12V135柴油机油液原子光谱分析诊断研究

黄云水,徐建明,黄 雄

(1.91370部队,福建福州 350015;2.92403部队装备部,福建福州 350007)

基于油液光谱分析的柴油机磨损故障诊断是随着摩擦学的发展而发展起来的。它可以分析柴油机在用油磨损金属颗粒的成分、浓度,获得其磨损部位和磨损程度的信息,评价、预测柴油机的磨损状态,确定柴油机磨损故障原因、类型及部位。

1 油液原子光谱分析法

原子光谱分析技术是利用油样中所含金属元素原子发射或吸收不同特征波长的谱线来进行金属元素的定性和定量分析技术,它可以有效地监测机械设备润滑系统中润滑油所含磨损颗粒的成分及其含量的变化。

油液中的金属来自 3方面:一是油品添加剂中带来的金属元素,如 Ca、Ba、P、Zn、Mg,这类元素来源于油中抗氧化剂、分散剂、抗磨剂等;二是外界污染物携入的,如 V、Na、Si等;三是摩擦副表面磨损产生的,如 Fe、Pb、Cr、Cu、A1等元素。

由此可见,柴油机各摩擦副金属材料并不相同,柴油机磨损金属元素与油中添加剂的金属元素也不相同,即油液金属元素与柴油机摩擦副磨损存在着对应关系,因此通过柴油机在用油原子光谱分析,可以对柴油机摩擦副磨损部位进行定位分析。

原子发射光谱可以检测 10μm以下小颗粒 (5 μm以下几乎是 100%覆盖),柴油机发生异常磨损时,大颗粒数量比小微粒增长更快,滤清器的过滤作用使得 10～20μm以上的大磨粒被滤除。而小磨粒不受过滤影响,10μm以下的小颗粒数量会随着磨损恶化程度而相应的增加 (如图 1所示),因此原子发射光谱可用于柴油机磨损定量分析[1]。

图1 磨损状态和磨粒粒径分布关系图

2 三线值法

界限值方法是油液监测领域最基本、也是最实用的方法。它是对监测数据绝对值 (或梯度)进行计算的一种统计分析方法。研究发现,机械磨损过程中磨粒的浓度分布基本符合高斯正态分布,在这个假设下,产生了三线值法。三线值法是对监测数据绝对值计算的方法,以时间为主线,来描述设备系统的整体变化趋势。它是一种纵向分析方法,目的是建立包括计算参数时间曲线、基线、警告线和危险线在内的磨损趋势图,以直观地反映设备的磨损状态。在计算时采用如下公式[2]:

正常界限值:

警告界限值:

危险界限值:

三线值法将柴油机磨损状态划分为正常、预警、警报 3种,相对应的状态间的临界点的判断和识别,成为准确评价设备运行状态的关键。

3 柴油机磨损金属元素浓度界限值计算

原子光谱分析技术能够快速有效检测出油样中所含 20多种金属元素及其浓度值,对于不同的研究对象,可以从众多元素参量中选择具有代表性的元素参量进行分析。监测发现,12V 135柴油机在用油中 Sn、Ni、Ag含量很低而变化不明显,即表明了 12V135柴油机主要摩擦副与这 3种元素相关性非常弱。对于 12V135柴油机而言,其主要摩擦副的磨损元素为:Fe、Cr、Pb、Cu、Al元素,因此选定该 5种元素作为研究 12V135柴油机磨损状态的参数。

根据某台12V135柴油机30个油样原子光谱分析数据计算界限值,其计算结果如表 1所示。

表1 12V 135柴油机油液光谱分析界限值计算结果

4 柴油机磨损元素浓度界限值修正

对于同一型号的 12V135柴油机,由于其运行、使用、维修等各不相同,其磨损元素的浓度变化规律也不尽相同,但在数据量较大时,该差异逐渐缩小甚至可忽略。因此制定的界限值可以适用于同一型号的柴油机。同时界限值不是固定不变的,需要在数据积累的基础上不断地修正,以真实反映设备的运行状态[3]。

基于历史数据分析、故障统计和维修实践验证,对界限值进行了修正,优化了 12V135柴油机油液光谱分析磨损金属元素浓度的界限值,如铁元素正常值为小于 130×10-6(百万分之一),预警值 (130～200) ×10-6,警报值为大于 200×10-6。修正后的界限值见表 2。

