何偉楚，李秋秋，覃楚東，許少凡，楊智宏

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤滑與檢測研究所，廣東 廣州 510530；2.工業(yè)摩擦潤滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 廣州 510530)

0 引言

機(jī)械設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中發(fā)揮著重要作用，潤滑油被譽(yù)為機(jī)械設(shè)備的“血液”[1]，其主要功能是對(duì)設(shè)備進(jìn)行潤滑、冷卻、防銹、密封、減震[2]。油液監(jiān)測是通過對(duì)機(jī)械設(shè)備在用潤滑油進(jìn)行定期檢測，獲取油中的理化、污染、磨損等三個(gè)方面的信息，反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[3]。然而，不正確的取樣操作，會(huì)對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，從而不能準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行診斷。因此，有必要研究樣品因素對(duì)油液監(jiān)測準(zhǔn)確性的影響，從而規(guī)范油液監(jiān)測中取樣和送檢的方法。

近年來，隨著設(shè)備油液分析技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，它已成為多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)維護(hù)活動(dòng)中不可缺少的手段之一，并在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷、摩擦磨損機(jī)理研究、制訂正確的磨合規(guī)范、判定潤滑系統(tǒng)污染狀況、確定潤滑油添加劑的損耗、制訂正確的換油周期、新品油的性能評(píng)定等多個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)用[3-7]。油液分析技術(shù)通過對(duì)設(shè)備的潤滑油進(jìn)行采樣檢測，潤滑油作為信息的載體，能從其中獲得設(shè)備的潤滑和磨損狀態(tài)信息，評(píng)價(jià)油品性能、設(shè)備的工況，以及預(yù)測設(shè)備故障[8]。

油液分析的檢測結(jié)果能準(zhǔn)確地反映出現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況，并直接影響診斷人員對(duì)設(shè)備故障的評(píng)定[9-10]。要獲得能準(zhǔn)確反映出現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況的檢測數(shù)據(jù)，樣品因素不容忽視。樣品因素主要包括：樣品采集的時(shí)機(jī)選擇、樣品采集的位置選擇、樣品采集器具把控等方面，任何一個(gè)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)都會(huì)影響油液分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，影響診斷人員對(duì)設(shè)備故障診斷[11-12]。

本文通過論述常規(guī)的油液監(jiān)測項(xiàng)目以及其所表征的意義，為研究樣品因素對(duì)準(zhǔn)確性的影響做好前期準(zhǔn)備。之后從采樣時(shí)機(jī)、采樣位置、采樣器具等三個(gè)方面進(jìn)行了研究，通過畫示意圖和對(duì)比油液檢測結(jié)果的方式，分析了不同采樣方式之間的區(qū)別。最后，通過對(duì)比討論，獲得了設(shè)備油液分析樣品的規(guī)范性采集及送檢方法，有利于保證油液分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和設(shè)備潤滑維護(hù)的可靠性。

1 油液監(jiān)測項(xiàng)目

油液監(jiān)測分析中，首先需要確定監(jiān)測項(xiàng)目，從而更好地發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中存在的問題。油液監(jiān)測項(xiàng)目包含理化指標(biāo)、污染指標(biāo)、磨損指標(biāo)這三個(gè)方面，選擇在用潤滑油監(jiān)測中的常規(guī)六個(gè)項(xiàng)目來研究樣品因素對(duì)油液監(jiān)測準(zhǔn)確性的影響，分別為運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、水分、光譜元素(鐵Fe、銅Cu、硅Si)、鐵譜分析。

1.1 運(yùn)動(dòng)黏度

運(yùn)動(dòng)黏度是油品牌號(hào)的劃分依據(jù)，其反映了液體的內(nèi)摩擦力，同時(shí)也表征摩擦副之間的油膜強(qiáng)度，是油品理化性能的重要指標(biāo)。在用油的黏度異常，容易造成設(shè)備的磨損。油品的運(yùn)動(dòng)黏度會(huì)因外界污染、自身氧化劣化等原因升高或降低，通過對(duì)比不同情況下采集到樣品的運(yùn)動(dòng)黏度，可以反映出樣品在污染、氧化、劣化等方面的差異。

