王自韌

（湛江港（集團(tuán)）股份有限公司 廣東湛江）

磨損和腐蝕是港口機(jī)械的兩種主要失效形式，其中磨損失效占60%～80%[1、2]。目前，油液分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)港口機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中。它通過(guò)分析被監(jiān)測(cè)機(jī)器的在用潤(rùn)滑油的性能變化和攜帶的磨損磨粒，獲得機(jī)器的潤(rùn)滑和磨損狀態(tài)的信息，評(píng)價(jià)機(jī)器的工況和預(yù)測(cè)故障，并確定故障原因、類(lèi)型的技術(shù)[3-5]。在分析中，常規(guī)理化分析對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑狀態(tài)比較有效，光譜分析對(duì)于小顆粒比較有效，鐵譜技術(shù)對(duì)大顆粒比較有效[6]。對(duì)各種分析手段獲取的數(shù)據(jù)處理與融合分析是油液監(jiān)測(cè)能否獲得正確診斷結(jié)論的關(guān)鍵。如今，綜合各種油液分析技術(shù)的油品監(jiān)測(cè)，及結(jié)合其他診斷方法如振動(dòng)分析[7、8]，可以充分獲知設(shè)備摩擦副關(guān)于磨損程度的信息，油品的使用性能的信息，避免單一分析方法帶來(lái)的信息不完整而導(dǎo)致的可能誤判。綜合分析的目的是減少設(shè)備的失效，降低其運(yùn)行時(shí)數(shù)和維護(hù)費(fèi)用。

斗輪機(jī)是港口散狀物料（散料）儲(chǔ)料場(chǎng)內(nèi)的專(zhuān)用機(jī)械，包含有走行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)、尾車(chē)、俯仰機(jī)構(gòu)等。斗輪機(jī)廣泛用于港口、碼頭、冶金、水泥等行業(yè)進(jìn)行物料存儲(chǔ)的堆取作業(yè)，其生產(chǎn)能力每小時(shí)可達(dá)萬(wàn)噸，是物料堆取的重要設(shè)備。自2013年7月起，湛江港（集團(tuán)）股份有限公司第三分公司對(duì)該公司的兩臺(tái)斗輪機(jī)各關(guān)鍵潤(rùn)滑點(diǎn)開(kāi)展油液監(jiān)測(cè)，希望通過(guò)設(shè)備潤(rùn)滑油的污染、變質(zhì)程度的檢測(cè)，及時(shí)掌握設(shè)備潤(rùn)滑油性能及磨損狀況及其發(fā)展變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，從而及時(shí)預(yù)報(bào)潛在的故障避免任何可能的災(zāi)難性損壞發(fā)生。以下以該公司的兩臺(tái)斗輪機(jī)的行走減速器為例，介紹油液監(jiān)測(cè)的具體實(shí)施方案及重要意義。

一、油液監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.取樣

在油液分析時(shí)，從一小瓶油樣中確認(rèn)和提取有用信息極大地依賴所獲得的原始的未經(jīng)處理的油液數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此，油液分析的成功與否直接取決于油液的采樣[3]。為了獲得準(zhǔn)確的油液分析結(jié)果，必須保證所采油樣具有真實(shí)代表性，為此需對(duì)設(shè)備采樣方法、采樣頻度和采樣步驟作出適當(dāng)?shù)囊?guī)范。為了正確評(píng)價(jià)減速箱的潤(rùn)滑與磨損狀態(tài)，取樣位置選擇為油箱放油口，在每次取樣前先放掉一部分油樣，取樣周期為每2個(gè)月一次，每次所取油樣量為250 mL左右，并貼上標(biāo)簽，注明設(shè)備位號(hào)和取樣時(shí)間。

2.測(cè)試方法

一個(gè)有效的油液分析計(jì)劃應(yīng)當(dāng)包括3個(gè)部分的分析：（1）油液性狀分析；（2）油液污染分析；（3）油液中的磨粒分析。無(wú)論試驗(yàn)設(shè)備是基本配置或是完善配置，任何一個(gè)基于現(xiàn)代油液分析理論建立起來(lái)的油液監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，其最終目的都是為設(shè)備使用者提供關(guān)于機(jī)器和潤(rùn)滑油（或液壓油）當(dāng)前狀態(tài)的全面信息，幫助企業(yè)設(shè)備使用者制定相關(guān)的維修計(jì)劃。

