基于油液監測預報的發動機最佳維修時機研究

張 林

（天津港第五港埠有限公司，天津 300456）

0 引言

天津港一直致力于港口發動機機潤滑油衰變研究，推行對發動機潤滑油的按質更換和定期檢測等。20世紀90年代中期與中國人民解放軍油料研究所共同對港口機械油品衰變進行了研究，提出發動機簡易監測法和報廢標準的各項指標。天津港五公司成立了集團公司第一家現代化的油液監測室，主要服務于各種潤滑油的化驗分析和基于油液監測的設備故障診斷。

1 研究方法

試驗油品是由長城高級潤滑油公司生產的API SH級SAE 15W/40柴油機潤滑油。公司現有主力車型每種車型選擇2臺車況較好、潤滑油消耗量正常的車輛作為跟蹤車，如QLY25吊車，PC200挖掘機，980G裝載機和WA470裝載機。發動機分別為Volvo TAD720VE，SAA6D107E-1，CAT3406 以及 SA6D125E-5。運行臺時（5972～55 396）h。跟蹤車需具有一定的貯備里程，運行過程中及時采樣及時分析，保證機車的正常潤滑，發現機油有異常變化及時中止實驗。

對現異常磨損的車輛的發動機可增加采樣密度，按試驗項目方法進行化驗分析，并對其解體情況留存照片和解體測量尺寸（至少有開口間隙和缸壁間隙）。公司所有港機發動機換油時采集有樣并檢測元素光譜和紅外光譜及其他主要指標變化情況，采集油樣試驗分析發現明顯異常可增加采樣密度或降低換油間隔確保發動機潤滑良好。

試驗車在熱車情況下，放凈再用油，清洗發動機，更換機油濾清器，將新油加入試驗油至標準。取樣前，發動機為熱車狀態，溫度（70～80）℃，機車運行（5～10）min，停車后，從油底殼中部抽取油樣。

跟蹤車取樣臺時為0（機車運行10 min），100 h和250 h取樣，然后根據車況在（50～100）h采樣，每次采樣量≥100 mL。當機車油樣分析出現異常時，要縮短取樣周期，采取處理措施。較差發動機在每個換油周期內取樣1～2次，換油時必取，異常車輛發動機大修前必留油樣，其他發動機換油時必取油樣。

發動機油更換控制指標參考GB/T 7607—2010，采用NI-2B分析儀檢測。試驗項目是元素光譜，即測試在用油中的Fe，Cu，AI，Cr，Si，Pb 等金屬成分變化，用紅外光譜分析在用油中的油質氧化、硝化、硫化、燃油稀釋、積炭及添加濟消耗情況。

2 實驗數據的分析與研究

2.1 引起機油變質的元素光譜主要指標

對長城SAE 15W/40柴油機潤滑油未使用過的新油和6臺不同部位出現損壞的發動機大修前采集的再用油組分進行分析，這6臺大修發動機基本涵蓋了常見的發動機損壞部位，比如曲軸拉傷、軸瓦磨損、活塞缸套拉傷，曲軸止推片磨損等（分析數據略）。

硼、鈣、鎂、鉬、磷、硅、鋅為能檢測出數值的元素組分，說明該潤滑油中存在這些元素，這些成分是改善機油性能的添加劑，其他為零元素組分。通過檢測在用油中元素的異常增長，尤其是潤滑油本身不存在的元素就可以分析發動機的磨損規律。通過查找潤滑油磨損元素成分的來源得出表1。

表1 發動機潤滑油磨損元素的來源

機油中存在的鈉主要是因為防凍液內泄混入機油導致的，和磨損無關，也和發動機油的使用時間無關，結合試驗儀器的元素檢測項目，只跟蹤鋁、鉻、銅、鐵、鎳、鋅、鉛、硅、錫這些金屬元素都與發動機磨損的關系，這些元素成分可以作為觀察發動機磨損情況或出現故障的主要指標。

