田少民：油液监测在工程机械状态监测的应用
演讲主题：油液监测在工程机械状态监测中的应用
主讲嘉宾：四川交通职业技术学院教授 黄先琪 成都小松工程机械检测技术研究所 田少民
成都小松工程机械检测技术研究所 田少民
油液监测在工程机械状态监测中的应用在预防维修与主动维修中，通过对润滑油、液压油中不同化学成分的磨损颗粒浓度的测定，可检测机械发生故障的部位，对其浓度变化趋势的分析，可预测故障发生的时刻，通过对油中磨损大颗粒形貌特征的比对分析，可推断零件表面的磨损类型和磨损程度；通过对液压油中固体颗粒的粒子计数，可评定液压油的污染度等级，提高液压元件使用的可靠性；通过对润滑油本身劣化和污染的监测，可降低机械的故障率。
介绍几种适合状态监测的油液测试仪器。
图1 全谱直读型ICP发射光谱仪
图1为Optima 5300DV型电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）的原理图，仪器由进样系统、射频发生器、分光系统、检测器和软件五部分组成。
油样由微机控制的蠕动泵送入同心的雾化器，在旋流雾化室氩气雾化后喷射到等离子炬管。雾化器的流量由高精度质量流量计进行控制。进样系统处于恒温系统，以确定稳定的雾化频率。
油样在石英制的炬管内成为等离子体，频率40.68MHZ的自激振荡器产生的能量传递到等离子体，使点火更容易。
等离子体火焰使油液中所含金属和非金属元素发射各自特定波长的光线，经过二维色散系统分光，由分段式电荷耦合检测器（SCD），测定光谱线的强度，就可测定该光素的含量。
5300DV型光谱仪，采用多个CPU独立控制仪器各部，大规模集成电路和模块化的设计，使仪器可靠性很高。整套仪器只有一个电源开关，所有功能均由计算机自动控制，包括观测方向和高度选择、气流控制、RF功率调节，故障诊断等。全中文操作软件，支持生成测试报告的功能。
ICP-OES采用化学分析的方法测定，油中Fe、Cu、Al、Cr、Mo、Zn、Sn、Pb等金属元素的含量，Si、Ca等非金属元素的含量。根据润滑油、液压油中机件磨损粉末或外界杂质的浓度变化，可以预测故障发生的时刻和判断故障发生的部位，这种通过油液进行磨损分析的技术，在卡特彼勒公司称为SOS，在小松公司叫做KOWA。
以PC400-6挖掘机为例，发动机油中Fe浓度45ppm为正常；在45-95ppm之间应引起注ac意，表明缸套或时规齿轮，凸轮轴挺杆磨损加剧。终传动齿轮油中Al浓度30
图2 机油中Si、Al含量变化趋势图
图3是YTF-6型双联铁谱仪，它是将直读式铁谱仪和分析式铁谱仪组合在一起使用的。直读式铁谱仪作为筛选油样的装置，当其读数表明磨损已超限时，才制作谱片进行铁谱分析。分析式铁谱仪包括制谱仪、双光路显微镜及光密度读数器三部分。利用计算机进行图像数据的采集与处理，由FITS软件完成图像编辑、对比判断及检测报告。
图3 双联式分析铁谱仪
在磨损故障分析中，光谱分析常与铁谱分析综合使用，这是因为铁谱分析有以下特点：
1.铁谱仪检测的颗粒尺寸范围为1～250μm。而光谱仪对颗粒的敏感尺寸<10μm。实际上，油液中磨损颗粒尺寸范围很大，以柴油机油为例，典型磨损的颗粒尺寸是10～15μm，严重磨损的颗粒尺寸则在50μm以上。
2.铁谱仪适于检测污染严重的油样，可分析磨粒的成分，如黑色、有色及含金类金属，岩尘、砂粒、煤灰及氧化物等非金属，以此判断异常磨损的部位。
3.可直接观察油样中沉积磨粒的形貌、大小及特征，掌握摩擦副表面磨损形态，确定磨损类型（摩擦磨损、跑合磨损、切削磨损、疲劳剥落、滑动磨损、腐蚀磨损、严重氧化等），进而分析剧烈磨损的起因（边界润滑、磨粒污染、疲劳、过载、超速、过热、缺油、油质劣化等）。
4.取样不方便、实验过程较长，铁谱图像分析还受到检查人员经验的影响。
5.对非铁磁磨损颗粒的检测与非磨损故障的监测受到限制。
图4为PODS型便携式油污染度测试仪。
图4 PODS粒子计数器
PODS仪器的检测原理如下：激光二极管（光源）发射的平行光束，经过传感通道射向光电管。当油样流过传感区时，如油中有污染粒子存在，光线被遮闭，光通量减少，这种激光光阻的变化与污染粒子的投影面积成正比。作为检测元件的光电管将因光阻的改变而输出一个正比于粒子大小的电压脉冲，一次脉冲即记录一个粒子，同时将此脉冲的幅值与计算机中预先存储的阈值电平相比较，便可测出粒子的等效尺寸。
PODS仪器既可在线取样也可用瓶取样，内置打印机，可与计算机相连。使用自动粒子计数器所报告的油液污染等级由三个代码组成。根据GB/T14039——2002（对应ISO4406：1999），按每毫升油液中大于粒径（4/6/14μm(c)）的粒子个数来确定代码，代码每增加一级，颗粒数约增加一倍。（c）表示自动粒子计数仪测得的尺寸由颗粒的投影面积换算而得的等效尺寸。例如，代号22/18/13表示在每毫升油液中，≥4μm（c）的颗粒数在20000～40000之间，≥6μm（c）的颗粒数在1300～2500之间，≥14μm（c）的颗粒数在40～80之间，参看图5。
不同粒径尺寸的颗粒对液压对液压元件的影响不同：≥4μm会引起淤积堵塞，造成滑阀液压卡紧，＞6μm为正常磨损，＞14μm引起严重磨损。对于挖掘机等要求较高可靠性的高压系统（高压柱塞泵、比例阀，高压液压阀）液压油污染度等级推荐为16/16/13,对于一般行走液压机械等中压系统（齿轮泵、常规液压阀）污染度等级推荐为16/18/15.
