潤滑油分析界限值在設備故障診斷中的應用與研究

許斌，陳志新，孫貴芳

（1.中國人民解放軍海軍91315部隊，遼寧大連 116041;2.中國人民解放軍海軍92337部隊，遼寧大連 116023）

潤滑油分析界限值在設備故障診斷中的應用與研究

許斌1，陳志新2，孫貴芳1

（1.中國人民解放軍海軍91315部隊，遼寧大連 116041;2.中國人民解放軍海軍92337部隊，遼寧大連 116023）

油液分析技術在機械設備安全運行中起到越來越重要的作用，正確掌握油液分析信息的評判方法，是做好機械設備狀態監測與故障診斷的關鍵。文章研究了油液分析技術中定量信息和定性信息的界限值制定問題，討論了定量界限值邊界模糊性對策和動態修改的必要性，以對機械設備的運行狀況進行正確有效的評估。

油液分析;界限值;故障診斷

0 引言

在機械設備安全運行的管理工作中，利用油液分析技術對機械設備磨損類故障診斷是非常有效的手段，這已為世界各國實踐所證實。磨損、污染和油品衰變是引起機械設備發生故障的三大原因，它們之間相互影響又有各自特定故障信息。實際上，油液分析可以分析出油液所包含的多種特定信息，例如傅里葉紅外光譜，既可以分析出油液中積炭、氧化物、硝化物、硫化物、含水量、乙二醇和燃油稀釋等圖譜，而且又可以根據圖譜預測油液所具備的潛力，是判斷是否需要換油的重要依據之一。對于所獲得的每一種信息，必須科學地制定出設備可能發生故障的界限值，才能有效地預測機械設備的故障隱患或油品的衰變狀態。對于設備狀態監測與故障診斷的儀器而言，如果不根據機械設備特點去研究和制定各種界限值，就難以發揮監測診斷儀器的功能和診斷效果。當然，機械故障的界限值沒有通用性，因為機械設備的磨損情況、載荷、運行工作及環境條件等不同，雖然使用了相同的監測儀器，也使用了相同品牌的油液，但是，根據油液分析信息所得出的設備發生故障的界限值是不相同的。因此，必須根據監測診斷中所獲得的油液分析信息、機械設備運行的實際情況和工作人員的管理經驗等綜合因素去制定機械設備發生故障的界限值。

1 油液分析信息的特點

1.1 定量分析

油液的定量分析是指在油液監測儀器誤差范圍內有明確的監測數值。對油液不同的監測內容，有不同的監測界限值，主要包括只有上限監測界限值、只有下限監測界限值、既有上限又有下限監測界限值、有多種不同程度級別監測的界限值等。

（1）只有上限監測界限值。例如:油液的水分含量是有上限界限值的，如果在用油的水分含量高于其同品牌新油的水分含量，說明在用油被水污染了，設備的潤滑效果存在了潤滑不良的安全隱患，設備管理人員必須認真查找故障原因，及時清理機械設備的潤滑系統，并及時更換潤滑油。這樣，同品牌新油的水分含量就是該油液在使用中的上限界限值。

（2）只有下限監測界限值。例如:油液的閃點是有下限界限值的，不同品牌油液，其閃點是不同的，如果在用油的閃點低于其同品牌新油的閃點，說明在用油被燃油稀釋了，設備的潤滑效果存在了潤滑不良的安全隱患，設備管理人員必須認真查找故障原因，及時清理機械設備的潤滑系統，并及時更換潤滑油。這樣，同品牌新油的閃點就是該油液在使用中的上限界限值。

（3）既有上限又有下限監測界限值。例如:潤滑油的黏度既有上限又有下限監測界限值，在用油的黏度過大，流動性降低，摩擦副之間難以形成油液潤滑保護膜，容易造成異常磨損;油液黏度過小油性不良也容易造成磨損加劇等故障隱患。所以，在選擇潤滑油時，一定要根據機械設備的特點，正確選擇潤滑油的類型。

（4）有多種不同程度級別監測的界限值。例如:利用油料原子發射光譜儀分析潤滑油，可分析出在用油中不同金屬的質量含量（μg/mL），包括油液中磨損元素含量、污染元素含量、添加劑含量等30多種元素。這樣，在一個油樣中，就需要制定30多個元素的上限值，而且這30多個界限值差別較大，具有多種不同程度級別。

