基于油液分析的主動維修在綜采設備管理中的應用

周俊麗，張 馳

(神東煤炭集團設備管理中心，陜西 神木 719315)

隨著綜合機械化采煤技術與裝備的不斷發展，長臂采煤機、刮板運輸機等越來越多的采煤機械被使用到了煤炭工業中，而且采煤設備單產、掘進量不斷增加，而針對這些設備的監測與維修也成為一項重要的課題，由于高新技術不斷應用于現代化采煤，新的裝備不斷增加，也要求我們不斷更新設備管理和維修思想，以適應不斷增加的煤炭產量和更加復雜的開采條件［1］。現代化的采煤設備就要求現代化的設備管理和維修手段。本文將設備監測領域的油液分析技術與最新的維修思想(主動維修)結合，闡述基于油液分析的主動維修在綜采設備管理中的重要應用。

主動維修也稱為主動性維修或預先維修，1992 年美國資深液壓系統設計專家E.C.Fitch 在其著作《Proactive Maintenance for Mechanical System》中詳細論述了主動維修的概念、原理和技術［2］。隨后在歐美國家中開始逐漸發展和應用，現已在世界范圍內被廣泛接受并應用，所謂主動維修就是針對可能引起裝備產生故障的“故障源”(Root Causes of Failure)而采取的維修和管理活動［3-5］。認為通過對可能引起設備產生故障的“故障根源”進行系統化的識別，在系統的性能和材料退化之前采取措施進行維修，可以有效地減少系統的整體維修需求，延長系統的使用壽命。Fitch 的“主動性維修”認為，在實際的維修工作中不但要重視零部件的損傷，還應重視相關的介質如油液等“條件性故障”。

油液監測技術是通過分析被監測機器的潤滑劑、液壓油、乳化油和乳化液等油品的理化性能和攜帶的磨損微粒的情況，利用光、電、磁學等手段，分析其理化指標、監測所攜帶的磨損和污染物顆粒，從而獲得機器的潤滑和磨粒狀態的信息，定性、定量地描述設備的磨損狀態，找出誘發隱患，評價機器的工況和預測故障，并確定故障部位、原因和類型［6-8］。油液監測技術的這些特點為主動維修的實施提供了前提條件，通過對在用潤滑油、液壓油的理化性質(運動黏度、水分、酸值、承載能力等)、鐵譜和光譜等特征的監測，及時發現設備潤滑存在的故障隱患，做出判斷，及早進行主動維修。

機器設備油液分析在許多商業部門和軍事機構中已經非常普遍，當前的努力方向是推動傳統油液分析概念和技術向實時油液分析領域過渡。實時機器油液分析是非常重要的機器狀態監控概念和維修工具，其對機器管理和油液使用的直接貢獻是:預報機器失效，減少機器停車，延長機器壽命;發揮油液潛力，優化油液使用，降低油液消耗。現代機器油液分析實驗室以新油液、在用油液和更生油液的組成與性質分析為基本任務，其終極目標是建立數字化機器油液分析系統(硬件和軟件)或e -機器油液診斷與預報系統，包括:①建立快速、智能化機器油液分析儀器或分析系統;②建立機器油液質量規格體系，包括質量控制規格和質量識別規格;③建立機器油液分析信息提取和處理的智能化系統;④建立機器油液分析信息接收、發送與管理的計算機管理與網絡化系統。

1 油液監測的主要技術手段

1.1 油液理化性質指標監測

設備潤滑狀態的好壞主要由油液的物理化學性能決定，因此設備油液監測工作的一項重要工作內容就是對設備用油的理化性質進行檢測，以判斷設備的潤滑狀態是否符合設備的使用要求。對工礦企業設備油液監測有影響的油液理化性質指標包括運動黏度、水分、酸值、閃點、凝點(或傾點)、機械雜質、抗乳化性、抗泡沫特性、抗磨性和極壓性等。