PODS仪器在测试污染度的同时还能测定油液的粘度，粘度范围在10～434厘斯。
图5 污染度等级代号的图示
利用上述三种仪器检查油中磨损颗粒及非金属杂质，监测机件的磨损状况，有助于设备的主动维修，还有一种仪器可以直接监测油液的状况，是重要大型设备预防维修不可或缺的技术手段。
图6为PAL型便携式傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）。与传统的FTIR不同，无需用清洗剂处理油样，采用了抗震傅里叶干涉仪，不再苛求严格的使用环境，仪器操作简便，软件界面更好，2分钟即可完成一次测试。
图6 PAL型便携式FTIR
测试时只需将少量油样涂抹在仪器透射池的下钻石上。用红外光照射油样，油液中分子键的振动频率与红外光频率相同，这个键就吸收该频率的红外数。连续改变透射的红外光频率，根据油样吸收不同频率红外光的峰值强度，就可分析油中物质的成分。内置的触摸屏上可直接显示检测结果，判断的上下限，并给出换油与否的建议。
PAL红外光谱仪的测试参数如下：
1.油品的氧化变质
受温度、压力等影响，油类中的烃类组分与氧发生的化学反应会加速，生成多种有机氧化物。由于有机氧化物在红外光谱上具有不明显的特征峰，FTIR监测氧化引起的油液衰化很有效，PAL仪可直接显示油品氧化（Oxidation）的程度（%）。
2.油品的硝化
硝化是在高温缺氧的条件下，油液产生的凝聚过程。碳化使油的粘度增高，生成油泥与漆皮。当柴油机过热，机油直接与灼热的活塞和缸套接触，导致机油硝化。当液压油中游离的空气含量增加，在柱塞泵的高压区气泡受到绝热压缩 ，也会引起液压油硝化。PAL仪可直接显示油品硝化（Nitration）的程度（%）。
3.油品的硫酸化
油液在使用中氧化产生的原生或次生氧化物导致油液酸值增加，尤其是使用含硫量高的柴油，会在机油中生成so2、so3,遇冷生成腐蚀性强的硫酸。在无铟镀层的铜铅合金轴瓦上，总酸值（TAN）大于8，就能溶解铅，使铅析出而腐蚀成孔穴。PAL仪可测出机油硫酸化的程度。
4.油品总碱值
发动机油均呈碱性，对于专用机油，当总碱值下降到一定程度后，表明油中碱性的清净分散添加剂消耗过多，劣化的机油就不能再用了。PAL仪可测出总碱值（TBN），TBN值的单位以当量KOH的毫克数表示。
5.抗氧化添加剂的损耗
新油在调制过程中加入了多种添加剂。在使用过程中由于蒸发、泄漏、过滤、水解等作用而逐渐损耗，油液的许多性能下降。PAL仪可直接显示酚醛抗氧化剂（Phenolic Antioxidant）与胺醛抗氧化剂（Aminic Antioxidant）等的损耗程度（%）。
6.水分污染
油液中存在乳化水和溶解水后很难分离，水会破坏油膜，加速有机酸对金属的腐蚀，在油品中产生锈蚀残渣；使金属盐类添加剂水解，产生沉淀堵塞油路；在低温时，由于接近水分的冰点而使油液的粘温特性降低；在高温时，因水气化还会产生气阻。
液压油中含水量还对自动颗粒计数器测试污染度的准确度造成很大影响。利用PAL仪可直接测量油中水分，测量下限可达到50ppm。
7.防冻液污染
柴油机冷却系统中常加入防冻液，长效防冻液多为乙二醇水溶液。如果防冻液泄漏混入机油中，防冻液在油中发生氧化，形成淤渣或胶状的树脂，使添加剂失去作用。乙二醇造成的磨损是水分引起磨损的10倍，危害极大。PAL仪便可直接检测乙二醇的体积浓度。
8.积碳污染
油中积碳是一种硬性杂质，会造成摩擦副严重磨损。现代柴油机由于采用废气再循环（EGR）,在用机油中烟炱（积碳）含量更要严加控制。PAL仪可测出积碳污染程度。
9.燃油污染
柴油泄漏混入机油后，会稀释润滑油，柴油，润滑油都是烃类化合物，但在炼制过程中，柴油是在400℃以下的常压蒸馏分离出的轻质组分，与在减压蒸馏中分馏的润滑油的烃类结构和分子量不同，用PAL仪可以检测出混入的柴油含量。
不同于油品一般理化程度的检测，以上介绍的四种仪器，对在用油监测十分有效，由于购置成本较高，可面向多种行业的机械设备，开展区域性的社会服务。
油液在使用过程中，一方面因添加剂损耗引起氧化、硝化、粘度增加、总碱值下降等油品衰化变质的倾向，另一方面会因水分进入，防冻液泄漏进入机油、积碳等外部污染使油液污染变质。利用PAL仪无需逐一进行单项理化指标的测定，可以迅速定量判断油液的状况，提高了机械状态监测的时效性。
四川交通职业技术学院教授 黄先琪
成都小松工程机械检测技术研究所 田少民
责任编辑：Amanda
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