（机械工程专业论文）spiertz800t型冲压机油液监控的研究.pdf

摘要 摘要 太垄淹愿象产线是裁造汽车覆熬搏魏关键，大鍪浊燕撬又是狰压生产线戆重 要设备。炎了僚涯这一类关键设螽懿j l 三常工作，登矮及辩掌握其磨损绪浇。本文 针对某汽车制造公司的s p i e r t z 8 0 0 t 型机械偏心式冲服机，研究了通过油液监 控技术了解设备磨损情况的方法；糕合了多种技术手段，制定了一套适合该设备 运行工况要求的较完整的视情换浊捧准，建立了通过浊液分析豹故障诊断体系， 戮鬻这爨了褒浚鍪不箨筏、不鳃体翳耩猛下毒效迸缮炊态釜溺移敖薄诊獗瓣登 的。 论文以冲服机的油液为研究对象，对油液的常规璁化性能检验、油液发射光 谱分析，铁谱分析等油液检测技术在冲压机的磨损故障分析中的应用分别进行了 磅究：浚运动靛波、总酸篷、拳分、污染疫霆令摆振终必淫滚害援理趣毪熬分辑 的医素集，建立了常规理往性能稔验的单因素模糊评价体系，对油液性能劣亿作 综合评价，并采用传统的趋势分析图法与模糊评价法进行对比验证；选取磨损元 素的浓度绝澍值曲线和磨损元素含凝变化韵梯度曲线作油液光谱的定量分析，利 用灰色模型对元素豹浓度徽出了预测；采用经典数理绕诗方法确定了元索浓发静 舞袋筐；依攥铁港定量分辑蕊累积憨磨缀僮整线窝累积蘑援熬疫僮整线斡交纯趋 势图，对设备磨损状态的分析和诊断，并对d l 和d s 的值进行了预测；通谶分析 式铁谱技术分析磨粒的特征来区分磨损的部位、形式和机理。在此基础上，利用 d s 证据组台理论，针对以上三种油液监控技术，建敷信息融合模型，集成了油 滚篮整多技零系统。 总之，本文针对冲压杌的实际情况，提供了解决诧炎设备磨损监控闯藤的一 套比较完备的解决方案，结果表明了这种油液分析的故障诊断体系和预测方法具 有一定的实用价值。 关键谣；漉液黢灏；磨损；铁港分撰；灰色预瓣；麓意融合 华南理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o d u c tl i n eo ft h ep u n c hi st h ek e yo fp r o d u c i n gt h ea u t o m o b i l e p a n e la n dt h ep u n c hi sa ni m p o r t a n tf a c t o r i nt h ep r o d u c tl i n e t h e s p i e r t z 8 0 0 tm e c h a n i c a le c c e n t r i c i t yp u n c hi sr e s e a r c h e d , t h ep o s i t i o n , p r o c e s s ，s t y l ea n dm e c h a n i s mo fw e a ra r ea n a l y s e db yt h em e t h o do ft h e o i lm o n i t o r i n ga n dam e t h o do fm u l t i t e c h n o l o g yi si n t e g r a t e d t h e nas e t o fs t a n d a r do fc h a n g eo i la c c o r d i n gt ot h ee q u i p m e n to p e r a t i n ga n daf a u l t d i a g n o s i ss y s t e mo fo i la n a l y s i si sb u i l ti nt h i sp a p e rf o rt h em a l f u n c t i o n m o n i t o ra n dd i a g n o s i se f f e c t i v e l yo nt h ec o n d i t i o no fn o n - s t o p p i n ga n d d i s a s s e m b l i n g c h o o s i n gh y d r a u l i cp r e s s u r eo ft h ep u n c ha st h er e s e a r c h i n go b j e c t ， n a m e l yo i lq u a l i t yt e s t i n g ，s p e c t r o m e t r