1.2 酸值

酸值表示油中酸性物質(zhì)的含量，在用油的酸值不僅包括新油因添加劑而存在的酸性物質(zhì)，也含括在使用過程中被氧化而生成的酸性物質(zhì)。在用油酸值過高，容易造成設(shè)備的腐蝕，也會(huì)使油品的各項(xiàng)性能下降。通過對(duì)比不同情況下采集到樣品的酸值，可以反映出樣品在氧化和劣化等方面的差異。

1.3 水分

水分表示油品中含水量的多少。潤滑系統(tǒng)中水分會(huì)因?yàn)楹粑骰蛎芊馐?，而從外界進(jìn)入到油中。在用油的水分過高，會(huì)降低油膜強(qiáng)度，導(dǎo)致添加劑水解和設(shè)備銹蝕等一系列問題。由于設(shè)備潤滑系統(tǒng)存在大小不一的管路，不同位置下油品的溫度、流動(dòng)速度不盡相同，會(huì)導(dǎo)致其水分含量也不相同，通過對(duì)比不同情況下采集到樣品的水分，可以找出最接近系統(tǒng)潤滑真實(shí)狀態(tài)的樣品。

1.4 污染度

污染度表示油中的顆粒濃度和尺寸分布。油中的顆粒包括設(shè)備運(yùn)行而產(chǎn)生的顆粒物(如油泥、磨損顆粒等)，以及外界侵入的顆粒物質(zhì)(如粉塵、纖維等)。在用油的污染度過高，會(huì)造成潤滑系統(tǒng)中閥芯等精密部件的卡澀，并破壞油膜強(qiáng)度。通過對(duì)比不同情況下采集到樣品的污染度，可以找出最接近系統(tǒng)潤滑真實(shí)狀態(tài)的樣品。

1.5 光譜分析

光譜元素表示油中磨損金屬元素、污染元素、添加劑元素的含量。在用油的磨損金屬元素含量過高，則表明設(shè)備存在異常磨損或腐蝕。污染元素含量過高，則表明潤滑系統(tǒng)存在外界污染，如：粉塵、海水、硅油等。添加劑元素含量異常，則表明油品的質(zhì)量存在問題，或者潤滑系統(tǒng)存在混油現(xiàn)象。通過對(duì)比不同情況下采集到樣品的光譜元素含量，可以找出最接近系統(tǒng)潤滑真實(shí)狀態(tài)的樣品。

1.6 鐵譜分析

鐵譜分析通過將顆粒沉積在譜片上，在顯微鏡下觀測顆粒的濃度、尺寸、形貌、材質(zhì)等信息，主要是反映機(jī)械設(shè)備的磨損程度和磨損部位。在用油的磨損技術(shù)顆粒過多或尺寸過大，則表明機(jī)械設(shè)備摩擦副存在嚴(yán)重的磨損。通過對(duì)比不同情況下采集到樣品的鐵譜分析數(shù)據(jù)，可以找出最接近系統(tǒng)潤滑真實(shí)狀態(tài)的樣品。

