采煤机传动系统油液使用状态及其对应磨屑形态分析*

刘洪涛

(中国矿业大学材料与物理学院 江苏徐州 221116)

煤炭开采工业大力发展高效高产综采机械化技术，采煤机系统的结构越来越复杂。随着煤矿机械化程度的不断提高，采煤机的功率也在不断增大，功率的增大导致采煤机输出扭矩随之增大，对采煤机传动系统的性能要求也更为苛刻，在保证配套设施正常情况下要求采煤机传动系统应具有高效的连续作业能力，采煤机系统运行的安全性、可靠性已经成了决定产量、产值和经济效益的重要环节[1-5]。这就要求采煤机的故障要及时得到查实和排除。传统的采煤机机械故障诊断方法有多种，如振动诊断法、铁谱分析法、噪声诊断法和温度检测诊断法等[6-13]，局限于作业环境等因素影响，这些方法实际应用不多。近年来，采煤机运行状态的在线监测逐渐成为研究重点，其中采煤机油液的在线监测可检测传动系统运行状态，成为采煤机状态监测的一个新的研究方向[14-21]。本文作者采集了多个典型煤矿在运转采煤机传动系统的油样，利用在线颗粒分析系统和扫描电镜等设备，对油样黏度变化、其中的磨屑形态及油液品质与设备运行状态之间的关系进行了研究，期望能为采煤机油液的在线监测提供理论依据。

1 实验方法

采集临沂矿务局及淮北矿务局多个典型煤矿在运转采煤机传动系统的油样，从油样开始使用到报废按平均时长分8次进行提取。用SNB-1数字式黏度计检测不同污染阶段油液的运动黏度，检测标准为GB/T 265；用S-3000扫描电子显微镜检测磨屑形貌，用FBRM在线颗粒分析系统进行磨屑粒度检测。

2 实验结果

2.1 润滑油黏度与润滑油污染程度分级

润滑油黏度是评价润滑油性能的一个重要的物理量，对于采煤机来说，低速重载是其运行特征，对其润滑油黏度的检测是其运行状态监测的必要手段。采煤机润滑油在使用不同时间后的黏度检测结果见图1。结果显示，未使用油液黏度为913.4 mPa·s，报废的润滑油黏度为1 139.5 mPa·s左右。随着使用时间的延长，油液黏度逐渐增加，增加幅度在后半段有所加速，表明油液污染加剧。

图1 润滑油使用不同时间黏度检测结果

依据L-CKC工业闭式齿轮油换油标准(40 ℃检测环境下，运动黏度变化率超过15%为不合格油品)，文中将油品的使用寿命划分为6个阶段(见图2)：未使用期，轻度污染期，次轻度污染期，次重度污染期，重度污染期，报废期。轻度污染期标记为润滑油黏度增加幅度在3.75%内，按照提取未使用油样检测结果，黏度变化在913.4～947.7 mPa·s之间；次轻度污染期标记为润滑油黏度增加幅度在3.75%～7.5%之间，对应黏度值为947.7～981.9 mPa·s之间；次重度污染期标记为润滑油黏度增加幅度在7.5%～11.25%之间，对应黏度值为981.9～1 016.2 mPa·s之间；重度污染期标记为润滑油黏度增加幅度在11.25%～15%之间，对应黏度值为1 016.2～1 050.4 mPa·s之间；报废期标记为润滑油黏度增加幅度大于15%，对应黏度值大于1 050.4 mPa·s。

图2 不同阶段润滑油黏度测试结果

2.2 各个阶段润滑油中磨屑的形态特征

除黏度外，磨损颗粒在润滑油中的存在状态也是标识采煤机运行可靠性的重要方面之一，文中对不同使用阶段采煤机润滑油中磨屑的形态特征进行了研究，从粒度分布规律方面进行了归纳统计。

(1)未使用期。测试表明，采煤机所用重型润滑油由于使用条件恶劣，润滑油添加了大量的添加剂，再加上油品合成、运输过程中外部污染，造成即使是未使用的润滑油，其内部也包括其他的杂质和添加剂颗粒。图3所示为从未使用的润滑油中提取的颗粒。经过统计，未使用润滑油中存在的非磨屑颗粒最大尺寸为10 μm左右，大部分在5 μm以下。在未来制定油液质量评价标准中，如何消除这方面的误差是一个值得研究的事情。

