油液分析技術在港口機械狀態監測中的應用

王自韌

（湛江港（集團）股份有限公司 廣東湛江）

磨損和腐蝕是港口機械的兩種主要失效形式，其中磨損失效占60%～80%[1、2]。目前，油液分析技術廣泛應用于國內港口機械的狀態監測與故障診斷中。它通過分析被監測機器的在用潤滑油的性能變化和攜帶的磨損磨粒，獲得機器的潤滑和磨損狀態的信息，評價機器的工況和預測故障，并確定故障原因、類型的技術[3-5]。在分析中，常規理化分析對監測設備的潤滑狀態比較有效，光譜分析對于小顆粒比較有效，鐵譜技術對大顆粒比較有效[6]。對各種分析手段獲取的數據處理與融合分析是油液監測能否獲得正確診斷結論的關鍵。如今，綜合各種油液分析技術的油品監測，及結合其他診斷方法如振動分析[7、8]，可以充分獲知設備摩擦副關于磨損程度的信息，油品的使用性能的信息，避免單一分析方法帶來的信息不完整而導致的可能誤判。綜合分析的目的是減少設備的失效，降低其運行時數和維護費用。

斗輪機是港口散狀物料（散料）儲料場內的專用機械，包含有走行機構、回轉機構、帶式輸送機、尾車、俯仰機構等。斗輪機廣泛用于港口、碼頭、冶金、水泥等行業進行物料存儲的堆取作業，其生產能力每小時可達萬噸，是物料堆取的重要設備。自2013年7月起，湛江港（集團）股份有限公司第三分公司對該公司的兩臺斗輪機各關鍵潤滑點開展油液監測，希望通過設備潤滑油的污染、變質程度的檢測，及時掌握設備潤滑油性能及磨損狀況及其發展變化趨勢，實現設備的狀態監測與故障診斷，從而及時預報潛在的故障避免任何可能的災難性損壞發生。以下以該公司的兩臺斗輪機的行走減速器為例，介紹油液監測的具體實施方案及重要意義。

一、油液監測內容

1.取樣

在油液分析時，從一小瓶油樣中確認和提取有用信息極大地依賴所獲得的原始的未經處理的油液數據的質量，因此，油液分析的成功與否直接取決于油液的采樣[3]。為了獲得準確的油液分析結果，必須保證所采油樣具有真實代表性，為此需對設備采樣方法、采樣頻度和采樣步驟作出適當的規范。為了正確評價減速箱的潤滑與磨損狀態，取樣位置選擇為油箱放油口，在每次取樣前先放掉一部分油樣，取樣周期為每2個月一次，每次所取油樣量為250 mL左右，并貼上標簽，注明設備位號和取樣時間。

2.測試方法

一個有效的油液分析計劃應當包括3個部分的分析：（1）油液性狀分析；（2）油液污染分析；（3）油液中的磨粒分析。無論試驗設備是基本配置或是完善配置，任何一個基于現代油液分析理論建立起來的油液監測實驗室系統，其最終目的都是為設備使用者提供關于機器和潤滑油（或液壓油）當前狀態的全面信息，幫助企業設備使用者制定相關的維修計劃。

齒輪箱的潤滑油主要用于潤滑齒輪及滾動軸承，同時起到散熱、抗磨等多方面的作用。測試方法主要采用理化指標分析、發射光譜分析、PQ指數分析和鐵譜分析技術。其中理化指標的變化可以用來監測油品性能及污染情況，光譜分析可以評價齒輪油中金屬元素、污染元素及添加劑元素含量多少，PQ指數和鐵譜分析技術相結合可以對齒輪箱在用油中磨損金屬的數量、尺寸分布、成分、形貌進行監測，從而監測與診斷齒輪箱的磨損狀況。

湛江港兩臺斗輪機的行走齒輪箱主要監測了黏度、總酸值、水分、光譜、PQ指數及分析鐵譜，圖1為油液分析監測工作流程。

圖1 油液分析監測工作流程圖

二、監測數據分析

1.理化分析

油液理化指標分析主要針對油品本身的質量，指導設備正確選油，視情換油，查詢齒輪箱摩擦副部件故障隱患與油樣之間的關系，即監測設備的潤滑狀態。齒輪箱采用220號工業閉式齒輪油，理化指標包含圖1所示的3項。

