润滑油分析界限值在设备故障诊断中的应用与研究

许斌，陈志新，孙贵芳

（1.中国人民解放军海军91315部队，辽宁大连 116041;2.中国人民解放军海军92337部队，辽宁大连 116023）

润滑油分析界限值在设备故障诊断中的应用与研究

许斌1，陈志新2，孙贵芳1

（1.中国人民解放军海军91315部队，辽宁大连 116041;2.中国人民解放军海军92337部队，辽宁大连 116023）

油液分析技术在机械设备安全运行中起到越来越重要的作用，正确掌握油液分析信息的评判方法，是做好机械设备状态监测与故障诊断的关键。文章研究了油液分析技术中定量信息和定性信息的界限值制定问题，讨论了定量界限值边界模糊性对策和动态修改的必要性，以对机械设备的运行状况进行正确有效的评估。

油液分析;界限值;故障诊断

0 引言

在机械设备安全运行的管理工作中，利用油液分析技术对机械设备磨损类故障诊断是非常有效的手段，这已为世界各国实践所证实。磨损、污染和油品衰变是引起机械设备发生故障的三大原因，它们之间相互影响又有各自特定故障信息。实际上，油液分析可以分析出油液所包含的多种特定信息，例如傅里叶红外光谱，既可以分析出油液中积炭、氧化物、硝化物、硫化物、含水量、乙二醇和燃油稀释等图谱，而且又可以根据图谱预测油液所具备的潜力，是判断是否需要换油的重要依据之一。对于所获得的每一种信息，必须科学地制定出设备可能发生故障的界限值，才能有效地预测机械设备的故障隐患或油品的衰变状态。对于设备状态监测与故障诊断的仪器而言，如果不根据机械设备特点去研究和制定各种界限值，就难以发挥监测诊断仪器的功能和诊断效果。当然，机械故障的界限值没有通用性，因为机械设备的磨损情况、载荷、运行工作及环境条件等不同，虽然使用了相同的监测仪器，也使用了相同品牌的油液，但是，根据油液分析信息所得出的设备发生故障的界限值是不相同的。因此，必须根据监测诊断中所获得的油液分析信息、机械设备运行的实际情况和工作人员的管理经验等综合因素去制定机械设备发生故障的界限值。

1 油液分析信息的特点

1.1 定量分析

油液的定量分析是指在油液监测仪器误差范围内有明确的监测数值。对油液不同的监测内容，有不同的监测界限值，主要包括只有上限监测界限值、只有下限监测界限值、既有上限又有下限监测界限值、有多种不同程度级别监测的界限值等。

（1）只有上限监测界限值。例如:油液的水分含量是有上限界限值的，如果在用油的水分含量高于其同品牌新油的水分含量，说明在用油被水污染了，设备的润滑效果存在了润滑不良的安全隐患，设备管理人员必须认真查找故障原因，及时清理机械设备的润滑系统，并及时更换润滑油。这样，同品牌新油的水分含量就是该油液在使用中的上限界限值。

（2）只有下限监测界限值。例如:油液的闪点是有下限界限值的，不同品牌油液，其闪点是不同的，如果在用油的闪点低于其同品牌新油的闪点，说明在用油被燃油稀释了，设备的润滑效果存在了润滑不良的安全隐患，设备管理人员必须认真查找故障原因，及时清理机械设备的润滑系统，并及时更换润滑油。这样，同品牌新油的闪点就是该油液在使用中的上限界限值。

（3）既有上限又有下限监测界限值。例如:润滑油的黏度既有上限又有下限监测界限值，在用油的黏度过大，流动性降低，摩擦副之间难以形成油液润滑保护膜，容易造成异常磨损;油液黏度过小油性不良也容易造成磨损加剧等故障隐患。所以，在选择润滑油时，一定要根据机械设备的特点，正确选择润滑油的类型。

（4）有多种不同程度级别监测的界限值。例如:利用油料原子发射光谱仪分析润滑油，可分析出在用油中不同金属的质量含量（μg/mL），包括油液中磨损元素含量、污染元素含量、添加剂含量等30多种元素。这样，在一个油样中，就需要制定30多个元素的上限值，而且这30多个界限值差别较大，具有多种不同程度级别。

