油液分析技术的应用与发展概况

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1、1,油液分析技术的发展概况及宝钢设备状态监测受控点管理模式介绍,2,一、 概 述l 在欧共体国家中每年用于维修的经费总额大约是850亿到1100亿英镑，它相当于欧共体国家年产值的5%，等于荷兰全年工业总产值；同时在欧共体国家的35万个工厂中大约有200万人员从事维修方面的工作。另一项调查指出，在英国每年用于维修的经费总额大约是140亿英镑，它相当于英国全年产品销售额的5%，亦相当于英国全年贸易赤字的2倍。,3,l 美国每年用于维修的费用大约是3000亿5000亿美元；如果在维修管理、设备故障诊断方面加以改进，可以减少的费用。,4,l 壳牌石油公司对机械故障作了分类统计：在柴油机中，30%的故障

2、是由于污染造成的，其中50%是由于磨损造成的。对于齿轮来说，75%的故障是由于润滑不当、外来污染、腐蚀、轴承失效、维修不足和连续或短暂的超负荷运转造成的；其中51%的故障是与磨损有关，49%的故障是与过载有关。对于滚动轴承来说，40%的故障是由于润滑不当造成的，其中有10%的故障是在轴承正常疲劳寿命期内发生的。,5,由此可见，维修是工业生产成本中一项巨大的支出，它涉及到大量的人力、物力和财力。维修工作在很大程度上取决于设备使用和维修人员对该设备的了解，所以建立有效的维修系统可以大大减少停机时间和节约维修费用。要实现这个目标，可以通过设备状态监测正确了解设备的运行状况从而作出及时的判断和正确的维

3、修决策来实现。,6,油样分析技术是借助对该系统有代表性油样的分析来实现机器状态监测和故障诊断的，它是近十几年迅速发展起来的用于机械设备状态监测的新技术，尤其在发动机、齿轮传动、轴承系统、液压系统等方面，该技术取得了显著的效益，获得了广泛的应用。,7,目前在工业发达的国家中，油液分析技术正在或已经成为机械设备状态监测及故障诊断的不可缺少的方法之一，占有重要的地位。,8,（1） 分析内容： 主要包括磨粒分析、油品理化分析、颗粒计数分析等方面内容。其中磨粒分析指油样中所含磨粒的数量、大小、形态、成分及其变化。,二、油液分析技术的机理和分析内容,9,理化、颗粒计数分析则主要是监测油品的衰变程度：氧化程

4、度、聚合程度、被污染程度、被燃油和水稀释程度以及添加剂成分的损耗程度等。,10,（2） 分析功能：a 监测设备、诊断故障、失效分析、预测预防；b 推行状态监测，实行视情维修，降低维修费用，合理地利用设备的效益；c 保证油品的质量，判断油品的被污染和变质程度；d 延长润滑油的使用期限；e 制定合理的设备磨合规范。,11,油液分析技术的机理和分析内容汇总表,12,三、如何采集具有代表性的油样由于油液中的各种组分、磨损颗粒及污染杂质在整个系统的油液中的分布是不均匀的，它们以不连续的分散相存在，特别是润滑油中的磨损颗粒，它的浓度和尺寸分布是随机器的运行工况及其它多方面的影响而变化的，这就给取出具有代表

5、性的油样带来了困难。,13,影响油样正确采集的几种因素：（1） 油液过滤器的滤清作用； （2） 颗粒在油液中的沉降作用； （3） 颗粒在固体表面的粘附效应； （4） 颗粒反复通过机器运动表面时进一步破碎细化； （5） 颗粒的氧化效应； （6） 颗粒的化学腐蚀； （7） 油液的耗损。,14,取样位置的选择：由于油液中的磨粒平衡浓度及达到平衡浓度所需的时间与机器的工作状态有关，而且整个润滑系统中各部分的磨粒浓度是不同的，因此从处于运转状态的机器中取出油样时，应在某些特定工况下于润滑系统的某一固定位置上进行，且取样位置应选择在过滤器前。,15,在机器的润滑系统中，最常用的两个取样点是润滑油油箱和回油