i co i la n a l y s i sa n df e r r o g r a p h y a n a l y s i si ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y ：s e l e c t i n g ，v i s c o s i t y ，a c i d ，m o i s t u r e a n dp o l l u t i o na sf o u ri n d e x e so fn a m e l yo i lq u a l i t yt e s t i n g ，s i n g l e f a c t o r f u z z ye v a l u a t i o ns y s t e mi ss e tu p i tc a ne v a l u a t et h ec a p a b i l i t yo fo i l ， a n dc o n t r a s ti tw i t ht r a d i t i o n a lt e n d e n c yf i g u r e ，s e l e c t t h e c o n c e n t r a t i o nc u r v ea n dg r a d ec u r v eo ft h ew e a rt oa n a l y s et h e s p e c t r o m e t r i co i l ，f o r e c a s t st h ec o n c e n t r a t i o no fe l e m e n t sw i t ht h eg r e y m o d e l c o n f i r mt h et o l e r a n tv a l u eo fe l e m e n t s c o n c e n t r a t i o na c c o r d i n g t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fs t a t i s t i c s ，a n a l y s ea n dd i a g n o s et h ew e a ro f t h ep u n c ha n df o r e s e et h ev a l u eo f ) l a n dd s a c c o r d i n gt h ec u m u l a t e dt o t a l w e a rc u r v ea n dt h et e n d e n c yf i g u r eo fc u m u l a t e dw e a ri n t e n s i t yc u r v e t o d i s t i n g u i s ht h ep o s i t i o n ，s t y l ea n dm e c h a n i s mo ft h ew e a r ，a n a l y s et h e c h a r a c t e r so ft h ep a r t i c l e sa c c o r d i n gt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f f e r r o g r a p h y o nt h eb a s i so ft h i s ，t h eo i lm o n i t o r i n gm u l t i t e c h n o l o g y s y s t e misi n t e g r a t e db yd e m p s t e r s h a f t e r ( d s ) e v i d e n c et h e o r y ，t h r e e k i n d so ft e c h n o l o g yo fo i lm o n i t o r i n ga n dt h em o d eo fi n f o r m a t i o n j n f t l s j o n 摘要 i naw o r d ，a i m e dt h eo p e r a t i o no ft h ep u n c h ，t h ep a p e rg i v e sp r o v i d e d as e to fs o l u t i o nf o rt h i st y p eo fm