油液污染分析在机械磨损检测中的研究进展

1 油液污染与磨损的关系目前油液污染检测技术已成为检测机械系统油液污染与磨损的-个重要方法 该技术通过对机械润滑系统油液的分析.可以获得磨粒的数量、尺寸、形貌和成分等信息.也可以判别出磨损元件发生的部位、类型以及发生磨损的程度；能够预防系统故障、预测发展趋势，并及时采取应对措施.还能够使设备从定期、定时维修向状态维修转变 .这样既减少了维修时间，也降低了维修费用.资源得到合理利用。利用油液污染技术来判别污染对磨损影响关系是-种多学科的综合诊断技术 。涉及摩擦学、计算机、图像处理、人工智能等众多领域的知识 .众多学者在这方面的研究也取得了-定成效，本文就油液污染对磨损影响关系研究进展做-些阐述。

基金项目：重大装备油液在线监测与智能诊断系统的研制(中国机械工业集团公司项目编号：SINOMACH l1科 90-24号)收稿日期：2013-01-15作者简介：Kt勇(1967-)，男，天津人，教授 ，博士。主要研究方向：流体传动与控制理论、机械设计理论。

润滑油是机械设备的血液”，它不仅起着润滑、密封、冷却、清洗和防腐等作用，本身也携带着丰富的摩擦、磨损信息。因此，运用油液污染监测技术可以对润滑油所蕴含的摩擦学信息进行分析.定性和定量地描述设备的磨损状态 .找出诱发因素 ，评判机器的工况和预测其故障.并确定故障部位、原因和类型[1]。

1.1 污染指标润滑油本身的清洁程度不仅影响系统的工作性能.也直接影响着机械元件的使用寿命。因此，润滑油的污染指标对于润滑系统来说是有重要的意义.污染指标低于系统允许的最大值时.润滑油不仅起到密封、冷却的功能.对于减少机械元件的摩擦磨损也起到重要作用。

油液的污染指标常用单位容积油液中固体颗粒污染物的含量来表示.这些固体颗粒污染物不仅包含粉尘、油液氧化产生的油泥等 ，还包括设备运行过程中，由于表面的接触和摩擦产生的磨粒 油液的污染指标不仅能通过污染度定量表示 (判别油液污染标准通常液压 气动 与 密封/2013年 第 07期有 ISO、NAS、SAE等)，也可以通过光谱、铁谱、PQ等油液监测技术定性表示1.2 磨损指标机械系统在运行的过程中会经历磨合阶段.稳定磨损阶段.剧烈磨损阶段三个过程。不同的磨损机制产生的磨粒对油液造成的污染有所不同 通过油液检测技术可知系统在磨合阶段的磨粒特性是磨粒体积大而少.稳定磨损阶段产生多而小的磨粒。前两个阶段的磨粒会对油液造成-定程度的污染.但并不影响油液的整体性能：到了剧烈磨损阶段会产生体积大而多的磨粒.会对油液造成严重的污染 .这时应该采然油等措施保护系统正常运行- 般而言.机械的磨损指标可以通过油液中磨粒的类型、大孝含量等表示出来 ，磨粒不同的特性则表明不同的磨损程度 利用油液污染监测技术.通过光谱、铁谱、PQ等技术手段可以综合评判油液中磨粒的特性。因此，-个系统的磨损指标与污染指标是相互关联和影响的.光谱、铁谱等技术可以判断油液是否存在污染.机械部件的磨损同样可以通过这些检测技术来判别。油液污染会导致机械磨损.而磨损的发生会加剧油液的污染2 铁谱技术在磨损检测中的应用铁谱技术(Ferography)是 2O世纪 70年代出现的- 种油液污染检测方法。通过对磨粒的形态、大孝成分以及粒度分布等定性和定量观测.获得有关摩擦副和润滑系统等工作状态的重要信息由于铁谱技术能按磨粒大小依序沉积和排列并实现直接观察机械磨损的产物.铁谱技术在摩擦学理论研究中得以应用.尤其是在磨损、润滑理论方面，铁谱技术提供了-个新的途径 袁成清等[51检测油液中磨粒信息获得滑动轴承的磨损表面特征 .进而进行滑动轴承的状态诊断。对滑动轴承磨柳行铁谱分析.比较观察不同阶段滑动轴承的磨损表面形貌.对不同磨损形式下滑动轴承磨损表面和磨粒关系进行了分析 结果表明.根据润滑油中监测到的磨粒信息来判断磨损状况，从而达到及时的故障预测和诊断，避免发生重大机器失效事故.降低经济损失。丁芳玲、李曙光等[61运用铁谱技术对设备的磨损状态进行了检测：并对固定式燃气发动机-压缩机组进行了定量磨损趋势和定性磨损状态的监测研究 。监测结果表明：铁谱技术对机械设备的磨损趋势及突发故障能进行有效的监测。但是。铁谱技术的不足之处是对铁谱片的观察依赖于技术人员的熟练程度、工作经验等。同-个铁谱片不同的观察人2员得到的结论有 时会有很大的差别 ，为 了弥补这-缺陷.近年来国内出现了可视铁谱仪，可以利用图像处理技术等在铁谱仪上直接读出磨粒形状、尺寸等，但这种技术在应用上并不是很成熟.有待于进-步的研究。