6、管处。油箱内油流动缓慢，由于磨粒沉降等效应的影响，给取出具有代表性磨粒的油样增加了难度，因此在回油管取样比在油箱中取样有较大的优越性 。,16,四、油液分析技术的分类介绍1.油品理化分析它是通过检测油液本身的性能及其组成，掌握油液在使用过程中的变化情况。油液质量的好坏，将直接影响机器的正常状态，因此检测油液品质的变化是设备诊断的一种常用手段。 分类：油液物理化学性能的分析和油液中化学组分的分析。,17,在设备的状态监测中，主要对润滑油或液压油的以下指标进行常规分析内容如下：运动粘度、酸值、水分、铜片腐蚀、机械杂质。宝钢股份对在用机械油建立了有关企业标准，并规定容量大于500L的油箱进行更换新油

7、时，必须有检测报告，避免无序换油。,18,运动粘度是反应液体粘度大小的一个表示方法，是用毛细管粘度计来进行测定的。它是流体润滑材料最重要的性能。 粘度大的润滑油能够承受大的压力负荷，不易从摩擦面挤出来，并保持一定厚度的油膜；但粘度过大则不能流到配合间隙很小的两摩擦面间，因而不能起到润滑作用。对液压油而言，粘度的大小直接影响设备工作的性能，如液压动作的灵敏性，液压力的传递以及供给等。,19,酸值是中和1克油中酸性成分所需碱的毫克数，以mgKOH/g表示。 一方面，酸值是控制和反映油品精制程度的重要指标之一，油品精制深度愈深，其酸值愈小。另一方面，油在储存或使用中由于一定温度下，与空气中的氧发生化

8、学反应，生成一定量的有机酸。此时，油品的酸值越大，说明油品衰变越严重，也是判定油的废旧程度的重要指标。,20,水分是指油品中含水量的百分比。水分的存在会使金属产生锈蚀，降低油品润滑性，使油品更易蒸发和起泡，还会加速油品水解和氧化，产生沉淀物和腐蚀性物质等，所以合格油品中应无水分或只有水的痕迹。油中的水分主要是在储运、保管和使用过程中由外界混入的。,21,铜片腐蚀性指油液对有色金属（铜）的腐蚀程度。把经过磨光的干净铜片浸入试油中，再把存试油的试管放入规定的油浴中，以规定的时间把铜片取出，洗净后，与腐蚀标准色板进行比较，以评定其等级。腐蚀原因有油品的精制程度，如少量活性的含硫化合物和水溶性低分子有

9、机酸引起；此外油品受氧化后也会产生氧化产物，这些物质对金属都有腐蚀性。,22,机械杂质是指油品中不溶于汽油和苯的沉淀物，即把一定量的试油溶于热汽油或热苯中，然后过滤，沉淀物则留在滤纸上，用热的汽油或苯把沉淀物洗净、干燥、称重，最后算出该油品中所含机械杂质的重量百分比。,23,24,2.污染度控制 随着液压技术在各个工业部门的广泛应用，对液压系统的工作可靠性提出了更高的要求。大量事实表明，液压设备的工作可靠性与油液的污染状况有密切的关系。根据国内外统计资料，液压系统的故障大约有70是由于油液污染引起的。因此，液压系统污染问题已越来越受到国内外工业界的重视。,25,油液中污染物大致有如下三个来源：

10、（1） 机器和油液系统安装（使用前）带来的（如焊渣、切屑、铁锈、砂子、纤维、磨料等）； （2） 油液运转时从外界混入的（如尘埃、水等）； （3） 机器运转时，系统内部产生的（如金属磨粒、锈、油变质后的生成物、密封材料磨粒和剥离片、水等）。,26,污染物通常以金属磨粒为主，金属磨粒和零件表面突起部分相互作用，而从零件表面拉出凹槽，形成碎片。这些污染颗粒，混入系统中后会加速零件的磨损、研损，甚至破坏。在液压系统中，因污染造成的故障约90是由这种磨损所致。,27,油液污染度有两种表示法。其中一种是按照每100毫升油中含有不同大小颗粒的数量来分级，另一种是按100毫升油中含有颗粒重量(毫克)分级。宝钢

11、采用的是前一种表示法，用NAS等级（1-12级）来衡量液压油或润滑油被污染程度。,28,3.光谱和铁谱分析技术光谱和铁谱分析是对机械设备进行油液磨损诊断的主要手段。 1）. 光谱分析：用于分析在用润滑油中的金属磨粒和污染物微粒的元素组成和含量，以评价取样设备和零件的磨损程度，并预报其剩余寿命。,29,实践证明：油料光谱分析是一种行之有效且成熟的油液监测技术，尤其是现代专用光谱仪具有自动化程度高、分析速度快、定量精确而又可进行多元素分析的特点，使这一监测方法应用更为广泛。,30,最常见的磨损金属元素测定技术包括原子吸收光谱分析、原子发射光谱分析和X射线荧光光谱分析；其中，原子发射光谱分析用得最多