o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n dt h er e s u l t s h o w st h a tt h ed i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o ni sv a l u a b l e k e y w o r d s ：o i lm o n i t o r ；w e a r ；f e r r o g r a p h y ：g r e yp r e d i c t i o n ；i n f o r m a t i o n i n f u s i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：i ，彩汰日期；矽彩车月7 日作者签名：v 形良日期；矽形年月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：动久日期：劲衫j ， 指导刻币签锄陟锑 日期：枷六7 7 。 f 第1 章绪言 第1 章绪言 1 1s p 哐r t z s o o t 型冲压机设备概况 1 1 1s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机设备工况 汽车制造业目前已成为许多国家的支柱行业之一，近几年我国的汽车行业出 现了超常增长的态势。大型冲压生产线是加工制造轿车大型覆盖件的关键，冲压 机( 如图1 - 1 ) 又是冲压生产线的莺要组成环节。本文的监测对象是某汽车制造 公司的冲压生产线中机械偏心式冲压机的油液。该公司目前年生产轿车2 4 万辆， 平均每5 1 秒生产一辆轿车。 s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机主要部分有工作机构( 曲轴、连杆、滑块) 、传动系 统( 齿轮轴、齿轮、高速轴、皮带) 、操纵系统( 一体化液压离合制动器) 、能 源系统( 飞轮、电机) 、支承部分( 机身) 等部分组成，这些部件的失效基本是 机械磨损，各部件磨损磨粒通常都是悬浮在油液中，并同时在润滑回油管内汇集。 该冲压机的主要性能参数附录卜1 。 图卜1 冲压机结构简图 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f t h ep u n c h l 华南理工大学工程硕士学位论文 由于这种冲压机采用机械传动，传动环节多、摩擦副多、润滑的点也多，且 这些润滑点的负荷、速度、温度都不同。同时，生产汽车覆盖件的大型冲压机冲 压瞬间承受很大静载荷和冲击载荷、转速较低，齿轮常处于边界润滑状态。 1 1 2s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机的润滑油简介 s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机主要采用了m r l 5 润滑油，它是一种多用途润滑油， 由精选的基础油及一系列的特殊添加剂调配而成，具有突出的润滑、抗磨、极压、 防锈、抗氧化及抗老化性能。福斯m r l 5 润滑油的主要性能参数见表卜1 。 表1 - 1 福斯姗1 5 润滑油的主要件能参数 t a b 1 1m a i np a r a m e t e r so ff u c h si l r l 5l u b e i s o 粘度粘度 开口闪点倾点 润滑油型号 等级指数 r e n o l i nm r1 54 61 0 0 2 2 0- 3 0 1 1 3 润滑油中磨损元素的主要来源 为判断摩擦副中何种部件出现异常磨损和外界污染情况，必须了解润滑油中 各种元素的主要来源。使用过的润滑油的成分一般有三种类型，磨损元素、污染 元素和添加剂。磨损元素( 摩擦损坏或腐蚀的产物) 是一个了解部件金属结构和状 态的直接索引。污染物一般来讲和油本身无关，可能是脏物，冷却系统泄漏或因 拆卸、大修时所带进来的金属杂物等。添加剂是油品公司的秘密，将它添加到润 滑油中，来改善油的性能。根据生产厂家提供的资料及分析经验，以下总结归纳 了用光谱分析法分析的磨损元素的主要来源。 