（5）分析结果界限值。美国三军主要装备（飞机、装甲车辆、舰船等）均制定分析结果界限值，主要有:正常、临界、偏高和异常4种分析结果界限值。我国也制定了分析结果界限值，主要有:正常、临界和异常3种分析结果界限值以及分析趋势界限值。为预报机械故障和故障程度提供科学的评判依据。

1.2 定性分析

油液的定性分析是指油液监测仪器能监测反映故障现象和性质，但没有具体的分析数值。典型的定性分析如分析式铁谱仪，它是根据机械设备磨损颗粒形貌和颜色，可以识别正常磨损颗粒、切削磨损颗粒、疲劳颗粒、片状颗粒、球状颗粒、腐蚀颗粒、暗金属氧化物、红色氧化物、非铁磁性金属、非金属无机物、有机物、非金属晶体、摩擦聚合物、纤维等。其中大部分是与磨损故障有关的定性信息，根据机械设备特点和监测人员诊断经验，可将模糊信息进行打分处理。例如正常磨损为0，轻微磨损为2，中等磨损为5，严重磨损为10，这样，就可以把定性分析转化为定量分析来处理，可以更直观地利用监测分析结果来进一步提高诊断准确率。

2 定量界限值的类别和模糊性

2.1 类别

机械设备出现的故障征兆，常常并非某一个界限值所能全面揭示反映出来的。例如原子发射光谱监测技术，需要根据机械设备管理人员多年的应用和实践经验，需要利用原子发射光谱监测技术监测出的磨损颗粒含量与在用油的取样频率关系统计的浓度界限值，相邻两个油样中含量变化统计的趋势界限值，两者必须相辅相成去捕捉故障征兆，而趋势界限值往往可以灵敏反映磨损变化烈度。在某些机械设备中，为直观方便，还制定磨损含量与运行时间关系的界限值。

2.2 定量界限值边界的模糊性

可以利用原子发射光谱技术监测在用润滑油中颗粒含量为例，来探讨监测结果定量界限值边界的模糊性，国内外所制定的3种或4种界限值，其边界仅相差1μg/m L。例如表1和表2分别为美国军用车辆某行星变速箱5R6192和美国军用飞机燃气轮发动机的主要磨损元素界限值和异常趋势值;表3为我国某内燃机柴油机的磨损元素含量界限值和趋势界限值。

表1 美国军用车辆某行星变速箱5R6192的界限值μg/mL

表2 美国军用飞机燃气轮发动机油中元素的界限值μg/mL

续表

表3 我国某柴油机油中元素的界限值μg/mL

由表1、表2和表3可见，各边界仅相差1μg/ m L，对磨损类故障是否会这么灵敏，这要具体分析和采取应对策略。

（1）界限值是为保证机器安全运行或有无故障征兆的一种预报或提示，是根据统计规律、置信度和实际运用经验来划分的，它不可能像精确数学计算那样准确无误。根据这种定量预报，如果能够达到95%的准确率，就可以显著减少机械设备发生故障的概率。

（2）磨损是一个渐变的发展过程，界限值边界实际是一个小小的模糊区，制定的界限值既能预测故障征兆，又要留有一定保守裕度。例如当发现异常征兆时，还允许再做一次加密取样的时间间隔，确认抽样分析是否仍处于异常状态，而必须停机维修;若降到临界或正常范围，可继续运行，证明取样或分析中有偶然性。为机械设备运行安全考虑，还需要做一次加密取样，这对于必须连续运行的机器或做战飞机不能轻易停机是十分必要的，是处理模糊区间的一种策略。美国三军主要装备（飞机、装甲车辆、舰船）就是采取这种界限值和加密取样的逻辑程序，至今已经应用近50年，实践证明有重大成效。至于如何研究处理这种模糊性，将是今后长期研究的重要课题。

（3）故障诊断关键在于预测故障征兆，也是预知性维修的先进策略。原子发射光谱仪的油液分析是一种单相的监测分析技术，应该通过油液的多相监测技术，来互为补充，确认故障程度的可信度，极大地避免预防维修（计划维修）制度中该修而修理程度不到位、不该修理而出现了过度维修的缺陷，界限值便是设备维修必不可少的科学依据。