（5）分析結果界限值。美國三軍主要裝備（飛機、裝甲車輛、艦船等）均制定分析結果界限值，主要有:正常、臨界、偏高和異常4種分析結果界限值。我國也制定了分析結果界限值，主要有:正常、臨界和異常3種分析結果界限值以及分析趨勢界限值。為預報機械故障和故障程度提供科學的評判依據。

1.2 定性分析

油液的定性分析是指油液監測儀器能監測反映故障現象和性質，但沒有具體的分析數值。典型的定性分析如分析式鐵譜儀，它是根據機械設備磨損顆粒形貌和顏色，可以識別正常磨損顆粒、切削磨損顆粒、疲勞顆粒、片狀顆粒、球狀顆粒、腐蝕顆粒、暗金屬氧化物、紅色氧化物、非鐵磁性金屬、非金屬無機物、有機物、非金屬晶體、摩擦聚合物、纖維等。其中大部分是與磨損故障有關的定性信息，根據機械設備特點和監測人員診斷經驗，可將模糊信息進行打分處理。例如正常磨損為0，輕微磨損為2，中等磨損為5，嚴重磨損為10，這樣，就可以把定性分析轉化為定量分析來處理，可以更直觀地利用監測分析結果來進一步提高診斷準確率。

2 定量界限值的類別和模糊性

2.1 類別

機械設備出現的故障征兆，常常并非某一個界限值所能全面揭示反映出來的。例如原子發射光譜監測技術，需要根據機械設備管理人員多年的應用和實踐經驗，需要利用原子發射光譜監測技術監測出的磨損顆粒含量與在用油的取樣頻率關系統計的濃度界限值，相鄰兩個油樣中含量變化統計的趨勢界限值，兩者必須相輔相成去捕捉故障征兆，而趨勢界限值往往可以靈敏反映磨損變化烈度。在某些機械設備中，為直觀方便，還制定磨損含量與運行時間關系的界限值。

2.2 定量界限值邊界的模糊性

可以利用原子發射光譜技術監測在用潤滑油中顆粒含量為例，來探討監測結果定量界限值邊界的模糊性，國內外所制定的3種或4種界限值，其邊界僅相差1μg/m L。例如表1和表2分別為美國軍用車輛某行星變速箱5R6192和美國軍用飛機燃氣輪發動機的主要磨損元素界限值和異常趨勢值;表3為我國某內燃機柴油機的磨損元素含量界限值和趨勢界限值。

表1 美國軍用車輛某行星變速箱5R6192的界限值μg/mL

表2 美國軍用飛機燃氣輪發動機油中元素的界限值μg/mL

續表

表3 我國某柴油機油中元素的界限值μg/mL

由表1、表2和表3可見，各邊界僅相差1μg/ m L，對磨損類故障是否會這么靈敏，這要具體分析和采取應對策略。

（1）界限值是為保證機器安全運行或有無故障征兆的一種預報或提示，是根據統計規律、置信度和實際運用經驗來劃分的，它不可能像精確數學計算那樣準確無誤。根據這種定量預報，如果能夠達到95%的準確率，就可以顯著減少機械設備發生故障的概率。

（2）磨損是一個漸變的發展過程，界限值邊界實際是一個小小的模糊區，制定的界限值既能預測故障征兆，又要留有一定保守裕度。例如當發現異常征兆時，還允許再做一次加密取樣的時間間隔，確認抽樣分析是否仍處于異常狀態，而必須停機維修;若降到臨界或正常范圍，可繼續運行，證明取樣或分析中有偶然性。為機械設備運行安全考慮，還需要做一次加密取樣，這對于必須連續運行的機器或做戰飛機不能輕易停機是十分必要的，是處理模糊區間的一種策略。美國三軍主要裝備（飛機、裝甲車輛、艦船）就是采取這種界限值和加密取樣的邏輯程序，至今已經應用近50年，實踐證明有重大成效。至于如何研究處理這種模糊性，將是今后長期研究的重要課題。

（3）故障診斷關鍵在于預測故障征兆，也是預知性維修的先進策略。原子發射光譜儀的油液分析是一種單相的監測分析技術，應該通過油液的多相監測技術，來互為補充，確認故障程度的可信度，極大地避免預防維修（計劃維修）制度中該修而修理程度不到位、不該修理而出現了過度維修的缺陷，界限值便是設備維修必不可少的科學依據。

3 界限值需要動態修改

機器設備在使用管理和維修過程中，油液分析信息的界限值應該得到不斷地修改，機械設備在運行初期的磨合期內、在正常的使用管理過程中、在經過各種故障前后、在更換油液前后等都需要動態修改油液分析信息的界限值:

（1）機械設備在正常壽命期內運行，一般來說其磨損是漸增的;但在接近大修期前，磨損量值會較明顯大于早期的磨損含量，所以，應該將早期的油樣分析結果淘汰掉，按中、后期的油樣重新修改油液分析信息的界限值。

（2）機械設備經過各種維修之后，設備摩擦副之間配合總不如新設備原裝摩擦副之間配合的那么好，特別是國產機械設備更換了進口配件或者進口機械設備更換了國產配件之后（無法購買到進口的原裝配件），修后設備摩擦副之間的配合更差，這就需要不斷的修改油液分析信息的界限值。

（3）機械設備隨著運行的需要，設備的型號和配件的材質常常會不斷的更新變化，老型號、老配件的機械設備與新型號、新配件的機械設備所需求的油液分析信息界限值是不同的，必須根據需求來對油液分析信息的界限值進行修改。

（4）適合機械設備運行的油液不是簡單的一種類型，將根據機械設備運行需求的特點，在多種油品牌號中來選擇比較適用的一種油品，當然各種不同油液的性能總有一定差別，這樣要求必須制定不同油液分析信息的界限值。

（5）要不斷借鑒外軍這方面技術的先進經驗，特別是美軍這方面技術的具體做法和應用。據資料顯示，美國三軍主要裝備（飛機、裝甲車輛、艦船）都分別有詳細的監測信息界限值，而且每2年修訂一次，印發給各軍用基地和為美軍服務的地方油液監測試驗中心。

4 油液分析信息在設備故障診斷中的應用

4.1 軸承異常磨損造成嚴重的機械故障

某機械設備在正常運轉過程中，出現了十分明顯的異?，F象，為了保證設備的運行安全，避免故障的繼續蔓延，設備管理人員不得不對該機械進行監測分析，查找機械設備發生故障的主要原因，通過對設備潤滑系統潤滑油的光譜分析和鐵譜分析，得知該機械設備發生故障主要是由于其軸承發生異常磨損而造成的，對在用潤滑油油樣的光譜分析和鐵譜分析的具體數據和現象如下:

（1）光譜分析

由于該機械設備無法立即停止運行，在該機械仍然運行的情況下，對該機械設備的在用潤滑油進行了多次取樣，每個油樣都分別做出3次光譜分析，對比所取的幾個油樣的光譜分析數據沒有太大變化，說明油樣的監測信息代表了機械設備運行的實際情況。表4便是其中一個油樣的光譜分析監測數據。

表4 光譜分析數據μg/mL

該機械設備是一部很關鍵的機械設備，長期以來，管理人員把管好這部機械設備放在重中之重的位置，平時，對該機械進行了周期性監測，并建立了監測檔案，從以往對該機械設備原子發射光譜監測檔案中查知，該機械設備中軸承潤滑油油樣光譜分析Fe、Cr元素濃度上限值分別為35μg/mL、0.6μg/ mL。由表4可知，這次采集的在用潤滑油油樣中光譜分析Fe、Cr元素濃度平均值分別為359μg/mL、 2.1μg/mL，而新油樣中各元素濃度值都很低。說明含有高鉻鋼材料的摩擦副發生了異常磨損，進一步分析斷定該機械設備中軸承滾動元件（其材料都是高鉻軸承鋼）可能發生嚴重磨損。

（2）分析式鐵譜分析

使用分析式鐵譜儀制備鐵譜片，給在用油樣分別制備2張鐵譜片（見圖1），給新油制備了1張鐵譜片（見圖2），用鐵譜顯微鏡觀察分析譜片上磨粒的形態、尺寸、紋理和色澤等。

圖1 在用油鐵譜分析譜片

圖2 新油鐵譜分析譜片

圖1為軸承在用潤滑油油樣譜片上的切削磨粒（放大倍數為500倍），譜片已經過加熱處理，切削磨粒呈藍色，表明它的材料是軸承鋼;圖2為未使用過的新潤滑油油樣的微粒照片（放大倍數為100倍），由圖2可見該油樣中只有很少微粒，并且都不是金屬磨粒。最后分析斷定該機械設備中軸承滾動元件（其材料都是高鉻軸承鋼）發生嚴重磨損。