2 樣品因素的影響

2.1 采樣的時(shí)機(jī)選擇

樣品采集有兩個(gè)時(shí)機(jī)選擇：第一選擇在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，第二選擇在設(shè)備停機(jī)狀態(tài)。設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，即熱機(jī)狀態(tài)，是指設(shè)備處于正常載荷運(yùn)行的工作狀態(tài)，其潤滑系統(tǒng)處于正常的工作循環(huán)。此時(shí)潤滑油在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動(dòng)、攪拌，潤滑油中所攜帶水分和固體顆粒能均勻地分布到油箱中，此時(shí)采集的樣品能保證足夠的顆粒信息，可以為設(shè)備故障診斷提供理想的檢測樣品，也是油液分析采樣最理想的時(shí)機(jī)。而當(dāng)設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)，即冷機(jī)狀態(tài)，潤滑系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，潤滑系統(tǒng)中的潤滑油已處于非流動(dòng)狀態(tài)，且設(shè)備內(nèi)部溫度遠(yuǎn)低于正常工作溫度，此時(shí)潤滑油中不溶物，特別是比重較大的金屬磨損顆粒和水分等雜質(zhì)，在重力的作用下會(huì)開始向油箱底部下沉，此時(shí)油箱中的顆粒分布極其不均勻，位于油箱底部的潤滑油顆粒濃度會(huì)明顯高于油箱的其他區(qū)域，而隨著設(shè)備長時(shí)間停機(jī)，潤滑油中比重較大的顆粒將全部下沉至油箱底部。設(shè)備不同狀態(tài)時(shí)顆粒在油箱中的分布示意如圖1所示。

(a)運(yùn)行狀態(tài) (b)冷機(jī)狀態(tài) (c)長時(shí)間停機(jī)狀態(tài)

為了研究不同時(shí)機(jī)采集的樣品對(duì)油液監(jiān)測準(zhǔn)確性的影響，分別在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備冷機(jī)狀態(tài)、以及設(shè)備長時(shí)間停機(jī)狀態(tài)下，對(duì)同一臺(tái)齒輪箱進(jìn)行了潤滑油樣品的采集，并對(duì)樣品進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同時(shí)機(jī)采集的樣品檢測結(jié)果

從表1中可以看出，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下油中水分、污染度、磨損金屬元素和污染元素的結(jié)果都要略高于冷機(jī)狀態(tài)和長時(shí)間停機(jī)狀態(tài)下的結(jié)果。鐵譜分析的結(jié)果差異更加明顯，運(yùn)行狀態(tài)下油中的磨損金屬顆粒含量較多，能全面地反映設(shè)備的磨損情況。因此，油液監(jiān)測中應(yīng)優(yōu)先在設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行樣品采集。

對(duì)于那些不具備運(yùn)行狀態(tài)條件下采樣的設(shè)備，應(yīng)在停機(jī)后盡快完成樣品的采集，避免因?yàn)橛椭写箢w粒的沉降造成樣品信息的缺失。美國知名潤滑管理公司Noria的研究表明，直徑為20 μm左右的巴氏合金在運(yùn)動(dòng)黏度為22 mm2/s的潤滑油中，其下降半英寸只需要2 min的時(shí)間[13]。由此可見，在設(shè)備冷機(jī)狀態(tài)下，大量能反映設(shè)備的油質(zhì)、污染以及磨損情況的顆粒由于重力作用而下沉，系統(tǒng)中的潤滑油出現(xiàn)不均勻的情況，如果所采集到的樣品位于油箱上層，那么極有可能會(huì)采集不到能準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行工況的特征顆粒，從而影響后續(xù)油液分析結(jié)果，誤導(dǎo)設(shè)備診斷工程師對(duì)設(shè)備潤滑和磨損狀態(tài)的評(píng)價(jià)。

2.2 采樣的位置選擇

在大型機(jī)械設(shè)備中，常采用循環(huán)潤滑系統(tǒng)為設(shè)備提供潤滑。循環(huán)潤滑系統(tǒng)又稱壓力強(qiáng)制潤滑或噴油潤滑，該系統(tǒng)能強(qiáng)制向設(shè)備的各摩擦副提供潤滑油，具有輸送、分配、調(diào)節(jié)、冷卻和凈化潤滑油等功能[14]。循環(huán)潤滑系統(tǒng)主要部件包括油箱、油管、油泵、過濾器、冷卻器、旁路過濾等。齒輪箱循環(huán)潤滑系統(tǒng)的示意如圖2所示。為了研究循環(huán)潤滑系統(tǒng)中不同采樣位置對(duì)油液監(jiān)測的影響，從回油總管、油箱、過濾器前/后、“死油區(qū)域”等四個(gè)采樣位置進(jìn)行分析。