3 光谱技术在磨损检测中的应用光谱技术的应用早在 2O世纪 40年代 .美国铁路系统首先采用油液光谱分析技术对铁路机车柴油机的运转工况进行了监测 11 它是最早应用于机械设备状态检测和故障诊断并取得成功的油液污染监测技术之-. 通过光谱分析可以得到润滑油中各种微量元素成分及其含量，获取以下信息：(1)磨损元素的成分和含量。根据设备运动摩擦副零件的材料构成.可以判断磨粒产生的可能部位。

(2)添加剂元素及污染物元素的成分和含量。根据润滑油的性能要求.可以判断润滑油的劣化变质程度。

(3)磨损变化率。磨损变化率是指单位时间内主要磨损元素含量的变化，可表征磨损的增长速度。根据磨损元素变化率可以判断摩擦副的磨损趋势及其严重程度。

经过近半个多世纪的发展.光谱分析技术应用的领域越来越多。其中在机械磨损监测方面，光谱技术起到了重要的作用 张培林等㈦运用光谱技术通过分析12150发动机在不同磨损阶段磨粒特征的关系.得到了12150发动机在正常磨损和异常磨损阶段的磨损规律。

并开发出基于油液分析的发动机磨损故障诊断专家系统.并通过实践证明了这种方法的可行性。张晶、朱子新等t 3]研究了原子发射光谱技术在航空发动机磨损失效分析中的应用.介绍了应用光谱分析技术检测润滑油总金属屑的含量来判断和预防航空发动机磨损故障的-般方法.指出航空发动机润滑系统润滑油中金属磨屑的参数变化可以作为航空发动机磨损状态的信息.预报航空发动机磨损状况和失效.并列举了该方法在航空发动机磨损失效分析中的-些典型应用实例。

在机械磨损状态的监测过程中.有时仅仅运用-种监测技术是不能满足要求的。所以，综合运用油液污染监测技术更能反映机械的磨损状态。王立勇、马彪等㈣基于油液检测的综合传动台架磨合期磨损规律研究 。

指出可以通过检测油液中磨粒的数量信息和形貌信息对磨合质量进行评判。综合利用油液光谱、铁谱和颗粒计数分析技术可以有效监测综合传动台架磨合过程磨损量变化规律、评判磨合期及监测磨损失效的发生。