4.2 錯誤選擇潤滑油造成柴油機嚴重燒損事故

某船主機是TBD234V8型高速柴油機，其額定轉速范圍是1500～2300 r/min，最高轉速為2300 r/min，潤滑系統潤滑油的最高溫度為120℃，要求使用CD 40潤滑油。主柴油機在不同工況下進行試驗運行過程中，當柴油機轉速提高到2100 r/min時，柴油機發生了嚴重拉缸、主軸瓦燒毀、連桿瓦燒毀、主軸承嚴重拉傷等重大事故。事故發生后經過對柴油機潤滑系統在用潤滑油的黏度進行分析得知，故障的主要原因是使用管理人員選擇使用潤滑油類型出現錯誤而造成的。表5是故障監測診斷人員模擬故障發生過程中，柴油機不斷提速，潤滑油對應的溫度不斷上升，監測出不同轉速所對應的不同溫度下的運動黏度值，并參考2005年《石油產品國家標準匯編》得知的CD 30和CD 40兩種潤滑油在不同溫度下各自的界限值。同時，得出在用潤滑油在不同轉速所對應的不同溫度下的潤滑結論。

表5 TBD234V8型高速柴油機不同工況下潤滑油運動黏度監測數據

從表5中可知，通過對在用潤滑油在不同工況下運動黏度的監測數據、CD 30、CD 40潤滑油在不同工況下運動黏度的界限值三者之間進行比較可以看出，柴油機轉速在1500 r/min以前，也就是說柴油機轉速在進入額定轉速之前，柴油機潤滑系統的潤滑效果是良好的，其運動黏度分別是:38.7 mm2/s、22.9 mm2/s、18.6 mm2/s，這三個運動黏度值既符合CD 30品牌潤滑油界限值范圍又符合CD 40品牌潤滑油界限值范圍，也證明了該柴油機在達到1500 r/ min額定轉速以前的低速運行是正常的。但是，當柴油機轉速提高到1700 r/min、1900 r/min的時候，其運動黏度分別是:14.1 mm2/s、11.3 mm2/s，這兩個運動黏度值只是符合CD 30潤滑油界限值范圍，略低于CD 40潤滑油界限值范圍，此時，柴油機潤滑系統的潤滑油已經出現了潤滑效果不良的跡象。當柴油機轉速提高到2100 r/min的時候，其運動黏度是7.4 mm2/s，這個運動黏度值只是符合CD 30潤滑油界限值范圍，十分明顯地低于CD 40潤滑油界限值范圍。因此，可以判斷在用潤滑油錯誤地選擇了CD 30品牌潤滑油，而不是按要求應該選擇的CD 40品牌潤滑油。這樣，當柴油機高速運行時，由于潤滑嚴重不良而造成柴油機燒毀的重大事故。

5 結論

（1）通過對油液分析技術中定量信息和定性信息的界限值制定問題的研究，討論了定量界限值邊界模糊性對策和動態修改的必要性。

（2）通過案例分析對機械設備的運行狀況進行正確有效的評估，正確掌握油液分析信息的評判方法，是做好機械設備狀態監測與故障診斷的關鍵。

［1］萬耀青.油液分析故障診斷中的信息融合問題［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［2］平培榮，梁紅，華祖瑜，等.石油產品國家標準匯編［S］.北京:中國標準出版社，2005.

Research and App lications of Threshold Values in Lubricating Oil Analysis for Diagnosing Equipment Failure

XU Bin1，CHEN Zhi－xin2，SUN Gui－fang1
（1.Naval91315 Unit of the Chinese Peop le＇s Liberation Arm y，Dalian 116041，China; 2.Naval92337 Unit of the Chinese People＇s Liberation Arm y，Dalian 116023，China）

Lubricating oilanalysis technology p lays an increasingly im portant role in the safe operation of equipm ent.The key to m onitoring equipm ent perform ance and fault diagnosis lies in properly understanding the evaluation m ethod of lubricating oilanalysis inform ation.In this paper，threshold settings of quantitative inform ation and qualitative inform ation in lubricating oil analysis technology are studied.And the necessity for counterm easures and dynam ic m odifications of fuzzy quantitative threshold values is discussed in order to effectively and accurately evaluate the equipm ent＇s operational state.

lubricating oilanalysis;threshold value;diagnosis of equipment failure

TE622.1

A

1002-3119（2012）06-0044-05

2011－05－28。

許斌（1961－），男，高級工程師，海軍專業技術大校，1985年畢業于海軍工程大學海軍艦艇設備狀態監測與故障診斷油品分析專業，現從事設備狀態監測與故障診斷工作，已公開發表論文數篇。