1油箱 2油箱底部排油口 3旁路過濾進(jìn)油管 4旁路過濾油泵 5旁路過濾器 6濾芯排油口 7潤滑主油泵 8冷卻器 9潤滑主供油管 10測壓閥 11潤滑壓力表 12齒輪箱 13回油管支點(diǎn) 14主回油管采樣閥 15油箱呼吸器或加油口 16主進(jìn)油管 17旁路過濾回油管 18 油箱油位計(jì) 19油箱中部采樣閥

2.2.1 回油總管

循環(huán)潤滑系統(tǒng)通過主進(jìn)油管，把潤滑油提供給各摩擦副，然后通過回油管回流至油箱?；赜涂偣苁撬谢赜凸軈R集后流至油箱的管道，由于潤滑油為各摩擦副提供潤滑后會(huì)攜帶著大量的信息，在此采集到的樣品不僅攜帶了潤滑油的油質(zhì)信息和設(shè)備的污染信息，而且還攜帶了相關(guān)設(shè)備的磨損狀況信息，是設(shè)備油液分析采樣的首選位置。特別是對(duì)于大型汽輪機(jī)組和壓縮機(jī)組而言，一旦主軸承出現(xiàn)異常磨損，回油總管中的樣品就會(huì)攜帶軸瓦因異常磨損而產(chǎn)生的軸承合金顆粒，通過元素分析、磨粒分析等分析手段，能檢測出鉛(Pb)、錫(Sn)、銅(Cu)元素的異常突變以及軸承合金顆粒，為設(shè)備管理人員準(zhǔn)確評(píng)價(jià)設(shè)備潤滑和磨損狀態(tài)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

回油總管中最佳的采樣位置或者預(yù)安裝采樣閥的位置，應(yīng)選擇在潤滑油出現(xiàn)紊流的地方，通?；赜凸苌铣霈F(xiàn)紊流的地方是彎管處。回油總管的取樣位置如圖3所示，其中圖3a為取樣位置示意圖，圖3b為取樣位置實(shí)景圖。由于潤滑油流動(dòng)方向的改變，彎管處的潤滑油會(huì)在管中出現(xiàn)紊流，可以輕易攪拌起潤滑油中較重的磨損顆粒，有利于磨損狀態(tài)信息的采集?；赜凸苤杏鸵汉皖w粒流動(dòng)示意如圖4所示，其中4a為直管處流動(dòng)示意圖，4b為彎管處流動(dòng)示意圖。另外，對(duì)于安裝了回油過濾器的系統(tǒng)，應(yīng)選擇在過濾器前的管路中進(jìn)行采樣。

(a)示意圖

圖4 回油管中油液和顆粒流動(dòng)示意

為了研究回油總管中不同位置采集的樣品對(duì)油液監(jiān)測準(zhǔn)確性的影響，分別在回油總管的直管和彎管處，對(duì)同一臺(tái)齒輪箱進(jìn)行了潤滑油樣品的采集，并對(duì)樣品進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 回油總管中不同位置采集的樣品檢測結(jié)果

表2(續(xù))

從表2中可以看出，回油總管的直管處和彎管處的油液檢測結(jié)果中黏度、酸值、水分、污染度、光譜元素的差異并不明顯，但是分析鐵譜的結(jié)果差異較大，主要表現(xiàn)為彎管處的油樣中發(fā)現(xiàn)了較大尺寸的磨損金屬顆粒，這表明彎管處的紊流更能攪動(dòng)油中相對(duì)較重的顆粒，容易捕捉到設(shè)備的異常故障信息。