图3 未使用润滑油中提取的颗粒特征

(2)轻度污染期。随着磨损时间的延长，油液中逐渐出现粒径较大的磨屑，其颗粒特征见图4。磨粒粒径主要集中在0.5～30 μm，磨粒粒径小于10 μm的含量，为80%；磨粒粒径平均尺寸为12 μm，粒径在10～30 μm之间的磨粒含量约为20%。

图4 轻度污染期润滑油中提取的颗粒特征

(3)次轻度污染期。该时期油液中磨粒粒径主要集中在0.5～50 μm，粒径大于50 μm时含量几乎为0，粒径小于10 μm的磨屑含量约为70%，粒径在10～50 μm的磨粒含量为30%。磨粒粒径平均尺寸约为15 μm，偶见个别尺寸在30～50 μm磨屑，其颗粒特征见图5。

图5 次轻度污染期润滑油中提取的颗粒特征

(4)次重度污染期。该时期油液中磨粒粒径主要集中在0.5～50 μm，粒径小于10 μm的磨粒含量约为48%，粒径在10～50 μm的磨粒含量约为52%。磨粒粒径平均尺寸为22 μm，可见个别50～70 μm的磨屑，其颗粒特征见图6。

图6 次重度污染期润滑油中提取的颗粒特征

(5)重度污染期。该时期油液中磨粒粒径主要集中在0.5～70 μm，粒径小于10 μm的磨粒含量约为35%，粒径在10～70 μm的磨粒含量约为65%。磨粒粒径平均尺寸为28 μm，可见个别尺度大于70 μm的磨屑，其颗粒特征见图7。

图7 重度污染期润滑油中提取的颗粒特征

(6)报废期。该时期油液中磨粒粒径主要集中在0.5～70 μm，粒径小于10 μm的磨粒含量约为30%，粒径在10～70 μm的磨粒含量约为65%。磨粒粒径平均尺寸大于30 μm，多见尺度大于70 μm的磨屑，其颗粒特征见图8。

图8 报废期润滑油中提取的颗粒特征

对不同使用阶段采煤机润滑油中磨屑的形态特征进行总结，见表1。研究表明：未使用期的润滑油存在颗粒，颗粒粒度在5 μm以下，当采用颗粒计数作为油液污染程度评价手段时，要注意油液自身的颗粒背景问题；在进行采煤机传动系统油液磨屑监测参数设定时，要注意几个磨屑粒径节点：30，50和70 μm。当油液中磨屑粒度小于30 μm时，采煤机处于正常运转阶段；当油液中磨屑粒度大部分位于30～50 μm时，采煤机处于正常运转阶段，但需注意补充一定量新润滑油；当油液中出现50～70 μm的磨屑时，可考虑进行润滑油的更换和传动系统检修；当油液中出现大于70 μm的磨屑时，可开展传动系统大修。

表1 不同使用阶段采煤机润滑油中磨屑的形态特征

3 结论

对采煤机不同使用阶段的油液黏度和其中磨屑的形态进行分析，根据L-CKC工业闭式齿轮油换油标准划分了润滑油污染阶段分级，得到主要结论如下：

(1)依据L-CKC工业闭式齿轮油换油标准，将采煤机传动系统润滑油的使用寿命划分为6个阶段：未使用期，轻度污染期，次轻度污染期，次重度污染期，重度污染期，报废期。

(2)对未使用的采煤机油液中颗粒形态进行了研究，发现即使未使用的润滑油中也存在颗粒，颗粒粒度在5 μm以下，将对润滑油评判标准产生影响。

(3)在进行采煤机传动系统油液磨屑监测参数设定时，要注意几个磨屑粒径节点：30，50和70 μm。当油液中磨屑粒度小于30 μm时，采煤机正常运转阶段；当油液中磨屑粒度大部分位于30～50 μm时，可采煤机处于正常运转阶段，但需注意补充一定量新润滑油；当油液中出现50～70 μm的磨屑时，可考虑进行润滑油的更换和传动系统检修；当油液中出现大于70 μm的磨屑时，可开展传动系统大修。

上述结果将对提高采煤机状态监测结果准确度提供数据支持，为采煤机油液的在线监测系统的研发提供基础理论。