12、。光谱仪可以测定润滑油中的磨粒、添加剂和污染物的成分和数量（浓度）。通过对照机器零件的成分可以准确地诊断故障并预报其发展趋势。光谱分析的不足之处是只能准确测定尺寸为10微米以下的微粒。,31,以下是Spectro M发射光谱仪外观,32,2）.磨粒分析（铁谱分析） 润滑油液监测的核心是磨粒分析，分析内容： 1）磨粒数量：用于判断机器处于何种磨损阶段； 2）磨粒尺寸：根据磨粒尺寸分布，判断机器的磨损程度； 3）磨粒成分：用于确定磨损零部件和元素的来源； 4）磨粒形态：用于分析磨损机理和磨损类型。,33,铁谱技术的基本原理 利用高梯度强磁场的作用，将从设备润滑系统内采集的油样中分离出磨损颗粒，并借

13、助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、成分，从而对机械设备的运转工况、关键部件的磨损状态进行分析判断。,34,根据分离磨粒、检测磨粒的不同方法，研制了不同的铁谱仪。 主要有分析式铁谱仪、直读式铁谱仪、旋转式铁谱仪、磨粒定量仪以及磁塞等，它们均为离线测量分析。 另外还有能在设备的润滑系统中分析测量磨粒的铁谱仪称之为在线式铁谱仪。,35,直读式铁谱仪1,36,直读式铁谱仪2,37,分析式铁谱仪1,38,分析式铁谱仪2,39,旋转式铁谱仪,40,蓟式铁谱仪和铁谱显微镜,41,Olympus BX-60显微镜,42,PQ磨粒定量仪,43,磁塞,44,磨粒分类 大致可以分为： 正常滑动磨粒

14、、片状磨粒 、切削磨粒 、 严重滑动磨粒 、疲劳剥离磨粒 、球状磨粒 、 红色氧化物颗粒 、黑色氧化物颗粒、 亚微米级腐蚀磨粒 、摩擦聚合物颗粒等,45,正常滑动磨粒,46,片状磨粒,47,严重滑动磨粒,48,球状磨粒,49,块状磨粒,50,切削状磨粒,51,黑色氧化物颗粒,52,红色氧化物颗粒,53,摩擦聚合物,54,五 油液分析技术的现状 1. 技术与管理相结合，提高设备维修管理水平 技术与管理相结合，实质上是技术与经济相结合的问题，一切工作最终都要落实到经济效益上。实践证明：技术是管理的有效保障，而管理是技术发展的支撑点。,55,1）. 油液分析成为维修制度的组成部分例如，由于船舶设备运

15、行的特殊性，其对可靠性和安全性要求很高，长期来一直执行定期检验制度。英国劳氏船级社、美国船级社、挪威船级社、日本船级社以及中国船级社在上世纪九十年代先后对原有规范进行了修改，把油液分析纳入规范内容，并指出在此基础上可以延长柴油机，螺旋桨轴的拆验周期。这对于油液分析技术的应用推广来说是一个很大的突破。其它行业也有类似的情况出现。,56,宝钢是国内冶金行业中最早把油液分析作为设备状态管理重要组成部分的特大型企业，其油液监测的开展可以追溯到上世纪八十年代的建厂初期，至今已有二十多年的历史，取得了丰硕的成果。,57,2）管理软件的开发（1）国外大型仪器商开发的专业软件：如美国Predict公司的PAS

16、SPORT SYSTEM（Computerized WPA lab system for wear condition monitoring），该公司在1990年代曾开发FAST，FAST PLUS系统。美国Spectro公司的COAST系统（Customized oil Analysis for Tribology），该公司在1990年代曾开发ATLAS系统。 这些系统主要通过铁谱分析实现预知维修。,58,（2）国内大型企业也自行开发了众多的专业软件：如宝钢开发的设备诊断系统，能够用于全厂设备的状态管理，该系统不仅包括了油液分析，还包括振动、红外等诊断内容。,59,2. 定量分析方法近年来，将专家系统、人工神经网络、信息融合等理论用于油液监测诊断的研究较多，但是只在小范围中得到应用。目前使用最多的定量分析方法仍然是：（1）趋势分析（2）定量算法a）线性回归法b）标准偏差法（3）特定机械的定量标准,