3 界限值需要动态修改

机器设备在使用管理和维修过程中，油液分析信息的界限值应该得到不断地修改，机械设备在运行初期的磨合期内、在正常的使用管理过程中、在经过各种故障前后、在更换油液前后等都需要动态修改油液分析信息的界限值:

（1）机械设备在正常寿命期内运行，一般来说其磨损是渐增的;但在接近大修期前，磨损量值会较明显大于早期的磨损含量，所以，应该将早期的油样分析结果淘汰掉，按中、后期的油样重新修改油液分析信息的界限值。

（2）机械设备经过各种维修之后，设备摩擦副之间配合总不如新设备原装摩擦副之间配合的那么好，特别是国产机械设备更换了进口配件或者进口机械设备更换了国产配件之后（无法购买到进口的原装配件），修后设备摩擦副之间的配合更差，这就需要不断的修改油液分析信息的界限值。

（3）机械设备随着运行的需要，设备的型号和配件的材质常常会不断的更新变化，老型号、老配件的机械设备与新型号、新配件的机械设备所需求的油液分析信息界限值是不同的，必须根据需求来对油液分析信息的界限值进行修改。

（4）适合机械设备运行的油液不是简单的一种类型，将根据机械设备运行需求的特点，在多种油品牌号中来选择比较适用的一种油品，当然各种不同油液的性能总有一定差别，这样要求必须制定不同油液分析信息的界限值。

（5）要不断借鉴外军这方面技术的先进经验，特别是美军这方面技术的具体做法和应用。据资料显示，美国三军主要装备（飞机、装甲车辆、舰船）都分别有详细的监测信息界限值，而且每2年修订一次，印发给各军用基地和为美军服务的地方油液监测试验中心。

4 油液分析信息在设备故障诊断中的应用

4.1 轴承异常磨损造成严重的机械故障

某机械设备在正常运转过程中，出现了十分明显的异常现象，为了保证设备的运行安全，避免故障的继续蔓延，设备管理人员不得不对该机械进行监测分析，查找机械设备发生故障的主要原因，通过对设备润滑系统润滑油的光谱分析和铁谱分析，得知该机械设备发生故障主要是由于其轴承发生异常磨损而造成的，对在用润滑油油样的光谱分析和铁谱分析的具体数据和现象如下:

（1）光谱分析

由于该机械设备无法立即停止运行，在该机械仍然运行的情况下，对该机械设备的在用润滑油进行了多次取样，每个油样都分别做出3次光谱分析，对比所取的几个油样的光谱分析数据没有太大变化，说明油样的监测信息代表了机械设备运行的实际情况。表4便是其中一个油样的光谱分析监测数据。

表4 光谱分析数据μg/mL

该机械设备是一部很关键的机械设备，长期以来，管理人员把管好这部机械设备放在重中之重的位置，平时，对该机械进行了周期性监测，并建立了监测档案，从以往对该机械设备原子发射光谱监测档案中查知，该机械设备中轴承润滑油油样光谱分析Fe、Cr元素浓度上限值分别为35μg/mL、0.6μg/ mL。由表4可知，这次采集的在用润滑油油样中光谱分析Fe、Cr元素浓度平均值分别为359μg/mL、 2.1μg/mL，而新油样中各元素浓度值都很低。说明含有高铬钢材料的摩擦副发生了异常磨损，进一步分析断定该机械设备中轴承滚动元件（其材料都是高铬轴承钢）可能发生严重磨损。

（2）分析式铁谱分析

使用分析式铁谱仪制备铁谱片，给在用油样分别制备2张铁谱片（见图1），给新油制备了1张铁谱片（见图2），用铁谱显微镜观察分析谱片上磨粒的形态、尺寸、纹理和色泽等。

图1 在用油铁谱分析谱片

图2 新油铁谱分析谱片

图1为轴承在用润滑油油样谱片上的切削磨粒（放大倍数为500倍），谱片已经过加热处理，切削磨粒呈蓝色，表明它的材料是轴承钢;图2为未使用过的新润滑油油样的微粒照片（放大倍数为100倍），由图2可见该油样中只有很少微粒，并且都不是金属磨粒。最后分析断定该机械设备中轴承滚动元件（其材料都是高铬轴承钢）发生严重磨损。