2.2 引起機油變質的紅外光譜主要指標

對長城SAE 15W/40柴油機潤滑油未使用過的新油和6臺發動機機油在使用中發現嚴重變質的6組數據進行紅外光譜測試對比見表2。

表2 新油和變質發動機油紅外光譜分析結果

燃油稀釋是發動機柴油混入機油所致，水分和乙二醇是防凍液混入機油所致，此類故障和發動機油的使用時間并無直接關系，在這里不需要做數據分析。從分析中發現，各種原因導致的機油變質會引起紅外光譜中的氧化、硝化、硫化和積炭指標發生顯著變化，因此，就把這些指標作為紅外光譜儀跟蹤故障車輛發動機油變質情況的主要指標。

2.3 因發動機系統內的其他液體混入引起的機油變質

金屬鈉、水、乙二醇的增加是因防凍液進入機油引起的指標變化，燃油稀釋是柴油進入機油引起的指標變化且這種變化和發動機油的使用時間不一定存在關系，需要單獨分析。只要發現金屬鈉、水、乙二醇、燃油稀釋比新油的檢測指標明顯超出，就可提示出現異常情況。

3 研究正常工作港機發動機油的油質變化規律

選擇車況較好、潤滑油消耗量正常的車輛作為跟蹤車，在機油使用壽命內以一定的時間間隔對跟蹤車的發動機機油及時取樣、分析并記錄數據。通過分析發動機處于正常磨損狀態的油質變化趨勢和機油內各種元素的變化趨勢數據以及紅外光譜和元素光譜分析結果，根據這些發動機油分析結果研究正常工作的發動機機油的油質變化規律。通過數據分析方法制定出機油各主要指標的正常值波動范圍和變化趨勢。

利用監測的數據制作機油使用時間的散點圖，根據散點圖的分布規律，對散點作曲線擬合。曲線擬合是指用連續曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點組所表示的坐標之間的函數關系。在數值分析中，曲線擬合就是用解析表達式逼近離散數據，即離散數據的公式化。理論上，在正常使用過程中，各項觀測指標隨間隔臺時的增加而逐漸升高，且變化速率應較為穩定，即各項指標的值與橫坐標機油使用時間近似成線性關系。通過觀測各項指標-機油使用時間散點分布圖可以看出，實際情況與理論情況較為吻合。由于判斷各項指標是否超標的依據是判定某一時刻該指數是否大于某一數值，因此在擬合過程中只需考慮各指標正常范圍的上界，所以擬合過程適當增加了數值較大的采樣點的權重。綜上所述，在曲線擬合時，選用了線性擬合，擬合函數為y=ax+b（a，b為常數）。求出線性擬合函數后，找出與擬合線具有相同斜率的一根直線y=ax+b（a，b'為常數，且b'>b）作為所有散點的上界線，該上界限經過縱坐標幅值最大的點，并保證幾乎所有的散點都在該上界線之下。

用上述方法找出所有指標或元素值的正常值波動范圍、變化趨勢以及指標或元素值的上限隨機油使用時間變化的一條直線（上界限），每個圖中的方程式即為上界線的方程（散點圖及擬合方程略）。

當發動機處于正常狀態時，任一時刻機油的指標或元素值都應該小于此時刻相應的界限值。當某一時刻機油某一指標或元素值在相應的上界線之上時，表明該發動機可能出現故障。通過天津港五公司多年對油液跟蹤檢測與分析，結合維修技術人員的經驗，認為當某一時刻的機油的指標值在y～1.5y（y為該時刻該指標的界限值）之間時，一般認為該發動機出現異常磨損，應增加機油的采樣跟蹤頻率。當某一時刻的機油的指標值>1.5y時，認為發動機磨損嚴重，應立即停機進行檢修。