2.2.2 油箱

油箱中部采樣一般通過油箱呼吸器或加油口，利用專用的真空抽樣工具，將吸管伸到油箱中部進(jìn)行采樣，同時(shí)應(yīng)確保吸油管不與油箱壁接觸，防止吸油管刮蹭到油箱壁的油泥。油箱中部的取樣位置如圖5所示，其中圖5(a)為取樣位置示意圖，圖5(b)為取樣位置實(shí)景圖。由于油箱儲(chǔ)存著大部分參與潤滑循環(huán)的潤滑油，所以從油箱中部采集的油樣可以有效反映出設(shè)備潤滑油理化性能的變化情況，而該采樣位置是長期監(jiān)測潤滑油的性能變化的首選。但在此處采樣也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(a)示意圖

(1)油箱本身就具備一定的沉積凈化功能，會(huì)降低油中磨損顆粒和污染物的濃度。

(2)由于油箱儲(chǔ)存的潤滑油量較大，會(huì)造成回流潤滑油中的磨損顆粒和許多污染物被“稀釋”。

(3)對(duì)于配備有回油濾芯的潤滑系統(tǒng)，磨損顆粒和污染物都會(huì)在返回油箱之前就給過濾掉。

以上三種情況都會(huì)造成在此采樣位置的樣品缺失設(shè)備的故障信息，檢測出來的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映設(shè)備的磨損狀態(tài)和污染狀態(tài)。

為了研究油箱中不同位置采集的樣品對(duì)油液監(jiān)測準(zhǔn)確性的影響，分別在油箱上部、油箱中部、油箱下部等處，對(duì)同一臺(tái)齒輪箱進(jìn)行了潤滑油樣品的采集，并對(duì)樣品進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3(續(xù))

從表3中可以看出，油箱中不同位置的油液檢測結(jié)果中黏度、酸值、水分、光譜元素的差異并不明顯，但是污染度和分析鐵譜的結(jié)果差異較大，油箱從上到下，油品的固體顆粒的含量越來越多。因此，油箱中取樣要根據(jù)實(shí)際的檢測目的來確定取樣位置。如果確實(shí)需要在油箱中取樣，為了避免取不到顆粒，或者取到之前沉積的顆粒，油箱中部位置是相對(duì)較好的選擇。

其中，油箱底部的排油口(排污口)的其中一個(gè)功能是分離及沉積油液中較重的污染物，如油泥、金屬磨粒、水分等，當(dāng)油液從設(shè)備各潤滑點(diǎn)回流到油箱時(shí)，所攜帶這些污染物由于比重較大，會(huì)因?yàn)橹亓Φ淖饔枚蛛x、沉積到油箱底，最后集中在油箱的最底部位?？梢酝ㄟ^油箱底部的排污口排出油箱中的固體顆粒、水分、油泥等污染物。因此，在油箱底部排油口所采集的樣品，其檢測到的污染度等級(jí)、金屬元素含量以及水分含量會(huì)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，不能準(zhǔn)確反映出設(shè)備的污染和磨損水平，影響對(duì)設(shè)備的工況評(píng)價(jià)和故障預(yù)測的準(zhǔn)確性。

2.2.3 過濾器前/后

過濾器前指的是過濾器上游，而過濾器后指的是過濾器下游，過濾器下游的樣品都已流經(jīng)過濾器，樣品中原本所攜帶的磨損顆粒、污染顆粒都會(huì)被攔截，兩者所采樣品的區(qū)別在于污染顆粒和磨損顆粒濃度不同，過濾器前的采樣效果相當(dāng)于在油箱中部采樣，而過濾器后的采樣不能準(zhǔn)確反映設(shè)備的磨損狀態(tài)和污染狀態(tài)，但可以通過對(duì)比過濾器前后樣品的污染顆粒濃度變化來對(duì)過濾器的過濾效果進(jìn)行有效的評(píng)估，為更換過濾器濾芯提供科學(xué)的依據(jù)。對(duì)于擁有離線過濾系統(tǒng)的設(shè)備，過濾前的樣品相當(dāng)于油箱底部樣品，而過濾后的樣品相當(dāng)于油箱中部樣品。潤滑系統(tǒng)的過濾器前/后取樣位置示意如圖6所示。

