液壓油中污染物監測分析對比

劉敬軍，張佃惠

(1.92132部隊，山東 青島 266405;2.91663部隊，山東 青島 266011)

大量資料表明，磨損是影響液壓設備工作可靠性和使用壽命的主要原因，且以磨料磨損造成的損失最為嚴重，而磨損類故障的主要故障源是液壓油污染。據統計，液壓元件失效的70%～85%歸因于液壓油液污染［1］。液壓油的污染主要包括顆粒、水分、空氣、熱和微生物污染等，其中對油液使用性能影響最大的就是顆粒和水分污染，其次為空氣、熱污染。通常意義上所說的污染就是指液壓油中金屬顆粒與水分污染。液壓油及其中的污染物蘊含著大量的表征液壓設備內部磨損狀態的信息。運用先進的監測診斷技術，對在用液壓油的污染情況實施有效的監測和控制，可以及時掌握液壓系統的技術狀態，判斷過度磨損是否有可能發生，采取措施消除各種故障源，將對液壓系統的科學使用管理和合理維護保障有著十分重要的意義。

目前用于液壓油中污染物監測分析的主要技術手段有光譜分析、鐵譜分析、污染度分析、理化指標分析和紅外光譜分析等。由于各種監測儀器的原理、結構不同，其適用范圍也各不相同，因此選擇合適的油液監測儀器，才能可靠的表征機械設備實際狀態的信息參數。分析處理時要把各種分析手段(參數)綜合在一起，互相補充印證，對監測參數進行綜合分析、判斷，使設備監測診斷做到更科學、更準確、更有效［2］。下面針對某船液壓設備——絞纜機進行跟蹤監測，應用原子發射光譜技術、自動磨粒形狀分類技術和污染度監測技術對其液壓油樣進行分析，應用鐵譜技術對個別關鍵油樣進行分析，通過比較得出各分析技術的相關性。

1 油液監測技術

1.1 油料光譜技術

基于磨粒分析的設備狀態監測主要對潤滑油液(作為診斷介質)攜帶的磨粒進行定性定量分析，提供關于設備部件當前狀態的重要信息。油料光譜技術主要對油液中鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫、銀、硅、硼、鈉、鎂、鈣、鋇、磷、鋅等多種元素進行測試，可快速準確地提供油液中機械設備磨粒和污染方面的信息，但僅能測試小于10μm以下的磨粒元素濃度。不同機械設備的摩擦副材質、所使用的油液種類和可能發生的污染是不同的，對特定設備進行油液監測時所選定的所有監測元素稱為特征元素。特征元素的確定主要是根據設備可能發生磨損的主要摩擦副材質、油液添加劑的種類和污染物的種類而定。一般地，鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫元素的含量反映設備摩擦副磨損情況，硅、鈉元素反映油液污染程度，鎂、鈣、鋇、磷、鋅元素的含量反映添加劑的耗損情況。比如對于常用海水冷卻的船舶液壓設備而言，銅、鐵、硅、鈉是必須要監測的元素，前兩種是主要的磨損元素，而后兩種元素則是主要污染物的表征。經驗表明，對于某一類系統而言，某些金屬或非金屬的含量的增加一定意味著設備的某個或某些部件發生了異常磨損。根據磨粒監測技術的監測結果可以繪制磨粒元素的濃度變化趨勢圖，據此并結合油液分析的其它結果，可以確定設備的磨損速率，判斷設備是否處于正常磨損狀態以及磨損故障的逼近程度。結合機械系統中材質構成，便能判明異常磨損發生在哪種部件或組件上，從而檢測出潛在的機械故障。

1.2 磨粒形狀分類技術

磨粒監測主要檢測液壓油中含有的從磨損表面產生的金屬或非金屬性微粒以及外來污染物顆粒，它是基于油液分析的液壓設備狀態監控的重要手段，其有效性表現為通過磨粒屬性和數量的監測結果及其趨勢分析，能夠確定系統的狀態:接近失效、已經失效以及失效形式。磨?？偭坑糜谂袛嗄p處于什么階段;磨粒尺寸分布用于判斷磨損的嚴重程度;磨粒形態用于判斷磨損類型，分析磨損機理;磨粒化學成分用于確定磨損部件和磨粒元素的來源。磨粒形狀分類技術可以迅速對油液中磨粒的形狀并按磨損形式對其分類、數量、各尺寸磨粒分布及污染度等進行分析，但不能對材質進行辨別。

1.3 鐵譜技術

分析式鐵譜儀主要對油液中較大的鐵磁性磨粒和部分具有明顯顏色特征的金屬磨粒 (如銅等)的形貌、顏色和輪廓尺寸進行識別，但精度較低、重復性差，只能定性分析，主要依賴于分析人員經驗，在油液監測故障診斷中有重要的旁證價值。直讀式鐵譜儀可按磨粒尺寸大小定量測試大小磨粒的顆粒數。但兩種儀器對非鐵磁性磨粒的識別效用不大。近年來有人提出用具有選擇性的磁流體對油液中不同的非鐵磁性金屬磨粒進行磁化，將非鐵磁性磨粒保留在譜片上進行研究取得了一定的成果。