圖2 黏度測試結果

圖3 酸值測試結果

黏度是設備選用潤滑油、判斷設備潤滑狀態、確定是否換油的重要依據。從圖2中可以看出，斗輪機A的行走減速器潤滑油的黏度在監測期間的變化不大，但是斗輪機B的行走減速機在2014年1月時黏度急劇增加，其原因可能是油品受到外界污染或油品嚴重氧化變質。

酸值表示油品氧化變質的程度，潤滑油使用一段時間后由于氧化逐漸變質，表現在酸值增大，酸值大的潤滑油容易造成機件的腐蝕。斗輪機A在監測期間總酸值變化不大，但斗輪機B在2014年1月監測時總酸值急速上升，表明油品已經氧化變質。

水分是指油品中的含水量，潤滑油中有水時，會造成乳化和破壞油膜，從而降低潤滑效果而增加磨損。同時還能促進機件的腐蝕和加速潤滑油的變質和劣化。圖4是A、B兩臺斗輪機行走減速箱潤滑油的水分測試結果。

由圖4分析知，A號斗輪機行走齒輪箱2013年11月份監測時，開始出現水分，到2014年1月份水分含量急劇增高。經分析診斷可能存在以下兩個方面原因：一是冷卻水泄漏進油箱；二是潤滑油箱蓋密封失效，外界空氣中的水蒸汽從油箱蓋竄入油箱，造成潤滑油含水量超標。

2.PQ指數分析

圖4 水分測試結果

PQ指數分析是根據鐵磁性磨粒對磁場變化的影響來測試潤滑油中的鐵屑的方法。其測試結果與鐵屑的含量及顆粒的大小呈良好的線性關系。由于PQ指數對大尺寸鐵磁性磨粒更為敏感，因此常與元素分析配合使用。當是PQ指數較高時，一方面可能是由于油中的鐵屑磨粒較多，另一方面可能是由于油中含量大尺寸顆粒。由于減速箱中主要部件都采用的鑄鐵或者鋼，因此采用PQ指數來監測齒輪箱的磨損情況是非常有效的。

由圖5可以看出，2013年11月時，斗輪機B的PQ指數開始增高，到2014年1月，其數值增高至354 mg/kg，這初步表明減速箱中的齒輪、軸承等發生了嚴重的磨損。

圖5 PQ指數測試結果

3.光譜分析

光譜分析法就是利用光譜儀對潤滑油中含有的各種磨損的金屬進行定期分析，檢測出金屬的種類和數量等的變化情況，以此來判斷潤滑油系統中哪些部位發生了故障。油中的金屬來自三方面:摩擦副表面產生的磨損顆粒混入油中使油中Fe、Cu、Sn、Al、Pb、Cr等元素濃度明顯增加；油品添加劑自身帶來的元素如Zn、Ca、Ba、P等，這類金屬來源于油中抗磨劑、極壓或清凈分散劑等；外界污染物攜入的元素，如Na、Si、B等。根據油樣中元素測試結果的變化，可以評價兩臺斗輪機行走齒輪箱的磨損情況和工作情況。

圖6 主要磨損元素測試結果

齒輪箱中，主要部件為齒輪和滾動軸承。齒輪采用鑄鐵制造，而滾動軸承滾道及滾動體采用的是軸承鋼，保持架用的是銅合金。因此齒輪箱中主要的磨損元素為Fe和Cu。圖6為兩臺斗輪機的行走機構齒輪箱主要磨損元素測試結果。