表2 修正后的界限值

5 Fe、Cr、Pb、Cu、Al 5种元素相关性分析

经过对 126个样本数据进行的相关性分析计算,5种元素的相关系数如表 3所示。

表3 5种元素相关性分析

5.1 铝元素与铁、铬元素的相关性

由表 3可知,铝元素和铁元素的相关系数为0.75,说明两者之间的相关性很强,铝元素含量随着铁元素含量的增长而增长,其变化的趋势见图2,这说明 12V135型柴油机铝合金活塞磨损随着缸套磨损间隙的增大而加剧。

由表 3可知,铝元素和铬元素的相关系数为0.75,说明两者之间的相关性很强,铝元素含量随着铬元素含量的增长而同步增长,其变化的趋势见图 3,这表明 12V135型柴油机活塞环磨损随着活塞磨损而加剧。

铝元素含量和铁、铬元素含量的相关性分析表明了,12V135型柴油机活塞随着缸套 -活塞环的磨损而急剧磨损。

图2 铝元素含量随铁元素变化的趋势图

图3 铬元素含量随铝元素变化的趋势图

5.2 铬元素与铁元素的相关性

由表 3可知,铬元素与铁元素的相关系数仅为0.61,其相关性比铝铁元素之间的相关性要弱。但从铬元素含量随铁元素含量变化的趋势图 (如图4)看,铬元素含量与铁元素同步增长的趋势还是比较明显的。这表明铬、铁元素的相关性也很强,但它不同于铝、铁的相关性。

从铬元素含量随铁元素含量变化的趋势图(见图 4)中分析发现,铬元素含量达到一定水平时 (约 40×10-6),不再明显增长,铁元素含量因缸套、活塞环的磨损而继续增长。这表明:缸套严重磨损后,由于缸套与活塞环的间隙变大导致润滑恶化,使得活塞环开始剧烈磨损,由于活塞环表面镀铬层较薄,镀铬层磨损殆尽后其元素含量不再增加,而活塞环和缸套磨损进一步加剧。当铬元素含量低于 20×10-6时,而铁元素含量接近或超过 200×10-6,预示着柴油机缸套磨损不是铁元素含量增长的主导因素,可能是主轴承等其他摩擦副严重磨损所致;当铬元素含量高于 20×10-6,且铁元素含量接近或超过 200×10-6时,预示着柴油机的缸套和活塞环已经严重磨损。铬元素浓度超标必然伴随着铁元素浓度超标,因此,铬元素浓度是反映缸套 -活塞环磨损的特征指标。

图4 铬元素含量随铁元素变化的趋势图

5.3 铜元素与铁元素的相关性

由表 3可知,铜元素与铁元素的相关系数为0.72。从图 5可以看出,两者同步增长的趋势并不明显。这表明,多数情况下铁元素含量主要由缸套摩损所产生。铜元素主要来自主轴承的磨损,正常情况下铜元素含量较低且增长比较缓慢,当主轴承摩擦副严重磨损时,将产生大量的铜、铁元素磨粒。因此,从铁元素含量随铜元素含量变化的趋势图 (图 5)可以得到如下结论:一是铁元素含量的剧增并不一定伴随着铜元素含量的增长;二是铜元素含量的剧增必然伴随着铁元素含量的剧增。

图5 铁元素含量随铜元素变化的趋势图

5.4 铜元素与铅元素的相关性

铜元素与铅元素的相关系数为 0.47,两者的相关性较弱,说明它们分别是两种不同摩擦副表面的主要成分,即 12V135型柴油机的主轴承与连杆轴瓦分别是铜、铅元素的主要来源,两者之间没有必然的联系。

从 12V135柴油机 5种磨损元素相关性分析可以总结出以下基本规律。

1)铝 -铁、铝 -铬、铬 -铁元素存在着强的相关性,铜 -铁、铜 -铅元素之间的相关性较弱,具体关系与磨损机理如表 4所示。

表4 12V 135柴油机 5种磨损元素相关性

2)5种金属元素浓度可用于判断 12V135柴油机磨损部位,具体对应关系如表 5所示。

表5 5种金属元素浓度与 12V 135柴油机磨损部位的对应关系

6 结论

原子发射光谱分析是监测柴油机磨损状态的重要手段,界限值是柴油机磨损状态评价的主要方法,通过界限值计算与优化、数理统计、相关性分析,可以对柴油机磨损部位和磨损程度进行准确地识别、预报、判断,为舰艇装备的管理、使用和维修提供科学依据。