圖6 潤滑系統(tǒng)過濾器前/后取樣位置示意

為了研究潤滑系統(tǒng)中過濾器前/后采集的樣品對(duì)油液監(jiān)測準(zhǔn)確性的影響，分別在過濾器的前面和后面，對(duì)同一臺(tái)齒輪箱進(jìn)行了潤滑油樣品的采集，并對(duì)樣品進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 過濾器前/后采集的樣品檢測結(jié)果

表4(續(xù))

從表4中可以看出，過濾器前/后的油液檢測結(jié)果中黏度、酸值、水分差異并不明顯，水分有輕微的下降，源于紙質(zhì)濾芯在啟用初期有一定的吸水性，而污染度、光譜元素、分析鐵譜的結(jié)果差異較大，由于過濾器將油中的固體顆粒攔截，導(dǎo)致了這三項(xiàng)數(shù)據(jù)的差異。因此，如果不可避免在過濾器附近取樣，則過濾器前的樣品更具代表性。

2.2.4 “死油區(qū)域”

循環(huán)潤滑系統(tǒng)中的所謂“死油區(qū)域”，是指該區(qū)域的潤滑油長期滯留不走、不參與到整個(gè)潤滑油循環(huán)，如壓力表延伸管、再生系統(tǒng)管路、過濾器底部的排污口等。潤滑系統(tǒng)中常見的“死油區(qū)域”如圖7所示。由于這些區(qū)域的潤滑油長期滯留在一個(gè)地方，不參與到整個(gè)潤滑系統(tǒng)的循環(huán)，潤滑油的氧化程度、顆粒濃度都會(huì)明顯高于整個(gè)潤滑系統(tǒng)油質(zhì)的平均值，不能作為長期設(shè)備油液監(jiān)測的采樣點(diǎn)。

圖7 潤滑系統(tǒng)中常見的“死油區(qū)域”

2.3 采樣的器具

采樣前必須確保采樣器具和取樣閥的清潔。應(yīng)該采用專用的采樣瓶進(jìn)行采樣，取樣閥應(yīng)帶外帽。如果使用到真空抽樣器，應(yīng)選用清潔的一次性吸管，避免不同油品之間重復(fù)利用而造成交叉污染。當(dāng)取樣閥與主管路間存在“死油區(qū)域”時(shí)，應(yīng)排出10倍“死油區(qū)域”的潤滑油，再進(jìn)行采樣[15]。油液監(jiān)測采樣器具以及取樣閥的保護(hù)分別如圖8、圖9所示。

圖8 油液監(jiān)測采樣器具

圖9 取樣閥的保護(hù)

3 結(jié)論

(1)在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下采集的樣品，能準(zhǔn)確反映出設(shè)備的運(yùn)行狀況，可以為設(shè)備故障診斷提供優(yōu)質(zhì)的檢測樣品，也是油液分析采樣最理想的設(shè)備狀態(tài)。

(2)循環(huán)潤滑系統(tǒng)中的回油總管是整個(gè)潤滑系統(tǒng)的潤滑油必然流經(jīng)的地方，該管路上潤滑油攜帶著的信息量大，在此采集到的樣品不僅攜帶了潤滑油的油質(zhì)信息和設(shè)備的污染信息，而且還攜帶了相關(guān)設(shè)備的磨損狀況信息，是設(shè)備油液分析采樣的首選位置。

(3)采樣前必須確保采樣器具和取樣閥的清潔，選用清潔的一次性吸管，避免因重復(fù)利用而造成樣品間的交叉污染。

(4)油液分析技術(shù)實(shí)際是檢測分析設(shè)備某一時(shí)間點(diǎn)的潤滑磨損狀態(tài)，樣品采集完應(yīng)盡快送到檢測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，這樣留給現(xiàn)場更多的時(shí)間來采取維護(hù)措施，減少設(shè)備停機(jī)損失的風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本。