基于油液监测预报的发动机最佳维修时机研究

张 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发动机机润滑油衰变研究，推行对发动机润滑油的按质更换和定期检测等。20世纪90年代中期与中国人民解放军油料研究所共同对港口机械油品衰变进行了研究，提出发动机简易监测法和报废标准的各项指标。天津港五公司成立了集团公司第一家现代化的油液监测室，主要服务于各种润滑油的化验分析和基于油液监测的设备故障诊断。

1 研究方法

试验油品是由长城高级润滑油公司生产的API SH级SAE 15W/40柴油机润滑油。公司现有主力车型每种车型选择2台车况较好、润滑油消耗量正常的车辆作为跟踪车，如QLY25吊车，PC200挖掘机，980G装载机和WA470装载机。发动机分别为Volvo TAD720VE，SAA6D107E-1，CAT3406 以及 SA6D125E-5。运行台时（5972～55 396）h。跟踪车需具有一定的贮备里程，运行过程中及时采样及时分析，保证机车的正常润滑，发现机油有异常变化及时中止实验。

对现异常磨损的车辆的发动机可增加采样密度，按试验项目方法进行化验分析，并对其解体情况留存照片和解体测量尺寸（至少有开口间隙和缸壁间隙）。公司所有港机发动机换油时采集有样并检测元素光谱和红外光谱及其他主要指标变化情况，采集油样试验分析发现明显异常可增加采样密度或降低换油间隔确保发动机润滑良好。

试验车在热车情况下，放净再用油，清洗发动机，更换机油滤清器，将新油加入试验油至标准。取样前，发动机为热车状态，温度（70～80）℃，机车运行（5～10）min，停车后，从油底壳中部抽取油样。

跟踪车取样台时为0（机车运行10 min），100 h和250 h取样，然后根据车况在（50～100）h采样，每次采样量≥100 mL。当机车油样分析出现异常时，要缩短取样周期，采取处理措施。较差发动机在每个换油周期内取样1～2次，换油时必取，异常车辆发动机大修前必留油样，其他发动机换油时必取油样。

发动机油更换控制指标参考GB/T 7607—2010，采用NI-2B分析仪检测。试验项目是元素光谱，即测试在用油中的Fe，Cu，AI，Cr，Si，Pb 等金属成分变化，用红外光谱分析在用油中的油质氧化、硝化、硫化、燃油稀释、积炭及添加济消耗情况。

2 实验数据的分析与研究

2.1 引起机油变质的元素光谱主要指标

对长城SAE 15W/40柴油机润滑油未使用过的新油和6台不同部位出现损坏的发动机大修前采集的再用油组分进行分析，这6台大修发动机基本涵盖了常见的发动机损坏部位，比如曲轴拉伤、轴瓦磨损、活塞缸套拉伤，曲轴止推片磨损等（分析数据略）。

硼、钙、镁、钼、磷、硅、锌为能检测出数值的元素组分，说明该润滑油中存在这些元素，这些成分是改善机油性能的添加剂，其他为零元素组分。通过检测在用油中元素的异常增长，尤其是润滑油本身不存在的元素就可以分析发动机的磨损规律。通过查找润滑油磨损元素成分的来源得出表1。

表1 发动机润滑油磨损元素的来源

机油中存在的钠主要是因为防冻液内泄混入机油导致的，和磨损无关，也和发动机油的使用时间无关，结合试验仪器的元素检测项目，只跟踪铝、铬、铜、铁、镍、锌、铅、硅、锡这些金属元素都与发动机磨损的关系，这些元素成分可以作为观察发动机磨损情况或出现故障的主要指标。

2.2 引起机油变质的红外光谱主要指标

对长城SAE 15W/40柴油机润滑油未使用过的新油和6台发动机机油在使用中发现严重变质的6组数据进行红外光谱测试对比见表2。

表2 新油和变质发动机油红外光谱分析结果

燃油稀释是发动机柴油混入机油所致，水分和乙二醇是防冻液混入机油所致，此类故障和发动机油的使用时间并无直接关系，在这里不需要做数据分析。从分析中发现，各种原因导致的机油变质会引起红外光谱中的氧化、硝化、硫化和积炭指标发生显著变化，因此，就把这些指标作为红外光谱仪跟踪故障车辆发动机油变质情况的主要指标。

2.3 因发动机系统内的其他液体混入引起的机油变质

金属钠、水、乙二醇的增加是因防冻液进入机油引起的指标变化，燃油稀释是柴油进入机油引起的指标变化且这种变化和发动机油的使用时间不一定存在关系，需要单独分析。只要发现金属钠、水、乙二醇、燃油稀释比新油的检测指标明显超出，就可提示出现异常情况。

3 研究正常工作港机发动机油的油质变化规律

选择车况较好、润滑油消耗量正常的车辆作为跟踪车，在机油使用寿命内以一定的时间间隔对跟踪车的发动机机油及时取样、分析并记录数据。通过分析发动机处于正常磨损状态的油质变化趋势和机油内各种元素的变化趋势数据以及红外光谱和元素光谱分析结果，根据这些发动机油分析结果研究正常工作的发动机机油的油质变化规律。通过数据分析方法制定出机油各主要指标的正常值波动范围和变化趋势。

