润滑油磨粒在线检测系统的设计与实现

刘小琴，胡 桃，张 焰，刘 鹏，刘 琴

（1.重庆市科学技术研究院，重庆 400020；2.重庆市重科理化计量中心有限公司，重庆 400020）

1 润滑油对机械设备运行的影响

在电机、油泵等设备的运行过程中，润滑油的作用是非常重要的。润滑油在长期运行下，会受到温度、空气、金属催化、机械剪切等有害介质的影响，导致基础油氧化、裂化、聚合等一系列化学反应，造成润滑油的消耗和失效，同时，也会产生一些对设备不利的部件，造成设备相关部件的老化和退化。此时必须更换润滑油，保证设备正常运行。一般来说，润滑油的降解产物主要是乙烯烃氧化物质，以及醛、酮、醇、有机含氧酸等。在这些不同的反应中，会不同程度地发生分解和聚合现象，产生活性的、不稳定的烃类过氧化物，进而对设备金属造成严重的损坏，尤其是会导致特殊磨损、故障。润滑油除了会产生氧化变质之外，在不同的温度影响下还会产生不同沉积物质，进而使设备发生各种类型的故障问题。

2 润滑油磨粒在线检测系统技术的不足

2.1 缺乏对诊断与预测的清晰认识，及时性不足

润滑油磨粒只能用来预测设备的故障。很多时候，通过频谱或铁谱分析进行故障预测，但发现机器拆机后出现了不同程度的故障，如拉缸、断齿等。事实上，许多铁谱分析工作未能有效地预测故障。大多数时候，只能根据分析润滑油磨粒来进行存在故障的推测，从而避免故障的扩大。

2.2 检查工作的针对性和准确性不够

许多故障分析工作是先进行铁谱或光谱检查，然后对发现的问题进行油的理化分析，然后排除原因。例如，先对空压机油样进行铁谱检测，发现有磨粒氧化后再对油样进行分析。解决含水量过高的问题后，就会恢复正常。如果先进行油水分析，工作量会极大减少，同时进行故障预测和预警。检测涡轮涡旋杆箱润滑油中的机械杂质后，进行光谱测试。之后发现铁、铜、硅的含量超标，进行了铁谱试验，发现有异常。此时，对涡轮进行拆卸检查，发现涡轮磨损严重。其实是石油机械中的杂质含量超标，或者是光谱中的铁含量超标，可以作为拆检的依据，不需要进行后续的检测工作。冷却水的泄漏会导致机械故障。采采用理化方法进行油水含量分析即可在较快时间内准确获得冷却系统泄漏的结论，而不需要进行光谱、铁谱检测。

3 润滑油磨粒在线检测系统技术分析

3.1 润滑油磨粒在线监测传感器技术

润滑油磨粒的在线监测技术需要在工作过程中进行，即在设备上应用润滑油时，产生的数据信息更加直观，为相关工作人员的工作提供了便利。监测技术为其提供了预警、提示。也就是说在设备上安装监测传感器对其工作进行监测，以监测其工作。如果发现问题，在线检测技术对其进行报警，并提示相关人员此时设备的状态。金属摩擦后产生的颗粒具有一定的特性，因其具有铁磁性所以它算是在线监测传感器比较成功的一种技术。它在工作过程中通过设备油液流动，使设备油穿过传感器有磁场的部分。如果在此过程中出现金属颗粒，该技术可以对其进行干扰，改变检测区域和磁力线的情况，让检测区域内的情况与磁力线之间发生改变，通过此过程检测润滑油磨粒的数量，润滑油会受到不可抗力因素的影响，包括一些颗粒和气泡。此类技术的目的是将润滑油金属磨粒与油液进行分离，这也是传感器技术的目的。