1 冲压机磨损金属来源： 铁( f e ) 来自于钢铁类摩擦副，齿轮、高速轴、齿轮轴、偏心体、一体 化液压离合制动器，若其含量迅速增加，表示可能出现异常 磨损，尤其是腐蚀磨损； 2 第1 章绪言 铜( c u ) 来自于含铜类摩擦副，主轴承、连杆轴承，偏心体衬套、一体 化液压离合制动器； 铝( a i ) 污染物、偏心体轴承等； 铅( p b ) 来自于含铅类摩擦副，主轴承轴承合金、连杆轴承、滑块等； 铬( c r ) 来自于镀铬摩擦副，高速轴、齿轮轴等； 锡( s n ) 来自于含锡类摩擦副，如铅锡合金轴承、高速轴承覆盖层，连 杆轴承覆盖层、滑块等； 硅( s i ) 硅酸盐和氧化硅是外界污染物，由于润滑油中加有防起泡添加 剂，会存在少量的有机硅； 钠( n a ) 和硼( b ) 冷却液中有大量钠和硼混合物存在，润滑油中少量这 种成分，对设备的运行并无损害。 2 冲压机的主要摩擦副 冲压机主要摩擦副有主轴与铜套、偏心体部分，齿轮副和轴承等。 a 主轴与铜套、偏心体的磨损： 偏心体是易损零件。主要是偏心体与铜套之间、铜套与主轴之间的磨损，主 要的磨损类型有：正常磨损，粘着磨损( 划伤擦伤) ，磨料磨损，腐蚀磨 损，实际上这些磨损现象不会单独出现，而是同时存在而又互相影响的。它的磨 损主要取决于润滑状态，即形成的最小油膜厚度，油膜厚度小，磨损率就会增加。 b 齿轮副的磨损：主要的磨损类型有正常磨损，点蚀磨损，这种是齿轮 磨损的主要类型，磨料磨损，吸入的空气中含有灰尘以及杂质而又没有滤清时， 都会引起磨料磨损。粘着磨损，齿轮表面滑动时，两者有极微小部分的金属直 接摩擦形成局部高温，使之熔融粘着、脱落，逐步扩大即产生粘着磨损，这种磨 损与腐蚀磨损和磨料磨损相比，是一种破坏性更大的异常磨损，出现不多。实际 磨损情况是比较复杂的，常常是上述典型磨损的组合，只是因使用条件和工况不 同各种磨损在程度上存在差别。 c 轴承的磨损：它是冲压机的关键部件，主轴承、连杆轴承在使用中所发 生的事故机率较高，其中由杂质进入液压油而嵌入轴承里造成的损较多。这些损 伤包括刮伤、疲劳、腐蚀、烧伤、早期磨损等。 3 华南瑾王大学工程硕士学垃论文 1 2 设备状态监测的必鬟性 该汽车制造公司采用了“柔设精益生产”的生产模式( 如图卜3 ) ，即多种 车型共用同一祭生产线、可根据露场霈求疆节各个车爱魄铡豹生产模式。冀核心 粥俸瑷在：离效煞柔性生产系统、爱产与市场联魂、。零库存”静谚流系统、瑗 场作业研究、企过程的质量保证控制和全员的素质提黼及持续改进。首先，这种 生产模式就臻求生产线的任何环节都不能因磨损过度而产生突发性故障，缭蹩条 生产线造成暇大的损失。再者，采嗣传统的定期解体的梭测维修方式，不仅赞时、 费力，瑟嚣影鹈整疆静蘩疫窝嫒麓鸯会。采溺巍其髂壤瑗瑟定茨缍蓥方式，提藤 预报险情，聊以明显降低维修成本。因此使设备在不俸产、不解体条件下逑行故 障诊断和预测，及时地消除隐患，在避免突发性和熏火恶性事故的发生，提高经 济效益方面具宵重大意义。 圈i - 3 冲压生产线 f i g ，l 一3a u t o p r o d u c tl i n eo ft h ep u n c h 1 3 设备磨损状态监测的主要方法 众所周知，磨损是设备零部件失效的三种主要形式( 磨损、腐蚀和断裂) 乏一， 是降低机器王终散率、准确度乃麓报废的一个重要原鞠。设备状态监测诊辑技零 兹应矮霹搽谖 燹餐合理邃配套霞爝耱最大限度遥提藏便雳寿命，茨壹重大惩毪事 故的发生、掇高经济效益。机器设备在整个寿命期内的机器故障率与使用时间有 如下“浴敲曲线”关系如图1 - 4 嘲嘲。 4 第1 章绪言 故障率 九( t ) 图1 4 机器设备磨损浴盆曲线 f i g 1 - 4 t h et u bc u r v e 用 a 区段：早期故障期，是由于设计、制造、检验测试、安装调试上的失误而 引起的。其特点是故障率较高，但它随着液压系统运行时间的延长和对出现的故 障不断排除而迅速下降。 b 区段：有效寿命故障期( 又称随机故障期) 。其特点是故障率低而稳定，近 似于常数，与使用时间关系不大；所出现的机器故障是由设计、制造中潜在缺陷、 操作差错、维护不良、环境影响等偶然因素引起的；此外，有效寿命故障期一般 比较长，是设备工作的最佳时期。不能通过调试来消除，也不能通过定期更换零 部件来预防。 c 区段：耗损故障期。故障为渐发性的，是由设备零部件的自然耗损( 如磨 损、腐蚀、疲劳、老化等) 而引起的。其特点是，故障不但随着使用时间增长而 迅速上升，维修费用也不断增长，且工作效率越来越低。如果能预先知道这段故 障期的起始时间，在它到来以前更换零部件等就可以使故障率稳定，保证系统正 常工作。 