻 -鐵元素存在著強的相關(guān)性,銅 -鐵、銅 -鉛元素之間的相關(guān)性較弱,具體關(guān)系與磨損機理如表 4所示。

表4 12V 135柴油機 5種磨損元素相關(guān)性

2)5種金屬元素濃度可用于判斷 12V135柴油機磨損部位,具體對應(yīng)關(guān)系如表 5所示。

表5 5種金屬元素濃度與 12V 135柴油機磨損部位的對應(yīng)關(guān)系

6 結(jié)論

原子發(fā)射光譜分析是監(jiān)測柴油機磨損狀態(tài)的重要手段,界限值是柴油機磨損狀態(tài)評價的主要方法,通過界限值計算與優(yōu)化、數(shù)理統(tǒng)計、相關(guān)性分析,可以對柴油機磨損部位和磨損程度進行準(zhǔn)確地識別、預(yù)報、判斷,為艦艇裝備的管理、使用和維修提供科學(xué)依據(jù)。