油液在线监测技术在轧机减速箱润滑系统的应用

石建峰

江阴兴澄特种钢铁有限公司

某知名特钢集团棒材轧钢生产线上的18架轧机减速机为德国SKET公司设计制造，按生产工艺分为粗轧区、中轧区、精轧区，分别对应三套集中润滑站，通过压力油管连接每台轧机减速箱，为齿轮箱内轴承、齿轮提供润滑油润滑，并最终通过回油管回至油箱。

根据设备管理经验，当润滑油中含水量超过0.5%（质量分数，以下均是）时，油液乳化，油膜厚度大幅减小，抗磨性能降低，将使轴承、齿轮产生异常磨损，如轴承保持架断裂，齿轮齿面点蚀并逐步产生疲劳磨损，金属颗粒含量增加，减速机失效的概率大增；同时导致油品氧化变质，酸值增加，加速对金属（如Fe、Cu等）的腐蚀，并使润滑油内的添加剂发生水解反应而失效，产生油泥等堵塞滤芯[1，2]。

为减少因轧机减速机异常磨损而产生非计划性停机故障，避免因此产生的损失，针对轧机减速机设备的维修需要更为及时、有效的维修预警策略。如果在故障发生前做出预测，就能够提前制定检修计划，合理安排检修人员与备品备件，减少因减速机故障突然停机造成的损失。本文介绍了某知名特钢集团轧机齿轮油在线监测系统的技术改造情况和预警案例，为做好轧机减速机的润滑管理提供参考。

轧机的润滑管理

根据某知名特钢集团设备润滑管理要求，对重点设备的油液，按周期取油样进行离线检测。特钢集团下属轧钢分厂，采用德国18架SKET两辊轧机及1套西马克三辊轧机，生产模式为连续生产轧制，轧机减速箱具有重载、中低速、大扭矩、高强度的特点，满足大压下量生产工艺轧制。其中按工艺及设备功能对应布置4套大型集中润滑系统。目前对轧机润滑系统的管理，点检员每日点检润滑系统压力、油位、温度等参数；并按计划周期，每半年对轧机减速箱润滑站润滑油取样，送检至专业检测机构，对润滑油黏度、水分、酸值、铜片腐蚀、磨斑直径、铁谱、PQ指数等进行检测化验，并根据检测结果制定检修项目，如更换滤芯、清洗油箱、换油。离线检测实施10多年以来，为轧机减速箱的运行提供了重要参数和保证，未出现任何因异常磨损故障而产生停机停产。

机械设备80%的隐患来自于润滑，磨损故障是大型设备失效的主要原因。根据国内某大型钢铁企业对700多个轴承的失效分析发现，59% 轴承失效是因润滑不良引起，如图1所示。

图1 某钢铁企业轴承失效统计

在线监测技术的优势

油液在线监测与离线检测对比

由于油液离线检测/监测特点，致使传统离线方法检测周期长，不能实时反映设备的润滑运行状况；另外，测试过程中污染侵入环节较多，对采集的油样处理会造成大量的信息损失和对实验操作员个人的经验和水平依赖比较大等问题，不利于机械系统故障的早期诊断和预防，不适合现场使用[3，4]。随首检测技术数字化、智能化发展，油品离线检测技术已远不能满足减速机润滑状态连续监测的要求。

油液在线监测是指在系统或设备在不停止工作的情况下，通过系统或设备的在线传感器对在用油的理化、污染、磨损性能参数进行连续不间断的原位监测，根据所监测的油品参数常变化来判定或预测系统或设备的运行工况和状态，诊断系统或设备的异常部件，为开展针对性维护和修理提供依据，做到及时预警，从而有效及时避免事故发生的一门监测技术[5]。目前油液在线监测技术已逐渐成为减速机润滑、失效等故障诊断及预警发展的主要趋势[6]。

油液在线监测与在线振动监测对比

在线振动监测是目前设备系统减速箱故障监测最常用的手段，通过在齿轮箱箱体关键位置安装振动监测元件，能对故障出现轴承、齿轮等零件的异常信号进行诊断，通过软件分析能显示具体零部件故障位置及故障类型[7]。而且轧机减速机在轧制期间载荷是随轧材规格、温度、材质等不同而变化的，因此在线振动监测不能实现早期异常磨损预警功能。