1.2 油液鐵譜監測

在目前國內大多工礦企業，鐵譜技術是被應用最為廣泛的一種油液監測技術。鐵譜技術的核心設備是鐵譜儀，它是利用高梯度磁場的作用將機器摩擦副中產生的磨損顆粒從潤滑油液中分離出來，并使其按照尺寸大小依次沉積在基片上而制成鐵譜片，然后置于鐵譜顯微鏡或掃描電子顯微鏡下進行觀察，以獲得摩擦副磨損過程的各類信息，從而分析機器的磨損機理和判斷磨損的狀態，進而進行預防性維修或采取相應的措施。鐵譜分析具有較寬的磨粒尺寸檢測范圍和較高的檢測效率，能同時進行磨粒的定性與定量分析，目前在煤炭行業使用較廣的是旋轉式鐵譜儀［9］。本標準中使用的旋轉式鐵譜儀主要有圓柱形永久磁鐵、傳動裝置、試樣輸送裝置和控制部件等組成。它的工作原理是:用定量移液器將油樣滴向固定在磁場上方的正方形基片中心，磁鐵和基片在電機帶動下一起旋轉。油樣中的磨粒物質在離心力、磁場力、重力和液體粘滯阻力等合力的作用下，按其粒度不同在譜片上沉積成與環形結構磁場相對應的3 個同心磨粒環。

1.3 油液光譜檢測

光譜技術是最早應用于機械設備狀態監測和故障診斷并獲得成功的油液監測技術之一。原子發射光譜法(AES)是利用原子或離子在一定條件下受激而發射的特征光譜來研究物質化學組成的分析方法。根據激發機理的不同，原子發射光譜有3 種類型:①原子的核外光學電子在受熱能和電能激發而發射的光譜，通常所稱的原子發射光譜法是指以電弧、電火花和電火焰(如ICP 等)為激發光源來得到原子光譜的分析方法。以化學火焰為激發光源來得到原子發射光譜的，專稱為火焰光度法。②原子核外光學電子受到光能激發而發射的光譜，稱為原子熒光(見原子熒光光譜分析)。③原子受到X 射線光子或其他微觀粒子激發使內層電子電離而出現空穴，較外層的電子躍遷到空穴，同時產生次級X 射線即X 射線熒光(見X 射線熒光光譜分析)。目前，應用于油液光譜分析的最先進技術是等離子體發射光譜法，光譜技術既可以準確地監測設備潤滑系統中潤滑油所含磨損顆粒的成分及含量，也可以監測潤滑油中抗氧化劑、抗磨劑等添加劑的狀況以及監測潤滑油污染程度和衰變過程。目前，在工礦企業中通常使用等離子體原子發射光譜儀來進行油液元素分析，使用紅外光譜儀來進行添加劑、硫化物、氧化物和積炭等的檢測［10-11］。

1.4 顆粒計數

顆粒計數是評定油液中固體顆粒(包括機械磨損微粒)污染程度的一項重要計數，它的特點是把油樣中的顆粒進行粒度測量，并按預選的粒度范圍進行計數、從而得到有關顆粒粒度分布方面的信息，然后與標準進行比對，獲得對油液污染度的評價［6］。

2 油液監測體系的組織構成

2.1 基于油液分析的數據來源主體

油液監測實驗室作為油液分析的數據來源主體，承擔了監測及分析職責，是監測體系的根基。油液監測項目采用國家標準及企業標準，評判依據工礦企業的特點，分別針對鐵譜分析等級及理化指標制定了企業標準，結合污染度及光譜分析結果，出具綜合結論，全面反映設備磨損狀況及油液品質，發現并消除故障的根本原因，延長設備、零部件和油品的壽命。

2.2 基于油液分析的主動維修的輔助體系

EAM 系統的油液監測信息在主動維修中的應用，為主動維修提供了快速、高效和準確的信息，是設備維修管理中一項重要技術和工程。EAM 即企業資產管理系統(Enterprise Asset Management )，EAM 系統以資產臺賬為基礎，以工單的提交、審批、執行為主線，按照缺陷處理、計劃檢修、預防性維護、預測性維護等幾種可能模式，以提高維修效率、降低總體維修成本為目標，將設備管理、維修管理、采購管理、庫存管理、人力資源管理集成在一個數據充分共享的信息系統中，對資產進行全壽命管理。在EAM 系統中，將公司的每臺設備的使用情況、使用單位、規格型號、潤滑點位和油液分析報告等各類相關信息。監測實驗室將各類設備的潤滑油液監測信息錄入EAM 系統中，礦方、維修和設備監管單位可隨時獲得設備潤滑情況，油液監測發現設備需要進行換油處理時，EAM 系統會自動生成換油工單，礦方對相應設備的潤滑點位進行換油，設備監管單位對礦方的換油工序進行監督和檢查，確保了工單任務的順利完成和設備的正常潤滑。