由圖6可知，斗輪機A的行走減速箱在監測期間，Fe、Cu元素含量變化不大，表明斗輪機A處于正常磨損狀態。斗輪機B的行走減速箱在2013年7月開始，Fe、Cu元素含量都有增加趨勢，2013年11月，Fe、Cu含量監測數據分別為98 mg/kg和17 mg/kg，而兩個月后，即2014年1月，斗輪機B行走減速箱的Fe為625 mg/kg，Cu元素增加到40 mg/kg，短短兩個月的時間，斗輪機B的Fe、Cu元素含量急劇增高，這意味著齒輪箱已經發生了嚴重的異常磨損。

另一方面，斗輪機B的在用油中，Si元素也有增長趨勢，且在2013年11監測結果為46 mg/kg，兩個月后再次監測，其數值增高為132 mg/kg。由于Si元素通常來源于外界的粉塵，導致其急劇增加的原因很可能是油箱密封失效，這也與水分增長是相吻合的。

4.鐵譜分析

鐵譜分析通常用于故障診斷，當設備發生故障時，可以根據油中的磨粒形態、尺寸、成分及數量等綜合判斷設備磨損部位、磨損程度及故障原因。磨粒的顏色可以反應磨粒成分，進而判斷出磨損部位；磨粒的尺寸及大小可以評價磨損程度，而磨粒的形態則可以評價磨損類別，進而找出故障原因。

圖7和圖8分別是兩臺斗輪機行走齒輪箱的2013年11月及2014年1月的磨粒圖。A斗輪機磨粒為鐵磁性磨粒，呈鏈狀分布，排列均勻，分布稀疏，磨粒尺寸均在15μm以下，這是設備處于正常磨損的典型磨粒，與PQ和光譜測試結果一致。圖7中磨粒非常密集，看不到鏈狀分布，磨粒尺寸不均勻，＞15μm的磨粒數量多，且有大量的黃色銅合金，這表明該齒輪箱中的軸承、齒輪已經發生異常磨損，特別是軸承，其銅質保持架的磨損程度嚴重。

圖7 A斗輪機行走減速箱磨粒圖（500倍）

圖8 B斗輪機行走減速箱磨粒圖（200倍）

5.故障診斷

從理化指標、光譜、PQ及鐵譜的測試結果表明，A斗輪機的潤滑及磨損狀態正常，但B斗輪機行走減速箱較為嚴重。根據油品理化指標及污染元素的監測數據分析，設備磨損的原因很可能是齒輪箱密封失效，外界粉塵、水蒸氣進入潤滑油箱，污染了齒輪油，導致油品劣化變質，不能形成正常的油膜，引發設備的潤滑不良，加上固體粉塵顆粒的污染，最終導致齒輪、軸承發生異常磨損。

根據分析結果，經企業安檢部對該斗輪機行走齒輪箱進行了拆機檢查，結果發現齒輪箱密封墊老化失效，軸承保持架出現了嚴重磨損，不能起到正常的固定及保持作用，如繼續工作，極有可能造成重大事故。由于該設備處于散料碼頭，空氣中粉塵多，濕度較大，減速箱工作時溫度高，水分多以蒸汽形式存在，而停機時溫度下降，水蒸氣就凝結成液態水，沉積到油箱中。為此，安檢部對對軸承進行修復并更換了保持架，對齒輪箱密封墊及齒輪油進行了更換，3月份再進行測試時，水含量恢復正常。

三、結論

（1）2臺斗輪機行走齒輪箱的油液理化分析表明，B斗輪機行走齒輪箱的潤滑油黏度增加，且受到大量的粉塵和水污染。

（2）B斗輪機在監測期間油樣鐵、銅元素含量及PQ指數呈增長趨勢，且元素濃度的變化與鐵譜分析中磨粒濃度的變化一致，設備已經出現異常磨損。

（3）通過油液分析，找出了齒輪箱故障的原因是外界水分和粉塵污染導致潤滑失效，并由此推論齒輪箱密封可能已經失效。對齒輪箱進行拆機檢查，發現齒輪箱密封墊老化，軸承保持架出現了嚴重磨損。

（4）對軸承進行修復并更換了保持架，對齒輪箱密封件及齒輪油進行了更換，設備潤滑狀態恢復正常。通過油液監測有效避免設備發生重大事故，保障了設備的安全運行。

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