国外有很多具备此类功能的传感器。美国、加拿大和英国是能够开发这种传感器的国家。TechAlert TM10型传感器在给检测人员提供数据时，可以通过机器对其磨粒的分布和数据进行展示，方便相关人员分析工作。在此过程中还可以消除水泡，并且通过消除水泡减少报警错误的发生。这种类型的传感器可以监测铁颗粒和非铁颗粒，并根据两者之间的空隙进行判断，让相关工作人员更好地区分工作，并根据安装需要将远程传感器与润滑系统连接。

MetalSCAN 磨粒传感器的主要检测内容是非铁磁颗粒。非铁磁粒子需要与铁磁粒子反应才能区分两者的不同。相关人员在检测过程中也可以通过振幅来确定粒径。同时，振幅也可以反映出颗粒的类型，并通过后续的信号含量来检测颗粒的大小。这种类型的远程传感器可以监测金属颗粒在100 μm 以上的范围，和非金属250 μm 以上的范围，这种传感器的最大特点是就是通过一系列的研究可以分析出各个颗粒的尺寸范围在什么区间内，也可以通过相关技术分析颗粒的质量，并通过数据分析确定整体趋势。在安装此类传感器时，需要将油路与传感器设备直接进行连接，连接部位在油路上。这种传感器可以同时监测金属颗粒和非金属颗粒，监测范围为40～135 μm，传感器提供的数据是检测设备使用寿命的重要手段。以上2种传感器均可进入军事领域，且这2种传感器具有一定的特点：灵敏度高、可靠性强、快速检测能力强，可及时了解故障信息的内容，提前上报故障信息。近年来，随着我国科学技术的不断提高，相关行业的工作人员结合先进的科学技术和先进的思想来提高自身的技术，特别是在线传感器的研究工作。他们在这项工作中也取得了新的突破，并且研发出了一种基于石英晶体微天平（QCM）技术的磨粒量监测传感器，并且自身具有一定的特点，主要特点是现行响应灵敏度高。通过一系列的研究，这种传感器已经进入了商业领域。

3.2 油液水分在线监测传感器技术

油液水分指的是润滑油中水分含量的多少，润滑油中的水分会加速氧化速度，水分的存在可以直接降低润滑油的黏度，也会增加润滑油中油泥的形成，对于金属的腐蚀也起到了促进作用，因此，这也是降低润滑和绝缘效果的关键因素。经过一系列的实验研究，研究人员发现，如果润滑油中的水分含量继续增加，润滑油的耐磨性将继续下降。当含水率继续增加到11%，耐磨性的下降速度也会加快，润滑油本身的性能几乎会丧失。

因此，相关工作人员必须注意监测润滑油中的水分含量。含水率的高低直接决定了后期工作的顺利进行，对含水率的监测还可以降低设备发生故障的概率，也有利于预警。因此，必须注意监测润滑油中的水分含量。含水率的高低直接决定了后期工作的顺利进行，对含水率的监测还可以降低设备发生故障的概率，也有利于预警。因此，相关人员一定要注意这项工作，才能使设备发挥实质性作用。

4 润滑油磨粒在线检测系统的应用

4.1 光谱和铁谱测试方法

正常情况下，光谱检测得到的润滑油磨粒浓度与铁谱检测得到的磨粒浓度相似。通过对发动机、液压系统和变速箱油样数据的分析，得出正常磨损过程中，大磨粒和小磨粒产生变化的速率比相对稳定，在测量磨粒浓度的过程中，只需要检测其中一种。但在选择油样时，应选择油样均匀、操作简单、定量简单的光谱法。在大多情况下不必二者都做，只做一种就可以。当然，油样品均匀、操作简单、容易定量的光谱法是首选。此外，铁谱学与光谱预测之间也存在不一致，主要是由于仪器性能的限制和采样代表性不足造成的。同时，也说明了故障的复杂性。换句话说，不同的磨粒分析仪器对于不同方面的磨粒检测得到的结果各不相同。