齒輪箱的潤(rùn)滑油主要用于潤(rùn)滑齒輪及滾動(dòng)軸承，同時(shí)起到散熱、抗磨等多方面的作用。測(cè)試方法主要采用理化指標(biāo)分析、發(fā)射光譜分析、PQ指數(shù)分析和鐵譜分析技術(shù)。其中理化指標(biāo)的變化可以用來(lái)監(jiān)測(cè)油品性能及污染情況，光譜分析可以評(píng)價(jià)齒輪油中金屬元素、污染元素及添加劑元素含量多少，PQ指數(shù)和鐵譜分析技術(shù)相結(jié)合可以對(duì)齒輪箱在用油中磨損金屬的數(shù)量、尺寸分布、成分、形貌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而監(jiān)測(cè)與診斷齒輪箱的磨損狀況。

湛江港兩臺(tái)斗輪機(jī)的行走齒輪箱主要監(jiān)測(cè)了黏度、總酸值、水分、光譜、PQ指數(shù)及分析鐵譜，圖1為油液分析監(jiān)測(cè)工作流程。

圖1 油液分析監(jiān)測(cè)工作流程圖

二、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1.理化分析

油液理化指標(biāo)分析主要針對(duì)油品本身的質(zhì)量，指導(dǎo)設(shè)備正確選油，視情換油，查詢齒輪箱摩擦副部件故障隱患與油樣之間的關(guān)系，即監(jiān)測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑狀態(tài)。齒輪箱采用220號(hào)工業(yè)閉式齒輪油，理化指標(biāo)包含圖1所示的3項(xiàng)。

圖2 黏度測(cè)試結(jié)果

圖3 酸值測(cè)試結(jié)果

黏度是設(shè)備選用潤(rùn)滑油、判斷設(shè)備潤(rùn)滑狀態(tài)、確定是否換油的重要依據(jù)。從圖2中可以看出，斗輪機(jī)A的行走減速器潤(rùn)滑油的黏度在監(jiān)測(cè)期間的變化不大，但是斗輪機(jī)B的行走減速機(jī)在2014年1月時(shí)黏度急劇增加，其原因可能是油品受到外界污染或油品嚴(yán)重氧化變質(zhì)。

酸值表示油品氧化變質(zhì)的程度，潤(rùn)滑油使用一段時(shí)間后由于氧化逐漸變質(zhì)，表現(xiàn)在酸值增大，酸值大的潤(rùn)滑油容易造成機(jī)件的腐蝕。斗輪機(jī)A在監(jiān)測(cè)期間總酸值變化不大，但斗輪機(jī)B在2014年1月監(jiān)測(cè)時(shí)總酸值急速上升，表明油品已經(jīng)氧化變質(zhì)。

水分是指油品中的含水量，潤(rùn)滑油中有水時(shí)，會(huì)造成乳化和破壞油膜，從而降低潤(rùn)滑效果而增加磨損。同時(shí)還能促進(jìn)機(jī)件的腐蝕和加速潤(rùn)滑油的變質(zhì)和劣化。圖4是A、B兩臺(tái)斗輪機(jī)行走減速箱潤(rùn)滑油的水分測(cè)試結(jié)果。

由圖4分析知，A號(hào)斗輪機(jī)行走齒輪箱2013年11月份監(jiān)測(cè)時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)水分，到2014年1月份水分含量急劇增高。經(jīng)分析診斷可能存在以下兩個(gè)方面原因：一是冷卻水泄漏進(jìn)油箱；二是潤(rùn)滑油箱蓋密封失效，外界空氣中的水蒸汽從油箱蓋竄入油箱，造成潤(rùn)滑油含水量超標(biāo)。

2.PQ指數(shù)分析

圖4 水分測(cè)試結(jié)果

PQ指數(shù)分析是根據(jù)鐵磁性磨粒對(duì)磁場(chǎng)變化的影響來(lái)測(cè)試潤(rùn)滑油中的鐵屑的方法。其測(cè)試結(jié)果與鐵屑的含量及顆粒的大小呈良好的線性關(guān)系。由于PQ指數(shù)對(duì)大尺寸鐵磁性磨粒更為敏感，因此常與元素分析配合使用。當(dāng)是PQ指數(shù)較高時(shí)，一方面可能是由于油中的鐵屑磨粒較多，另一方面可能是由于油中含量大尺寸顆粒。由于減速箱中主要部件都采用的鑄鐵或者鋼，因此采用PQ指數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)齒輪箱的磨損情況是非常有效的。