利用监测的数据制作机油使用时间的散点图，根据散点图的分布规律，对散点作曲线拟合。曲线拟合是指用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系。在数值分析中，曲线拟合就是用解析表达式逼近离散数据，即离散数据的公式化。理论上，在正常使用过程中，各项观测指标随间隔台时的增加而逐渐升高，且变化速率应较为稳定，即各项指标的值与横坐标机油使用时间近似成线性关系。通过观测各项指标-机油使用时间散点分布图可以看出，实际情况与理论情况较为吻合。由于判断各项指标是否超标的依据是判定某一时刻该指数是否大于某一数值，因此在拟合过程中只需考虑各指标正常范围的上界，所以拟合过程适当增加了数值较大的采样点的权重。综上所述，在曲线拟合时，选用了线性拟合，拟合函数为y=ax+b（a，b为常数）。求出线性拟合函数后，找出与拟合线具有相同斜率的一根直线y=ax+b（a，b'为常数，且b'>b）作为所有散点的上界线，该上界限经过纵坐标幅值最大的点，并保证几乎所有的散点都在该上界线之下。

用上述方法找出所有指标或元素值的正常值波动范围、变化趋势以及指标或元素值的上限随机油使用时间变化的一条直线（上界限），每个图中的方程式即为上界线的方程（散点图及拟合方程略）。

当发动机处于正常状态时，任一时刻机油的指标或元素值都应该小于此时刻相应的界限值。当某一时刻机油某一指标或元素值在相应的上界线之上时，表明该发动机可能出现故障。通过天津港五公司多年对油液跟踪检测与分析，结合维修技术人员的经验，认为当某一时刻的机油的指标值在y～1.5y（y为该时刻该指标的界限值）之间时，一般认为该发动机出现异常磨损，应增加机油的采样跟踪频率。当某一时刻的机油的指标值>1.5y时，认为发动机磨损严重，应立即停机进行检修。

4 分析异常发动机并佐证发动机油油质变化规律的可信度

4.1 装载机WA470实例分析

以装载机WA470为例，研究异常工作的发动机机油的油质变化情况。对该车的发动机油进行采样，并用红外光谱分析仪和元素光谱分析仪测定机油的衰变情况以及机油中的金属元素的含量。在对该车机油的日常监测中，技术人员发现在2015年2月14日的采样分析中发现此时机油的指标值异常，此时机油的使用时间为83 h，依据机油的使用时间，求出该时刻各项指标的界限值。此次对机油采样分析出的各项指标值。指标值与界限值的比值在1～1.5的指标有硝化、铝元素、硅元素。比值超过1.5的有介电常数、铜元素、锡元素、铅元素、锌元素，其中铜元素的含量已大大超过了界限值。技术部立即在生产间隙时间对发动机可能出现故障的部位进行拆解检修，发现铜质的曲轴止推片出现严重磨损，轴瓦出现轻度磨损，见图1、图2，验证了试验结论。

4.2 装载机WA380实例分析

以装载机WA380为例，研究异常工作的发动机机油的油质变化情况。对该车的发动机油进行采样，并用红外光谱分析仪和元素光谱分析仪测定机油的衰变情况以及机油中金属元素的含量。技术人员在2016年2月14日的采样分析中，发现此时机油的指标值异常，此时机油的使用时间为203 h，依据机油的使用时间，求出该时刻各项指标的界限值。指标值与界限值的比值在1～1.5的指标有氧化、硝化、硫化、锡元素、锌元素。比值超过1.5的有铝元素、铁元素、镍元素、硅元素，其中铝元素的含量已大大超过了界限值。技术部立即对该发动机进行拆解发现活塞出现拉伤，活塞环磨损严重，见图3、图4，由此验证了试验结论的可信度。

5 通过发动机油质监测预报发动机修理的最佳时机

（1）当发动机油的光谱元素浓度和红外光谱指标值在相应的上界线之下时，并且按照一定的速度随着机油使用时间的增长而规律性变化时，说明发动机的健康状态良好，此时不必对发动机进行检修，只需按照计划时间对机油进行取样和分析即可。

（2）当某一时刻机油某一指标或元素值在相应的上界线之上时，表明该发动机可能出现故障。根据维修技术人员的经验，当某一时刻的机油的指标值在y～1.5y（y为该时刻该指标的界限值）之间时，一般认为该发动机出现异常磨损，应增加机油的采样跟踪频率。当某一时刻的机油的指标值>1.5y时，认为发动机磨损严重，应立即停机进行检修。

图1 止推片出现了严重磨损

图2 轴瓦出现轻度磨损

6 经济效益

（1）通过红外光谱和元素光谱的数据对比分析，找出故障港机发动机油异常变化的主要指标。在日常的发动机油监测过程中能根据主要指标的变化情况，查找港机发动机故障，提高了发动机油监测工作的效率和准确性。

（2）利用红外光谱仪和元素光谱仪对港口流动机械发动机润滑油进行抽样检测，用相应的数据分析方法归纳总结出各主要指标的变化趋势和正常变化范围。在得到正常发动机主要指标变化规律后，根据发动机油的检测结果能快速准确的锁定故障或有故障隐患的发动机，并通过加强监测频率和监测手段快速了解发动机的运行情况，避免发动机出现严重损坏。

图3 活塞出现拉伤

图4 活塞环严重磨损

（3）对港机发动机油进行红外光谱和元素光谱检测，分析检测的主要指标，预报发动机修理的最佳时机。掌握了正常运行的港机发动机油主要指标的变化规律，能及时发现运行异常或故障的港机发动机，并通过增加发动机的采样频率和采样主要指标的数据分析，了解发动机的运行状况，预报发动机的最佳修理时机。在保证发动机满足使用的条件下，适时安排发动机的维修，维修成本降低并杜绝了重大机损事故的发生。

2015年2月项目开始后，通过发动机油的监测发现6台发动机出现异常或故障隐患，经过加大跟踪频率等方式及时了解到发动机的运行情况，成功预报发动机大修的最佳时机，避免发动机故障扩大带来的额外损失。