4 分析異常發動機并佐證發動機油油質變化規律的可信度

4.1 裝載機WA470實例分析

以裝載機WA470為例，研究異常工作的發動機機油的油質變化情況。對該車的發動機油進行采樣，并用紅外光譜分析儀和元素光譜分析儀測定機油的衰變情況以及機油中的金屬元素的含量。在對該車機油的日常監測中，技術人員發現在2015年2月14日的采樣分析中發現此時機油的指標值異常，此時機油的使用時間為83 h，依據機油的使用時間，求出該時刻各項指標的界限值。此次對機油采樣分析出的各項指標值。指標值與界限值的比值在1～1.5的指標有硝化、鋁元素、硅元素。比值超過1.5的有介電常數、銅元素、錫元素、鉛元素、鋅元素，其中銅元素的含量已大大超過了界限值。技術部立即在生產間隙時間對發動機可能出現故障的部位進行拆解檢修，發現銅質的曲軸止推片出現嚴重磨損，軸瓦出現輕度磨損，見圖1、圖2，驗證了試驗結論。

4.2 裝載機WA380實例分析

以裝載機WA380為例，研究異常工作的發動機機油的油質變化情況。對該車的發動機油進行采樣，并用紅外光譜分析儀和元素光譜分析儀測定機油的衰變情況以及機油中金屬元素的含量。技術人員在2016年2月14日的采樣分析中，發現此時機油的指標值異常，此時機油的使用時間為203 h，依據機油的使用時間，求出該時刻各項指標的界限值。指標值與界限值的比值在1～1.5的指標有氧化、硝化、硫化、錫元素、鋅元素。比值超過1.5的有鋁元素、鐵元素、鎳元素、硅元素，其中鋁元素的含量已大大超過了界限值。技術部立即對該發動機進行拆解發現活塞出現拉傷，活塞環磨損嚴重，見圖3、圖4，由此驗證了試驗結論的可信度。

5 通過發動機油質監測預報發動機修理的最佳時機

（1）當發動機油的光譜元素濃度和紅外光譜指標值在相應的上界線之下時，并且按照一定的速度隨著機油使用時間的增長而規律性變化時，說明發動機的健康狀態良好，此時不必對發動機進行檢修，只需按照計劃時間對機油進行取樣和分析即可。

（2）當某一時刻機油某一指標或元素值在相應的上界線之上時，表明該發動機可能出現故障。根據維修技術人員的經驗，當某一時刻的機油的指標值在y～1.5y（y為該時刻該指標的界限值）之間時，一般認為該發動機出現異常磨損，應增加機油的采樣跟蹤頻率。當某一時刻的機油的指標值>1.5y時，認為發動機磨損嚴重，應立即停機進行檢修。

圖1 止推片出現了嚴重磨損

圖2 軸瓦出現輕度磨損

6 經濟效益

（1）通過紅外光譜和元素光譜的數據對比分析，找出故障港機發動機油異常變化的主要指標。在日常的發動機油監測過程中能根據主要指標的變化情況，查找港機發動機故障，提高了發動機油監測工作的效率和準確性。

（2）利用紅外光譜儀和元素光譜儀對港口流動機械發動機潤滑油進行抽樣檢測，用相應的數據分析方法歸納總結出各主要指標的變化趨勢和正常變化范圍。在得到正常發動機主要指標變化規律后，根據發動機油的檢測結果能快速準確的鎖定故障或有故障隱患的發動機，并通過加強監測頻率和監測手段快速了解發動機的運行情況，避免發動機出現嚴重損壞。

圖3 活塞出現拉傷

圖4 活塞環嚴重磨損

（3）對港機發動機油進行紅外光譜和元素光譜檢測，分析檢測的主要指標，預報發動機修理的最佳時機。掌握了正常運行的港機發動機油主要指標的變化規律，能及時發現運行異常或故障的港機發動機，并通過增加發動機的采樣頻率和采樣主要指標的數據分析，了解發動機的運行狀況，預報發動機的最佳修理時機。在保證發動機滿足使用的條件下，適時安排發動機的維修，維修成本降低并杜絕了重大機損事故的發生。

2015年2月項目開始后，通過發動機油的監測發現6臺發動機出現異常或故障隱患，經過加大跟蹤頻率等方式及時了解到發動機的運行情況，成功預報發動機大修的最佳時機，避免發動機故障擴大帶來的額外損失。