由此可见，对于设备来说，应加强元件的出厂检验和设备的整机调试及试运 转等工作，以缩短a 区段的早期故障期：开展机器设备的状态监测诊断，及时维 修保养，就可以延长b 区段的有效寿命故障期，推迟c 区段的耗损故障期的到来， 使设备的使用效率最高。 状态监测就是通过从运行着的设备中提取某种信息，包括对其进行处理，得 出的参数，以此表征该机器当时所处的工况状态“1 。磨损状态监测技术主要用于 华南理工大学丁程硕士学位论文 机器设备的维护和管理。由于大部分机器是以磨损为最终失效形式，所以磨损状 态监测技术不仅可以对己发生的设备故障进行诊断，还可以对即将发生的故障进 行及时报警，以达到避免和推迟故障发生的目的。磨损状态监测方法从分析原理 上可以分为下面几类0 1 ； l 、动态分析法 在机器正常运行的条件下，振动维持在某一较低的水平上，一旦机器出现故 障，振动形式及参数值均会有较大的变化，甚至发出不同程度的噪声，利用有关 的传感器及仪器检测和记录这种异常变化就可以诊断故障发生与否。 设备运行时借助监测系统将设备的振动、噪声信号记录或显示出来，再进行 信号分析，从而对机械设备的运行状态做出正确的判断，这就是振动监测和分析 的一般方法。目前，常用的振动监测理论与方法有：时域特征参数及波形特征分 析法、时差域特征法、幅值域特征法、信息特征法、频谱分析及频谱特征再分析 法、时间序列特征提取法、滤波及自适应除噪等。 这类方法的优点是利用检振仪器方便地测量、反应迅速，特别是容易实现在 线测量和自动报警。发展较早，比较成熟，己成为应用广泛的现代故障诊断技术 之一，它应用于大型固定的旋转设备效果较好。由于设备系统振动过程的复杂性， 对其振动产生的机理缺乏足够了解，因此建立一个较完善的数学力学模型进行定 量分析还很困难。且不易检测到早期的处于萌芽状态的故障。当机器本身有着较 多的振动源和周围有较大的振动干扰时，分析故障发生的原因和部位也有一定的 难度。对于移动和运动速度非常低的机械，振动检测基本上是无效的。 2 温度监测法 机械设备运行是否正常通常在温度上会有所反映，特别是对于设备的摩擦学 系统，表面温度是说明两个表面之间摩擦状态和润滑状态的一项重要信息。温度 是控制发生胶合的接触承载的主要因素”1 。温度还对接触区的润滑油性质起决定 作用，当润滑条件变劣，磨损加剧时，系统的温度会迅速升高。因此，根据温度 变化规律可对设备磨损状态做出判断。温度测量有两种方式：基于热平衡原理的 接触式测量和基于热辐射原理的非接触式测量( 红外线测温仪、红外热像仪) 。 3 趋势分析法 趋势分析也称性能参数监测，所监测的性能参数因机器功能不同而异，要求 6 第1 章绪言 能直接或间接地反映机器设备的工作特征。一般来说，这类参数分为基本参数、 主要参数和次要参数三种。基本参数有：长度、质量、时间、电阻、电荷、温度 和光谱等；主要参数是基本参数推导出来的，它们为：压力、功、功率、能量、 电位差、电流、电感、热导率等；由各个量之间的内在联系推导出的次要参数有： 力矩、冲量、流率、单位时间的燃料消耗率、机器单位输出的燃料消耗率，测出 性能参数值之后，通过数据处理再同其相应的基准参数或允许值范围相比较，就 可以了解机器设备所处的运行状态，并且进一步分析这些数据的变化趋势来预测 机器发生故障的可能性。 4 油液分析法 机器在运行过程中，由于不同性质和不同程度的磨损必然要伴随产生不同特 征的磨损颗粒，而大部分的摩擦磨损都是在有润滑油存在的条件下进行的。从机 器润滑系统里采集油样，把磨损颗粒分离出来，并对其进行定性和定量的分析就 是油液分析。与其它种类的监测方法相比较，具有以下优点“1 ： ( 1 ) 具有较高的准确性和可靠性。在不停机的动态监测条件下，它可以获 取更为第一手的磨损信息；而且它拥有的定性和定量分析手段，比其它方法更加 完备，特别是由于磨损颗粒的大小和数量分布与磨损发展规律相吻合。 ( 2 ) 通过对磨损颗粒材质的鉴别并与摩擦副零件材料对照，可以较为准确地 判断发生磨损的零件部位。 ( 3 ) 从现有的磨损颗粒图谱及其生成理论出发，对磨损颗粒的外观和形态的 定性分析为磨损过程的微观机制提供了充足的依据，且随着这种理论和分析方法 的不断完善，分析和判断发生磨损的原因也越来越准确。 ( 4 ) 适用于早期磨损的监测，即使对于发生比较突然的严重磨损，其磨损颗 粒特征总是有一个或长或短的演变过程，利用一定的油样采集技术，就有可能捕 获得到这种带有早期磨损特征的磨损颗粒。就可以对即将发生的严重磨损或由此 引起的机器故障做出较为准确的预报。 ( 5 ) 应用范围广、通用性强，适用于绝大多数使用油液的摩擦副的磨损监 测；更便于在设备众多的大型厂矿中实行分散采样、集中分析。而且借助于多种 杂质分离和分析技术，根据使用要求和分析仪器的条件，可以有较大的选择余地。 ( 6 ) 还可以将油液的分析技术应用于设备磨合阶段的磨损状态监测，以便 7 华南理工大学工程硕士学位论文 科学地制定磨合规范。 油液分析技术的主要局限性是要求分析人员具备较高的技术水平，有时尽管 仪器操作本身并不复杂，但是通过分析掌握机器的磨损规律、判断其磨损状态， 不但要求掌握一定的摩擦学知识，而且要通过长期分析积累相当的经验。此外监 测的准确性，还在一定程度上取决于油样的采集是否合理，即油样是否有足够的 代表性，这又取决于采样的部位、时间间隔以及采样方式等因素。 1 4 油液分析的目的、意义及主要的分析方法 由于油液分析具有准确性高、可靠性强、应用范围广等优点，目前已成为设 备磨损状态监测中的一种重要方法。实践证明，不同的磨损作用过程( 跑合期、 正常磨损期、严重磨损期) ，产生的磨粒有不同的特征( 形态、尺寸、表面形貌、 数量和粒子的分布) ，它们反映和代表了不同的磨损失效类型( 粘着磨损，磨料磨 损，表面疲劳磨损，腐蚀磨损等) 。根据磨粒的材料和成分的不同，就可以区分 磨料的来源。油液分析技术对研究设备磨损的部位和过程、磨损失效的类型、磨 损的机理有重要作用，而且也是在不停机、不解体的情况下对设备状态监测和故 障诊断的重要手段。 一般的油液分析工作分为采样、检测、诊断、预测和处理五个步骤。采样必 须采集能够反映各个零部件磨损状态的具有代表性的油液。检测是指对油液进行 分析，测量油液中磨损颗粒的浓度及粒度分布，进而判断机器的磨损状态。当判 定属于异常磨损时，需要进一步诊断，确定磨损的零部件和磨损类型。预测是指 采用一定的数学处理方法，预测该设备在未来磨损状况变化的趋势，计算处于异 常磨损状态的机器部件的剩余寿命。确定对设备的维修方式、维修时间和是否更 换零部件。 本次根据s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机的实际情况，取样位置为磨损磨粒较集中 的离合器润滑回油管，设备监测时间大致为2 0 0 5 年4 月至2 0 0 6 年6 月。 本文中主要用到的油液监控方法主要有三种： 1 油液常规理化性能检验”1 油液物理化学性能是决定其使用性能的基础，并且是由油液的分子组成决定 的。因此，判断一种油液是否符合设备的使用要求，首先必须对其进行理化性能 8 第1 章绪言 测试，来保证设备的正常润滑。主要理化指标包括：粘度、粘度指数、水份、酸 值、氧化度、污染度、闪点、倾点等。 2 油液发射光谱分析法嘲 油液发射光谱分析是一种用于预防性维修领域中的一种成功的快速评定方 法，它适用于任何的封闭的润滑系统。根据元素特征谱线可对元素进行定性分析， 根据特征谱线强度的变化可对元素进行定量分析。即使用光谱分析仪检测出油液 中所含磨粒的元素种类和含量的方法。油液光谱分析法可准确地分析出如f e 、 a l 、c u 等元素成分及其在油液中的浓度，监测过程自动化程度高、范围广、精 度高。但磨粒不能大于1 01 1m ，也不能观察和分析单个磨粒的形貌，因而损失了 一些重要信息。 3 铁谱分析法啪嘲 铁谱分析是七十年代出现的一种新的油液分析方法，利用高梯度的强磁场， 将油液样本中所含的各种磁性金属磨粒按粒度大小依次分离出来，沉积在玻璃片 上( 分析式铁谱) 或玻璃管内( 直读式铁谱) 。对所得的铁谱( 铁磁性金属的沉积谱) 进行显微检查，对磨粒形貌、大小、成分及分布的定量和定性观测，以获得机械 磨损状态信息。铁谱分析技术有效检测的磨粒粒度范围为lum 一2 0 0i lm 。其特 点是可以直观地观察磨粒的粒度、形貌、结构以及不同照射下光学特性所反映的 元素成分信息，粒度监测范围广，涵盖了大多数损伤形式开始时可能产生的磨粒 粒度范围。但自动化程度低，定量监测精度较差，随机误差因素较多，依赖于人 的主观经验，并且只能监测铁磁性元素的磨损微粒。 利用铁谱、光谱和油液理化性能分析等方法，对5 0 多台设备的液压系统进 行了状态监测与故障诊断，事后通过系统拆检测量摩擦副摩擦和观察磨损表面形 貌，对故障原因和磨损程度进行确认，对发生各类故障后出现异常磨损2 0 台系 统的诊断结果，进行统计与评价，结果“如图卜4 。在三种监测方法中，铁谱分 析法的平均准确率达7 0 ，尤其对磨料磨损，其准确率高达8 5 ，而油品理化性 能分析法对于各类磨损故障的诊断准确率仅为2 0 。