4 油液污染对磨损影响的研究进展油液污染不仅会影响油液的本身性能.使油品的理化特性等发生变化：油液污染还会对机械造成-定Hydraulics Pneumatics＆ Seals/No.07.2013程度的影响.加速摩擦副的磨损 .降低元件的使用寿命。针对油液污染对机械磨损的影响，很多专家、学者利用图像处理技术 、计算机技术、人工免疫系统、不同数学方法等从不同的角度做了-系列的研究[15-18]磨粒的形态作为磨损判断的主要依据 .主要包括三个方面：形状、表面纹理和颜色。武汉理工大学的陈怀松、严新平 91将图像处理运用到铁普技术中 具体方法是使用阀值分割法 .把图像分割成-些包含对象的区域，然后根据这些区域的形状、大小等性质.进行进- 步的分析.得到磨粒参数.在得到所有类型铁谱图像的背景和磨粒颜色特征的标准值后.就可以在此基础上进行铁谱图像分类.然后再根据磨粒颜色特征和磨粒的其他特征进行磨粒识别 .从而可以判断磨损的类型和程度。文献 对磨粒分析与特征量化描述问题进行了研究 .通过改进图像特征描述参数和提出新参数的方法 .对现有的参数进行筛选，从而形成了-套比较完善的磨粒特征描述体系.也更好地说明了铁谱技术与机械磨损之间的相互关系随着计算机软件编程语言的进步.尤其是面向对象编程语言的出现.出现了大量采用不同语言工具集合数据库技术开发的机械磨损状态监测的计算机辅助系统。

计算机辅助系统不仅可以实现信息处理、报告生成以及监测参数的图形绘制功能.还可以为技术人员提供最新的磨损信息.工作人员可以根据监测的结果对机械系统进行视情维护 。姚智刚、王伟钢等[241利用计算机辅助技术开发了两级油液数据管理及实时分析系统 该系统通过所监测到的数据.捕捉设备是否发生异常并预测磨损监测指标的发展趋势.还可以根据系统的数据管理模块对所监测到的数据进行评判.从而判断油液的污染指标.确定是否需要进行换油处理。

高经纬、张培林等阎研究了-种基于油液光谱分析和免疫原理的内燃机磨损故障诊断方法.在油液分析领域引入免疫原理.建立了-种新的基于生物免疫原理的内燃机磨损故障诊断方法 实验表明利用 AIS的快速异常判断能力、良好自适应性以及强大的模式识别能力.通过油液污染监测技术能够有效地诊断内燃机处于何种磨损状态。随着研究的深入.数学方法在研究油液污染与磨损的关系上起到了十分重要的作用。

数学方法的应用使污染与磨损的关系更加清晰化。数字的表示让人们更加认识到油液污染对机械系统的危害、预防油液污染的重要性。邓勇、高虹亮等[263通过油液污染度与磨损状态的关联性分析研究 .运用灰色理论。

计算了重量污染度与磨损金属元素铁、铜之间的灰色关联度.指出了油液污染度可以在-定程度上反映机械的磨损程度。谢三毛[z71通过对机械磨损故障智能诊断系统的设计.介绍了基于灰色关联度的磨粒识别机理.运用灰色理论建立磨粒模式与标准磨粒模式之间的关联度，通过比较关联度的大校确定磨粒和磨损类型。

通过对光谱、铁谱等油液污染检测技术的综合应用〃立起油液污染与机械磨损之间的相互关系。通过这种关系.技术人员能够及时准确地对系统进行跟踪维护，进-步提高系统的利用率。但是由于铁谱、光谱等检测技术局限性.单-的-种技术并不能反映机械系统的磨损特征，在操作上给技术人员带来了很大的不便。如果能有-种技术既能够分析油液的污染度，又能够定性、定量的对磨柳行有效的分析 ，将会使污染与磨损的检测更加方便快捷.遗憾的是 目前没有任何-种技术满足这-需求.这也是很多学者正在进行研究的方向。

5 结束语科学技术的发展.使油液污染监测技术 日臻完善，伴随着人工智能和信息融合的多手段分析技术.如将灰色理论、人工免疫系统 、图像处理技术等应用在油液监测领域.更能够发掘出油液中所包含的有关机械故障的信息.这都能够帮助工作人员及时发现故障，及早制定预防维修方案。但是，由于这些方法还处于研究阶段，如何能够将这些技术手段真正地应用到油液监钡0领域。真正做到融合贯通.利用这些技术快速准确地对设备做出判断.这都需要这-领域的专家学者做更深入的研究。