4.2 错误选择润滑油造成柴油机严重烧损事故

某船主机是TBD234V8型高速柴油机，其额定转速范围是1500～2300 r/min，最高转速为2300 r/min，润滑系统润滑油的最高温度为120℃，要求使用CD 40润滑油。主柴油机在不同工况下进行试验运行过程中，当柴油机转速提高到2100 r/min时，柴油机发生了严重拉缸、主轴瓦烧毁、连杆瓦烧毁、主轴承严重拉伤等重大事故。事故发生后经过对柴油机润滑系统在用润滑油的黏度进行分析得知，故障的主要原因是使用管理人员选择使用润滑油类型出现错误而造成的。表5是故障监测诊断人员模拟故障发生过程中，柴油机不断提速，润滑油对应的温度不断上升，监测出不同转速所对应的不同温度下的运动黏度值，并参考2005年《石油产品国家标准汇编》得知的CD 30和CD 40两种润滑油在不同温度下各自的界限值。同时，得出在用润滑油在不同转速所对应的不同温度下的润滑结论。

表5 TBD234V8型高速柴油机不同工况下润滑油运动黏度监测数据

从表5中可知，通过对在用润滑油在不同工况下运动黏度的监测数据、CD 30、CD 40润滑油在不同工况下运动黏度的界限值三者之间进行比较可以看出，柴油机转速在1500 r/min以前，也就是说柴油机转速在进入额定转速之前，柴油机润滑系统的润滑效果是良好的，其运动黏度分别是:38.7 mm2/s、22.9 mm2/s、18.6 mm2/s，这三个运动黏度值既符合CD 30品牌润滑油界限值范围又符合CD 40品牌润滑油界限值范围，也证明了该柴油机在达到1500 r/ min额定转速以前的低速运行是正常的。但是，当柴油机转速提高到1700 r/min、1900 r/min的时候，其运动黏度分别是:14.1 mm2/s、11.3 mm2/s，这两个运动黏度值只是符合CD 30润滑油界限值范围，略低于CD 40润滑油界限值范围，此时，柴油机润滑系统的润滑油已经出现了润滑效果不良的迹象。当柴油机转速提高到2100 r/min的时候，其运动黏度是7.4 mm2/s，这个运动黏度值只是符合CD 30润滑油界限值范围，十分明显地低于CD 40润滑油界限值范围。因此，可以判断在用润滑油错误地选择了CD 30品牌润滑油，而不是按要求应该选择的CD 40品牌润滑油。这样，当柴油机高速运行时，由于润滑严重不良而造成柴油机烧毁的重大事故。

5 结论

（1）通过对油液分析技术中定量信息和定性信息的界限值制定问题的研究，讨论了定量界限值边界模糊性对策和动态修改的必要性。

（2）通过案例分析对机械设备的运行状况进行正确有效的评估，正确掌握油液分析信息的评判方法，是做好机械设备状态监测与故障诊断的关键。

［1］万耀青.油液分析故障诊断中的信息融合问题［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［2］平培荣，梁红，华祖瑜，等.石油产品国家标准汇编［S］.北京:中国标准出版社，2005.

Research and App lications of Threshold Values in Lubricating Oil Analysis for Diagnosing Equipment Failure

XU Bin1，CHEN Zhi－xin2，SUN Gui－fang1
（1.Naval91315 Unit of the Chinese Peop le＇s Liberation Arm y，Dalian 116041，China; 2.Naval92337 Unit of the Chinese People＇s Liberation Arm y，Dalian 116023，China）

Lubricating oilanalysis technology p lays an increasingly im portant role in the safe operation of equipm ent.The key to m onitoring equipm ent perform ance and fault diagnosis lies in properly understanding the evaluation m ethod of lubricating oilanalysis inform ation.In this paper，threshold settings of quantitative inform ation and qualitative inform ation in lubricating oil analysis technology are studied.And the necessity for counterm easures and dynam ic m odifications of fuzzy quantitative threshold values is discussed in order to effectively and accurately evaluate the equipm ent＇s operational state.

lubricating oilanalysis;threshold value;diagnosis of equipment failure

TE622.1

A

1002-3119（2012）06-0044-05

2011－05－28。

许斌（1961－），男，高级工程师，海军专业技术大校，1985年毕业于海军工程大学海军舰艇设备状态监测与故障诊断油品分析专业，现从事设备状态监测与故障诊断工作，已公开发表论文数篇。