油液在线监测系统能对减速机内部早期点蚀、磨损等失效初期状态给出及时准确的诊断预警[8]。据 CBM（Condition Based Maintenance）设备状态监测体系数据表明，两者在线监测在设备诊断预警中的作用有所不同，如图2所示（图中，“X”代表在线振动监测系统检测出设备异常磨损的时间段，通过油液在线监测系统能提前15倍时间段预警）。

图2 在线油液监测与振动监测在设备诊断预警中的作用对比

轧机减速箱润滑系统油液在线监测技术改造

系统的建立及监测参数的选择

实验室A长期开展钢铁企业的油品离线检测，建立了油液检测数据库，具备对国内同行业实验室油品检测的认证资质，并提供润滑培训、交流、现场技术服务，其开发的油液在线监测系统已应用于钢铁冶金、风力发电、海上钻井平台、军工设备等行业，取得很好的业绩。从油液离线检测与在线监测数据相关性、可追溯性等方面考虑，并与实验室A技术人员结合润滑系统实际运行交流，对上述某特钢集团下属一轧钢分厂内的三套轧机减速机润滑系统进行油液在线监测技术改造，主要实现对润滑油黏度、水分、铁磁颗粒及非铁磁颗粒的实时监测：

◇黏度。黏度是润滑油最重要的一项理化指标，是设备厂商选择润滑油牌号的主要依据。通常所说的润滑油牌号为在实验室按油温40 ℃时测得的黏度值。由于在线监测时油液温度具有波动性，黏度传感器监测出的润滑油实时黏度值，并根据黏温特性转化为40 ℃黏度值，并与理论值进行对比，由此判断润滑油的劣化趋势。

◇水分。水分在润滑油中主要危害包括：破坏油膜的形成，与润滑油中的抗磨添加剂反应而分解，产生油泥，抗磨性能下降导致齿轮、轴承等异常磨损，在传动部位因摩擦高温导致润滑油酸值增加氧化，加速油品劣化。通过在润滑系统回油管底部安装水分传感器，投用前与在用油离线检测数据标定，及时对监测出的微量水分进行预警。

◇铁磁颗粒。该指标主要监测润滑油中不同直径的铁元素磨粒数量及趋势，反映齿轮、轴承滚珠等摩擦副表层疲劳剥落、滑动磨损、剪切磨损等故障信息。

◇非铁磁颗粒。该指标主要监测润滑油中不同直径的非铁元素磨粒数量及趋势，如铜、铬、锡及非金属等物质，反映轴承保持架、轴瓦等摩擦副磨损、擦伤等信息，并与离线检测相结合判断实际故障信息。

系统原理

初轧区润滑系统油液在线监测原理如图3所示。

图3 初轧润滑系统油液在线监测系统原理

系统组成及功能

油液在线监测系统包括下位机、上位机、压力检测、局域网等组成。下位机由油路循环系统、各类传感器、数据采集模块、进出取样管路、电源系统、控制系统、就地显示系统组成。下位机安装于润滑系统主回油管路上（如图4所示），完成油液在线监测的数据采集；下位机油路循环系统与润滑站系统连锁，当主泵启动且主管压力检测信号检测到设定压力后，发送连锁信号至下位机，下位机才能启动，进行取样，监测分析油样。

图4 下位机安装位置示意

下位机实时监测数据如40 ℃黏度、实时黏度、油温、水分、铁磁颗 粒（40～70 μm、70～100 μm、100～150 μm、＞150 μm）、非铁磁颗 粒（40～70 μm、70～100 μm、100～200 μm、200～300 μm、300～400 μm、＞400 μm）等，实时显示在下位机屏幕上，如图5、图6所示。

图5 下位机数据一（黏度监测）

图6 下位机数据二（铁磁监测）

每台下位机监测数据通过网线上传至上位机储存，可由多个用户在内网上查看油液监测实时或历史数据。

上位机由服务器、显示器、专家诊断系统组成，服务器对采集到的数据实时分析，通过客户端，直观地展现出实时数据，另一端通过网络传递给实验室A内的诊断中心，由专家进行更详细专业的分析。油液在线监测人机界面如图7所示。

图7 油液在线监测人机界面

通过人机界面可以直观查询如40 ℃黏度、实时黏度、油温、水分、铁磁颗粒、非铁磁颗粒等数据的历史曲线，如界面所示一个月内对中轧1300润滑站铁磁颗粒查询，在2020年10月24日曾监测到100～150 μm铁磁颗粒数为1个，且未达到系统报警值；而后期各监测数据显示正常，可视为系统正常磨损。