1.4 污染度分析技術

油液的污染度是指單位容積油液中固體顆粒污染物的含量，即油液中所含固體顆粒污染物的濃度。油液污染度標準從最早使用的質量污染度和體積μL/L、質量μg/g等，逐漸改進為可反映顆粒尺寸及分布的顆粒污染度表示方法。油液的污染度分析是通過對系統中循環流動的液壓油的污染狀況進行監測，檢測和分析油液中固體顆粒污染物的濃度、尺寸大小、尺寸分布以及質量等的變化，研究固體顆粒污染物的特性與機械零部件磨損之間的關系，為計算顆粒粒度分布函數的數學參量提供準確的基本數據，并從顆粒數量的統計角度判斷機械的工作狀態和磨損情況，為機械設備的故障診斷和維修決策提供依據。液壓系統的狀態監測目標，主要是對其污染度進行控制。通常液壓油的污染度等級沒有超過標準，液壓系統的運行一般處于正常。

NAS1638污染度等級標準是用100mL油樣中的顆粒尺寸范圍5～15μm、15～25μm、25～50μm、50～100μm 和 ＞100μm 的顆粒數，表示油液污染度。原定污染度等級為12級，為了擴大應用范圍，現已將污染度等級擴展到21個等級。

ISO4406污染度等級標準是用1 mL油樣中的顆粒尺寸大于5μm和15μm的顆粒數，用“/”符號隔開，表示油液污染度，分為30等級。

2 試驗

2.1 監測儀器

監測儀器包括:超譜M油料光譜分析儀，LNF－C磨粒分析儀，dcA污染度監測儀;FTP－X2型分析式鐵譜儀，OLYMPUS鐵譜顯微鏡。

2.2 監測方法

對所有的液壓油樣進行光譜分析、dcA污染度測試分析和LNF－C磨粒分析，對個別關鍵油樣進行鐵譜分析。樣品5為第一次換油后的油樣，樣品8為修理并換油后的油樣。

LNF－C磨粒分析儀測試方法如下:將油樣加熱0.5 h，搖勻5min，消泡1min，進行測試。

2.3 結果

2.3.1 污染度對比

對所有油樣進行污染度分析，結果如表1。從表1中可以看出，dcA測試儀與LNF－C磨粒分析儀兩臺儀器因其測試的原理不同，對同一油樣得出的顆粒總數數值不相同，但得出的NAS1638和ISO4406污染等級相近。

表1 dcA測試和LNF－C磨粒測試污染度的比較

2.3.2 相關性

表2中第一次換油前光譜數據表明:銅元素含量有異常增加，達到了48.1μg/g;LNF－C磨粒測試數據和圖1磨粒圖片表明，磨粒以疲勞磨損為主，從而初步判斷出絞纜機的銅質摩擦副疲勞磨損較重。為了進一步證實這一點，進行鐵譜分析如圖2所示發現，在鐵譜片55mm區存在大量的塊狀銅磨粒。建議換油后繼續取樣監測。

表2 光譜數據和LNF－C磨粒測試數據對比

第一次換油后的絞纜機液壓油中銅元素含量回落，但第二次取樣，銅元素含量就猛升到79.2μg/g，鐵含量達到了175μg/g，表明異常磨損仍然存在，而且鈉元素含量達到了854μg/g，懷疑液壓油進海水。由于油液乳化嚴重，LNF－C磨粒分析儀對乳化的油樣沒有效用。此時，應用鐵譜分析分析磨粒如圖3所示。

圖1 LNF－C磨粒分析的切削磨粒、疲勞磨粒和非金屬顆粒

圖2 4#樣品的鐵譜圖片

圖3 6#樣品的鐵譜圖片

從圖3可以看出，在大顆粒區存在大量污染物，在30mm區存在大量的紅色氧化物，50mm區存在較大的切削銅磨粒和塊狀銅磨粒，建議立即拆檢修理。經拆檢查實，油箱冷卻器盤管故障導致液壓油進海水，引起了液壓設備的異常磨損。經修理并更換液壓油后，銅、鐵元素含量回落，數值基本穩定。

3 結論

油料光譜分析、鐵譜分析、污染度分析和LNF－C磨粒形狀分類分析等油液監測技術對在用液壓油中磨粒監測具有較好的相關性。一般情況下，光譜分析、污染度分析和LNF－C自動磨粒形狀分類分析可對液壓油中磨粒作出較為準確的判斷，鐵譜分析可作為旁證。但當油樣嚴重乳化，在進行LNF－C磨粒分析前必須進行適當地處理 (如用同一牌號的新油進行稀釋或用無水溶劑稀釋)，或者進行鐵譜分析。

［1］毛美娟，朱子新，王峰.機械裝備油液監控技術與應用 ［M］.北京:國防工業出版社，2006:68.

［2］萬耀青，鄭長松，馬彪.油液分析故障診斷中的信息融合問題 ［J］.機械設計，2004，21(9):1－4.