由圖5可以看出，2013年11月時(shí)，斗輪機(jī)B的PQ指數(shù)開(kāi)始增高，到2014年1月，其數(shù)值增高至354 mg/kg，這初步表明減速箱中的齒輪、軸承等發(fā)生了嚴(yán)重的磨損。

圖5 PQ指數(shù)測(cè)試結(jié)果

3.光譜分析

光譜分析法就是利用光譜儀對(duì)潤(rùn)滑油中含有的各種磨損的金屬進(jìn)行定期分析，檢測(cè)出金屬的種類(lèi)和數(shù)量等的變化情況，以此來(lái)判斷潤(rùn)滑油系統(tǒng)中哪些部位發(fā)生了故障。油中的金屬來(lái)自三方面:摩擦副表面產(chǎn)生的磨損顆?；烊胗椭惺褂椭蠪e、Cu、Sn、Al、Pb、Cr等元素濃度明顯增加；油品添加劑自身帶來(lái)的元素如Zn、Ca、Ba、P等，這類(lèi)金屬來(lái)源于油中抗磨劑、極壓或清凈分散劑等；外界污染物攜入的元素，如Na、Si、B等。根據(jù)油樣中元素測(cè)試結(jié)果的變化，可以評(píng)價(jià)兩臺(tái)斗輪機(jī)行走齒輪箱的磨損情況和工作情況。

圖6 主要磨損元素測(cè)試結(jié)果

齒輪箱中，主要部件為齒輪和滾動(dòng)軸承。齒輪采用鑄鐵制造，而滾動(dòng)軸承滾道及滾動(dòng)體采用的是軸承鋼，保持架用的是銅合金。因此齒輪箱中主要的磨損元素為Fe和Cu。圖6為兩臺(tái)斗輪機(jī)的行走機(jī)構(gòu)齒輪箱主要磨損元素測(cè)試結(jié)果。

由圖6可知，斗輪機(jī)A的行走減速箱在監(jiān)測(cè)期間，F(xiàn)e、Cu元素含量變化不大，表明斗輪機(jī)A處于正常磨損狀態(tài)。斗輪機(jī)B的行走減速箱在2013年7月開(kāi)始，F(xiàn)e、Cu元素含量都有增加趨勢(shì)，2013年11月，F(xiàn)e、Cu含量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別為98 mg/kg和17 mg/kg，而兩個(gè)月后，即2014年1月，斗輪機(jī)B行走減速箱的Fe為625 mg/kg，Cu元素增加到40 mg/kg，短短兩個(gè)月的時(shí)間，斗輪機(jī)B的Fe、Cu元素含量急劇增高，這意味著齒輪箱已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的異常磨損。

另一方面，斗輪機(jī)B的在用油中，Si元素也有增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在2013年11監(jiān)測(cè)結(jié)果為46 mg/kg，兩個(gè)月后再次監(jiān)測(cè)，其數(shù)值增高為132 mg/kg。由于Si元素通常來(lái)源于外界的粉塵，導(dǎo)致其急劇增加的原因很可能是油箱密封失效，這也與水分增長(zhǎng)是相吻合的。

4.鐵譜分析

鐵譜分析通常用于故障診斷，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)油中的磨粒形態(tài)、尺寸、成分及數(shù)量等綜合判斷設(shè)備磨損部位、磨損程度及故障原因。磨粒的顏色可以反應(yīng)磨粒成分，進(jìn)而判斷出磨損部位；磨粒的尺寸及大小可以評(píng)價(jià)磨損程度，而磨粒的形態(tài)則可以評(píng)價(jià)磨損類(lèi)別，進(jìn)而找出故障原因。

圖7和圖8分別是兩臺(tái)斗輪機(jī)行走齒輪箱的2013年11月及2014年1月的磨粒圖。A斗輪機(jī)磨粒為鐵磁性磨粒，呈鏈狀分布，排列均勻，分布稀疏，磨粒尺寸均在15μm以下，這是設(shè)備處于正常磨損的典型磨粒，與PQ和光譜測(cè)試結(jié)果一致。圖7中磨粒非常密集，看不到鏈狀分布，磨粒尺寸不均勻，＞15μm的磨粒數(shù)量多，且有大量的黃色銅合金，這表明該齒輪箱中的軸承、齒輪已經(jīng)發(fā)生異常磨損，特別是軸承，其銅質(zhì)保持架的磨損程度嚴(yán)重。