4.2 不同故障范围、频率的化验诊断

（1）必做项目，如果黏度、酸/碱值、水分、机械杂质、不溶性物质，闪点和其他润滑油理化指标的变化，这意味着润滑油降解，在一定程度后即会引起设备故障，而且还反映设备的运行状态。例如泄漏，必须立即处理，以避免更大的故障。因此，如果指标超标，必须立即停机检查，排除故障，更换润滑油。这种工程检测仪器操作简单方便，成本低。同时，它具有规范的运算和分析方法，可获得清晰、通用的数值结果。

（2）关键项目。较之必做项目的检测频率较低，在油降解后期，或者是污染物量接近、达到警告值时的频率变大。主要是采用发射光谱、红外光谱等方法进行检测，主要实现对故障发生前期后果，应进行及时检测。此类项目检测在操作上较为简便，可以获得定量分析的数据，但是在实际应用上受限于较为昂贵的设备价格，所以应用并不十分普遍。

（3）选做项目。主要是必要项目和关键项目的检测结果接近预警值，或明确需要进行检测时的相关检测（铁谱学）。它可以更清晰地识别故障问题和磨损性质。机器可以不停机拆机的情况，通过铁谱测试可以更深入地了解设备的磨损情况。可以看出，用光谱法测定的相关金属浓度达到一定值后，需要进行铁谱测试。同时，抗泡、抗乳化、抗氧化等润滑油性能指标是常见且必要的项目。

（4）观察项目。油压异常和润滑油耗油量异常通常是设备故障的标志。润滑油的常规理化分析是十分必要的，这是跟踪高质量变化、比较参考值、判断润滑油质量、及时更换质量差或型号错的润滑油的基础。观察方的应用成本低，可以直观地获得相应的数据，应用更加普遍。

5 润滑油磨粒在线检测系统技术未来发展

在现实设备使用过程中，设备故障诊断是机械行业的范畴，润滑油监测是石油行业的范畴，按照过去大而全、小而全的传统模式，我国的大型机械行业公司都建立了自己的油液实验室，是为自助式，其存在问题有：项目不全、仪器利用率低、人员素质难保证，因而很难完成有效的诊断任务。目前国外比较流行的是独立实验室，一般是跨国联锁的，旨在为各个行业提供实验室服务。

这种模式工作效率高，人员素质均衡，数据可靠，具有仲裁功能，是一种先进的模式。油液检测人员通过油液化验和监测提出故障诊断意见后，不能负责对设备进行故障排除。通过润滑油诊断故障的人既要了解此设备结构，又要具备润滑油知识，还要知道此设备近况，牵扯到机械、油化学和设备管理三行业，要有多行业知识或由这三方面的人在一起综合起来才能确诊。因此由润滑油监测结果得出的仅是从油的变化推测的意见，需其他方法互补，才能更为准确。

与其他机械方法相比，润滑油磨粒方法也有缺点，它需要专门的实验室，不能实现在线监测。因此，近年来开发了许多快速、简单的现场润滑油测量方法，可以快速了解现场的润滑油状况。同时，研究了传感器式测量方法，可以观察仪表板上油液的变化，实现在线监测。近年来，该领域也出现了一些专家系统，有助于诊断。目前，故障诊断是机械行业的一个课题。员工有丰富的机械知识，但缺乏润滑油磨粒知识。因此，在使用油类进行诊断时，往往将润滑油磨粒视为与设备故障无关的而仅是磨料携带介质，把注意力集中在对磨粒的分析中。

6 结束语

润滑油磨粒在线检测技术可以监测故障的原因和后果。与机械法相比，它具有更多的优点。它们可以相互结合，效果更好。从事设备管理或润滑油故障诊断的技术人员不仅要有丰富的机械知识，还要有一定的润滑油知识。设备故障的原因是复杂多样的，并且是相互影响的，因此对故障诊断的全面性要求很高。从润滑油检测出发的设备故障诊断方法也是一个综合系统。对此，相关设备运行、维护和检修人员必须充分了解润滑油检查与设备故障诊断的密切关系，了解目前应用中存在的主要问题，进而采用合适的方式、方法提高润滑油油质情况检测，实现对设备故障的有效诊断。