实施及应用

2019年8月15日，精轧1100润滑站油液在线监测系统水分含量超高报警，显示含水量超过预警设定值3%（日常显示值为0.03%）。同时点检员巡查精轧1100润滑站，发现油箱液位异常，较上几次巡查液位有小幅上升。遂对1100润滑站进行油品取样，发现油样乳化发白，静止沉淀24 h后，有油水分层现象。综上表明，1100润滑站油箱已进水，润滑油存在乳化现象。

与此同时，通过现场排查，确认为精轧区轧机回油管锈蚀，轧机轧辊冷却水通过锈蚀的润滑油管道进入油箱，造成水分含量监测超标报警。

为减少因水分对齿轮油乳化造成齿轮、轴承的异常磨损，保证轧机减速机与生产的正常运行，分厂第一时间启用真空加热净油机脱水，排放油箱底部油水混合物，并在油箱内补加220号齿轮油新油，提高抗磨性。

因油液在线监测系统水分预警信息及时，现场排查处置迅速，及时投用真空净油机，利用水和润滑油的沸点不同，并在一定真空度下，水的沸点下降很多，润滑油中的水分快速破除乳化状态而蒸发汽化，被真空泵抽出至大气中，而润滑油因自重沉入真空罐底，随管路排入油箱。真空净油机脱水效率相对离心式净油机效率低，但可以深度脱水，适用于油液含水量要求严格的系统。脱水两周后，在线监测系统显示水分为0.03%（质量分数），恢复至正常状态。在线监测水分预警异常趋势如图8所示。

图8 在线监测水分预警异常趋势示意

为检测润滑油内含水量，按脱水进程分别取样送检化验，检测结果见表1。

表1 1100润滑站进水、脱水前后油样离线检测数据汇总

由表1可见：

◇进水后（8月18日）取样化验数据与5月30日化验数据对比表明，润滑油外观、水分、铁元素含量、铜元素含量、油泥等指标上升，而代表异常磨损的磨粒分析如黏首擦伤、PQ指数等未有明显上升趋势；

◇脱水两周后（8月28日）及正常运行一个月后（10月10日）取样化验数据，润滑油外观、抗磨性、水分、铁元素含量、油泥等指标基本恢复至正常水平，黏首擦伤、PQ指数指标未上升，表明润滑油内基本无代表异常磨损的铁磁颗粒；

◇脱水后化验数据中，铜元素含量数据保持稳定且未下降，主要与润滑系统过滤器有关。由于回油过滤器为一种带磁铁的过滤网，只能过滤含铁的颗粒物，对于铜、铅、铝等细小颗粒物无法吸附过滤，只能通过离线取样进行光谱分析。因此在油液在线监测系统中，非铁磁颗粒监测颗粒物大小、数量也是作为一项重点监测项目，如发现非铁磁颗粒异常，也需及时离线取样分析。

润滑系统进水后，造成润滑油内钙、镁离子增加，油泥含量增加，积聚在过滤器滤芯上。进水故障后（8月、9月、10月）分别更换了三批次滤芯，经过脱水、循环、更换滤芯后油泥含量降低，滤芯表面附首块状油泥明显减少（图9）。

图9 滤芯附首油泥对比

通过本次油液在线监测系统发出的故障诊断报警，结合现场判断及时发现事故前兆，并进行真空过滤脱水，保证润滑油黏度、抗磨性、水分等基本数据达标，后续在线监测数据显示正常，铁磁颗粒、非铁磁颗粒等未明显增加，避免因润滑造成异常设备故障损失折合人民币150余万元。

在本案例中，对于脱水后正常使用的润滑油来说，应重点关注黏度、抗磨性、水分、铁谱分析等数据。因此，缩短离线检测周期，对比在线监测数据，是保证减速机正常运行的重要点检措施。

结束语

油液在线监测技术是设备管理、运行及维护方面智能化发展的一个方向和趋势，能实时反映设备运行状态，做到提前故障诊断及预警。在设备管理上，油液在线监测仍需与油品离线检测紧密配合，互为补充，并与设备在线振动监测、轴承温度在线监测等系统相结合，从而快速定位现场减速机故障位置，准确判断运行状态和故障。