圖7 A斗輪機(jī)行走減速箱磨粒圖（500倍）

圖8 B斗輪機(jī)行走減速箱磨粒圖（200倍）

5.故障診斷

從理化指標(biāo)、光譜、PQ及鐵譜的測(cè)試結(jié)果表明，A斗輪機(jī)的潤(rùn)滑及磨損狀態(tài)正常，但B斗輪機(jī)行走減速箱較為嚴(yán)重。根據(jù)油品理化指標(biāo)及污染元素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，設(shè)備磨損的原因很可能是齒輪箱密封失效，外界粉塵、水蒸氣進(jìn)入潤(rùn)滑油箱，污染了齒輪油，導(dǎo)致油品劣化變質(zhì)，不能形成正常的油膜，引發(fā)設(shè)備的潤(rùn)滑不良，加上固體粉塵顆粒的污染，最終導(dǎo)致齒輪、軸承發(fā)生異常磨損。

根據(jù)分析結(jié)果，經(jīng)企業(yè)安檢部對(duì)該斗輪機(jī)行走齒輪箱進(jìn)行了拆機(jī)檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)齒輪箱密封墊老化失效，軸承保持架出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，不能起到正常的固定及保持作用，如繼續(xù)工作，極有可能造成重大事故。由于該設(shè)備處于散料碼頭，空氣中粉塵多，濕度較大，減速箱工作時(shí)溫度高，水分多以蒸汽形式存在，而停機(jī)時(shí)溫度下降，水蒸氣就凝結(jié)成液態(tài)水，沉積到油箱中。為此，安檢部對(duì)對(duì)軸承進(jìn)行修復(fù)并更換了保持架，對(duì)齒輪箱密封墊及齒輪油進(jìn)行了更換，3月份再進(jìn)行測(cè)試時(shí)，水含量恢復(fù)正常。

三、結(jié)論

（1）2臺(tái)斗輪機(jī)行走齒輪箱的油液理化分析表明，B斗輪機(jī)行走齒輪箱的潤(rùn)滑油黏度增加，且受到大量的粉塵和水污染。

（2）B斗輪機(jī)在監(jiān)測(cè)期間油樣鐵、銅元素含量及PQ指數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且元素濃度的變化與鐵譜分析中磨粒濃度的變化一致，設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)異常磨損。

（3）通過(guò)油液分析，找出了齒輪箱故障的原因是外界水分和粉塵污染導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，并由此推論齒輪箱密封可能已經(jīng)失效。對(duì)齒輪箱進(jìn)行拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)齒輪箱密封墊老化，軸承保持架出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損。

（4）對(duì)軸承進(jìn)行修復(fù)并更換了保持架，對(duì)齒輪箱密封件及齒輪油進(jìn)行了更換，設(shè)備潤(rùn)滑狀態(tài)恢復(fù)正常。通過(guò)油液監(jiān)測(cè)有效避免設(shè)備發(fā)生重大事故，保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 溫詩(shī)鑄，黃平.摩擦學(xué)原理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002

2 趙桂芹，樊建春，柴曉強(qiáng)等.油液分析技術(shù)在壓縮機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封，2006，（12）:186-188

3 嚴(yán)新平，謝友柏.油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].中國(guó)機(jī)械工程，1997，8（1）:102-105

4 李柱國(guó)，油液分析診斷技術(shù)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1997

5 王堅(jiān)，張英堂，油液分析及其在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封，2002，（4）:77-78

6 周新聰，劉東風(fēng)，程海明等.主動(dòng)維修策略與油液分析技術(shù)[J].液壓與氣動(dòng)，2004，8（6）:78-80

7 Z.Peng，N.J.Kessissoglou，M.Cox.A study of the effect of contaminant particles in lubricants using wear debris and vibration condition monitoring techniques[J].Wear，2005，258:1651-1662.

8 S.Ebersbach，Z.Peng，N.J.Kessissoglou.The investigation of the condition and faults of a spur gearbox using vibration and wear debris analysis techniques[J].Wear，2006，260:16-24