液压油中污染物监测分析对比

刘敬军，张佃惠

(1.92132部队，山东 青岛 266405;2.91663部队，山东 青岛 266011)

大量资料表明，磨损是影响液压设备工作可靠性和使用寿命的主要原因，且以磨料磨损造成的损失最为严重，而磨损类故障的主要故障源是液压油污染。据统计，液压元件失效的70%～85%归因于液压油液污染［1］。液压油的污染主要包括颗粒、水分、空气、热和微生物污染等，其中对油液使用性能影响最大的就是颗粒和水分污染，其次为空气、热污染。通常意义上所说的污染就是指液压油中金属颗粒与水分污染。液压油及其中的污染物蕴含着大量的表征液压设备内部磨损状态的信息。运用先进的监测诊断技术，对在用液压油的污染情况实施有效的监测和控制，可以及时掌握液压系统的技术状态，判断过度磨损是否有可能发生，采取措施消除各种故障源，将对液压系统的科学使用管理和合理维护保障有着十分重要的意义。

目前用于液压油中污染物监测分析的主要技术手段有光谱分析、铁谱分析、污染度分析、理化指标分析和红外光谱分析等。由于各种监测仪器的原理、结构不同，其适用范围也各不相同，因此选择合适的油液监测仪器，才能可靠的表征机械设备实际状态的信息参数。分析处理时要把各种分析手段(参数)综合在一起，互相补充印证，对监测参数进行综合分析、判断，使设备监测诊断做到更科学、更准确、更有效［2］。下面针对某船液压设备——绞缆机进行跟踪监测，应用原子发射光谱技术、自动磨粒形状分类技术和污染度监测技术对其液压油样进行分析，应用铁谱技术对个别关键油样进行分析，通过比较得出各分析技术的相关性。

1 油液监测技术

1.1 油料光谱技术

基于磨粒分析的设备状态监测主要对润滑油液(作为诊断介质)携带的磨粒进行定性定量分析，提供关于设备部件当前状态的重要信息。油料光谱技术主要对油液中铁、铬、铅、铜、铝、锡、银、硅、硼、钠、镁、钙、钡、磷、锌等多种元素进行测试，可快速准确地提供油液中机械设备磨粒和污染方面的信息，但仅能测试小于10μm以下的磨粒元素浓度。不同机械设备的摩擦副材质、所使用的油液种类和可能发生的污染是不同的，对特定设备进行油液监测时所选定的所有监测元素称为特征元素。特征元素的确定主要是根据设备可能发生磨损的主要摩擦副材质、油液添加剂的种类和污染物的种类而定。一般地，铁、铬、铅、铜、铝、锡元素的含量反映设备摩擦副磨损情况，硅、钠元素反映油液污染程度，镁、钙、钡、磷、锌元素的含量反映添加剂的耗损情况。比如对于常用海水冷却的船舶液压设备而言，铜、铁、硅、钠是必须要监测的元素，前两种是主要的磨损元素，而后两种元素则是主要污染物的表征。经验表明，对于某一类系统而言，某些金属或非金属的含量的增加一定意味着设备的某个或某些部件发生了异常磨损。根据磨粒监测技术的监测结果可以绘制磨粒元素的浓度变化趋势图，据此并结合油液分析的其它结果，可以确定设备的磨损速率，判断设备是否处于正常磨损状态以及磨损故障的逼近程度。结合机械系统中材质构成，便能判明异常磨损发生在哪种部件或组件上，从而检测出潜在的机械故障。

1.2 磨粒形状分类技术

磨粒监测主要检测液压油中含有的从磨损表面产生的金属或非金属性微粒以及外来污染物颗粒，它是基于油液分析的液压设备状态监控的重要手段，其有效性表现为通过磨粒属性和数量的监测结果及其趋势分析，能够确定系统的状态:接近失效、已经失效以及失效形式。磨粒总量用于判断磨损处于什么阶段;磨粒尺寸分布用于判断磨损的严重程度;磨粒形态用于判断磨损类型，分析磨损机理;磨粒化学成分用于确定磨损部件和磨粒元素的来源。磨粒形状分类技术可以迅速对油液中磨粒的形状并按磨损形式对其分类、数量、各尺寸磨粒分布及污染度等进行分析，但不能对材质进行辨别。

1.3 铁谱技术

分析式铁谱仪主要对油液中较大的铁磁性磨粒和部分具有明显颜色特征的金属磨粒 (如铜等)的形貌、颜色和轮廓尺寸进行识别，但精度较低、重复性差，只能定性分析，主要依赖于分析人员经验，在油液监测故障诊断中有重要的旁证价值。直读式铁谱仪可按磨粒尺寸大小定量测试大小磨粒的颗粒数。但两种仪器对非铁磁性磨粒的识别效用不大。近年来有人提出用具有选择性的磁流体对油液中不同的非铁磁性金属磨粒进行磁化，将非铁磁性磨粒保留在谱片上进行研究取得了一定的成果。