圖1 油液監測體系結構

2.3 基于油液分析的主動維修的運作

神東煤炭集團將油液的等級分為正常、警告和嚴重3 個級別，正常磨損等級的磨損顆粒是機器在正常滑動狀態下產生的，正常磨損顆粒產生時，油箱內的油可以繼續使用，無需其他操作;異常磨損等級代表設備出現了明顯的異常磨損，磨損顆粒在顆粒類型、顆粒大小、顆粒濃度和油水分超標這5類指標中某一項或多項達到了異常等級，需要立即換油，查找并排除異常磨損的原因，換油后需監護運行并縮短換油周期進行監測;嚴重等級代表設備出現了嚴重的機械磨損故障隱患，磨損顆粒在顆粒類型、顆粒大小、顆粒濃度和油水分超標、雜質污染這5 類指標中某一項或多項達到了嚴重等級，需要立即換油，查找并排除異常磨損的原因，換油后需監護運行并將換油周期縮短為3 d 進行監測，如監測結果依然屬于嚴重等級，則需立即準備該點位的大型部件進行更換，對替換下來的部件進行拆解查清原因。

圖2 油液監測體系結構

3 應用實例

2010 年神東煤炭集團實施上述油液監測體系的第1 年，共化驗油脂點位12 395個，發現異常點位1 390個，嚴重問題點位35 個，全年故障停機率為0.46%，比計劃降低34.2%，全年直接和間接為公司創造產值和節約成本總計5 000萬元。

2010 年神東煤炭集團監測實驗室在對上灣礦12205 工作面使用的艾柯夫SL1000 6659 采煤機潤滑油的例行鐵譜化驗分析中發現該采煤機的左搖臂(使用美孚320#潤滑油)行星頭鐵譜分析結果為異常，鐵譜分析中發現有大小為30 ～100μm 的黑色氧化物、嚴重滑動磨粒、疲勞磨粒及層狀磨粒等(如圖3)。隨后對該油樣進行理化分析和光譜分析，結果顯示潤滑油運動黏度下降了12%，水分小于0.1%，鐵元素含量達56 mg/kg，綜合分析判定該搖臂行星頭內存在嚴重的潤滑不良，局部發生干摩擦且局部相對運動表面負荷過高、速度過大，還可能存在硬質顆粒在摩擦副間來回滾動等非正常摩擦狀態，總評處于嚴重等級。建議礦方更換搖臂，對原左搖臂進行拆解檢查。經神東維修中心拆解發現該搖臂行星頭的一級法蘭與一級軸承外圈相互摩擦嚴重，產生了明顯的摩損圈，其他部位并未發現嚴重磨損情況。經維修中心相關技術人員分析，左搖臂行星頭的非正常磨損主要是由一級法蘭與一級軸承外圈相互摩擦的非正常摩擦導致的。此次油液監測及時發現了故障隱患為公司挽回直接和間接經濟損失500 萬元。

圖3 上灣礦采煤機左搖臂行星頭齒輪箱潤滑油鐵譜

2009 年12 月榆家梁煤礦52104 工作面采煤機搖臂齒輪箱(使用美孚320#)遇半月期取樣，進行鐵譜分析，發現有10 ～25 μm 的球形顆粒、30 ～120 μm 的疲勞剝塊、25 μm 的層狀顆粒、約50 μm 的滾滑磨損顆粒和少量有色金屬顆粒。同時，對該點位油樣進行理化和光譜分析，結果顯示，運動黏度上升15%(超標)，水分為0.71%(超標)，鐵元素含量為72 mg/kg，銅元素含量為9 mg/kg。換油2 日后，又進行取樣分析，仍然發現有同樣的異常磨損顆粒。隨即停機對齒輪箱進行檢查，確實有大量磨屑吸附。建議立即申請更換搖臂，維修中心進行解體檢查，齒輪齒面嚴重剝落。如果繼續使用該搖臂必然造成重大停機事故。此次監測，為公司減少損失約為200 萬元。

神東煤炭集團實施基于油液分析的主動維修在綜采設備管理中的應用以來在降低設備故障率、減少機電事故、提高生產效率、保障安全生產方面做出了重要貢獻，使神東煤炭集團的百萬噸死亡率保持在全國最低水平。這項技術的進一步研發、推廣和應用必將有力提升我國煤炭企業的設備管理和煤炭生產工作。這項技術在其他行業的設備管理領域也有廣闊發展前景。

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