1.4 污染度分析技术

油液的污染度是指单位容积油液中固体颗粒污染物的含量，即油液中所含固体颗粒污染物的浓度。油液污染度标准从最早使用的质量污染度和体积μL/L、质量μg/g等，逐渐改进为可反映颗粒尺寸及分布的颗粒污染度表示方法。油液的污染度分析是通过对系统中循环流动的液压油的污染状况进行监测，检测和分析油液中固体颗粒污染物的浓度、尺寸大小、尺寸分布以及质量等的变化，研究固体颗粒污染物的特性与机械零部件磨损之间的关系，为计算颗粒粒度分布函数的数学参量提供准确的基本数据，并从颗粒数量的统计角度判断机械的工作状态和磨损情况，为机械设备的故障诊断和维修决策提供依据。液压系统的状态监测目标，主要是对其污染度进行控制。通常液压油的污染度等级没有超过标准，液压系统的运行一般处于正常。

NAS1638污染度等级标准是用100mL油样中的颗粒尺寸范围5～15μm、15～25μm、25～50μm、50～100μm 和 ＞100μm 的颗粒数，表示油液污染度。原定污染度等级为12级，为了扩大应用范围，现已将污染度等级扩展到21个等级。

ISO4406污染度等级标准是用1 mL油样中的颗粒尺寸大于5μm和15μm的颗粒数，用“/”符号隔开，表示油液污染度，分为30等级。

2 试验

2.1 监测仪器

监测仪器包括:超谱M油料光谱分析仪，LNF－C磨粒分析仪，dcA污染度监测仪;FTP－X2型分析式铁谱仪，OLYMPUS铁谱显微镜。

2.2 监测方法

对所有的液压油样进行光谱分析、dcA污染度测试分析和LNF－C磨粒分析，对个别关键油样进行铁谱分析。样品5为第一次换油后的油样，样品8为修理并换油后的油样。

LNF－C磨粒分析仪测试方法如下:将油样加热0.5 h，摇匀5min，消泡1min，进行测试。

2.3 结果

2.3.1 污染度对比

对所有油样进行污染度分析，结果如表1。从表1中可以看出，dcA测试仪与LNF－C磨粒分析仪两台仪器因其测试的原理不同，对同一油样得出的颗粒总数数值不相同，但得出的NAS1638和ISO4406污染等级相近。

表1 dcA测试和LNF－C磨粒测试污染度的比较

2.3.2 相关性

表2中第一次换油前光谱数据表明:铜元素含量有异常增加，达到了48.1μg/g;LNF－C磨粒测试数据和图1磨粒图片表明，磨粒以疲劳磨损为主，从而初步判断出绞缆机的铜质摩擦副疲劳磨损较重。为了进一步证实这一点，进行铁谱分析如图2所示发现，在铁谱片55mm区存在大量的块状铜磨粒。建议换油后继续取样监测。

表2 光谱数据和LNF－C磨粒测试数据对比

第一次换油后的绞缆机液压油中铜元素含量回落，但第二次取样，铜元素含量就猛升到79.2μg/g，铁含量达到了175μg/g，表明异常磨损仍然存在，而且钠元素含量达到了854μg/g，怀疑液压油进海水。由于油液乳化严重，LNF－C磨粒分析仪对乳化的油样没有效用。此时，应用铁谱分析分析磨粒如图3所示。

图1 LNF－C磨粒分析的切削磨粒、疲劳磨粒和非金属颗粒

图2 4#样品的铁谱图片

图3 6#样品的铁谱图片

从图3可以看出，在大颗粒区存在大量污染物，在30mm区存在大量的红色氧化物，50mm区存在较大的切削铜磨粒和块状铜磨粒，建议立即拆检修理。经拆检查实，油箱冷却器盘管故障导致液压油进海水，引起了液压设备的异常磨损。经修理并更换液压油后，铜、铁元素含量回落，数值基本稳定。

3 结论

油料光谱分析、铁谱分析、污染度分析和LNF－C磨粒形状分类分析等油液监测技术对在用液压油中磨粒监测具有较好的相关性。一般情况下，光谱分析、污染度分析和LNF－C自动磨粒形状分类分析可对液压油中磨粒作出较为准确的判断，铁谱分析可作为旁证。但当油样严重乳化，在进行LNF－C磨粒分析前必须进行适当地处理 (如用同一牌号的新油进行稀释或用无水溶剂稀释)，或者进行铁谱分析。

［1］毛美娟，朱子新，王峰.机械装备油液监控技术与应用 ［M］.北京:国防工业出版社，2006:68.

［2］万耀青，郑长松，马彪.油液分析故障诊断中的信息融合问题 ［J］.机械设计，2004，21(9):1－4.