对2 0 台故障设备采用铁谱 和光谱综合应用进行监测和诊断，则明显提高了诊断结果的可靠性，诊断正确率 提高到9 2 ，这对分析各类故障的原因以及采用何种措施等方面综合诊断技术提 供了可靠的信息。 9 华南理工大学工程硕士学位论文 任何一种单一的方法，都不可能全面地给出分析研究所需的全部信息和数 据，在实际运用中往往是多种手段综合诊断“。目前较多的是将油液光谱分析与 铁谱分析两种技术综合使用，则基本上可以涵盖整个磨粒粒度范围，得到比较好 的定量与定性监测分析结果。而采用多种信息融合的方法，是设备磨损状态监控 的发展趋势。 图1 - 5 几种油液分析故障比较图 f i g 1 5c o m p a r ew i t hs o m es o r t o ff a u l ta n a l y s i so fo i la n a l y s i s 1 5 本文研究的主要内容及流程图 本文利用三种油液分析技术( 即常规理化性能检验、油料发射光谱分析、定 量铁谱分析和定性铁谱分析等) ，并结合油液的取样位置因素，通过对某汽车制 造企业的s p i e r t z 8 0 0 t 型机械偏心式冲压机进行现场跟踪实验，制定了一套适 合该设备运行工况要求的较完整的视情换油标准，建立了油液分析的故障诊断体 系和预测方法。 不同的监测方法对不同故障类型都有一定的局限性，采用光谱技术、铁谱技 术综合利用的方法，才能发挥各个方法的特点。本文分析所监控对象的具体情况， 选取了以铁谱分析为主，光谱分析、油品理化指标分析为辅的基于d s 理论的多 技术信息融合的液压油综合监测分析方法。 具体本论文的主要研究内容及所做的工作如下，研究的流程如图卜6 ： 第1 章绪言部分，包括s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机设备概况、设备状态监测的必 第1 章绪言 要性、设备磨损状态监测的主要方法、油液分析的目的、意义及主要的 分析方法。 第2 章油液的常规理化性能分析，主要包括油液常规理化性能分析的详细介绍 和建立常规理化性能检验的模糊评价法。 第3 章油液发射光谱分析，主要包括油液光谱分析的原理、油液发射光谱分析 的应用、油液光谱分析的参数的确定、磨损元素浓度和梯度曲线的趋势 分析、确定油液光谱分析的界限值、油液光谱分析的预测。 第4 章油液铁谱分析，主要包括铁谱分析的原理及特点、铁谱分析的应用、铁 谱定量分析的参数及预测、铁谱定性分析的规则。 第5 章建立油液监控的多技术融合及预测系统。 第6 章换油周期的研究，使油液在能够满足设备润滑的前提下达到最长的使用 陋1 附一一 图1 - 6 研究流程图 f i g 1 6 f l o wc h a r to ft h er e s e a r c h 1 1 、lll信息融合t11iilljiiilj 华南理工大学工程硕上学位论文 第2 章油液常规理化性能分析 2 1 油液常规理化性能分析r 7 】概述 油液的常规理化性能分析是油液监测技术中最为常见的方法，其历史可追溯 到经典流体力学与流体润滑理论及其应用，这种方法所需设备简单，操作方便“4 。 即采用物理化学方法对油液进行化验，测定油液的各项理化指标。对于 s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机这一特定研究对象，需要分析测定的参数为：运动粘度、 水分、总酸度值、污染度和腐蚀度等。 粘度是评定润滑油使用性能的重要指标。这是因为粘度决定了设备的承载能 力，同时也决定了润滑剂流体的导热性能。油液只有在正常粘度时才能保证摩擦 副的润滑状态。粘度过低，会降低油膜强度( 用来阻止金属磨擦副表面相互接触 的一种能力) ，导致润滑状态恶化，加剧磨损；粘度过低还会使润滑油液携带杂 质颗粒离开摩擦副表面的能力也降低，并影响系统的密封程度。而粘度过高，则 会增大摩擦阻力，降低润滑的使用效率。 水分是润滑油质量的另一个重要的指标。存在于润滑油中的水分有两种状 态，种是溶解水，另一种是以微滴状态悬浮于油中的混合水。矿物润滑油一般 对水的溶解能力很小。这些水分是大多由于冷却剂或抗凝剂泄漏造成的。润滑油 含水会使油液乳化、破坏油膜，从而降低润滑效果而增加磨损，同时还可能侵蚀 机件的金属材料。特别是对有添加剂的油品，含水会使添加剂乳化、沉降或水分 解而失去效用。 总酸度值也是控制润滑油使用性能的重要指标之一。总酸度的监测是指由于 设备运行时的温升会使润滑油发生氧化反应，并有沉淀物形成，形成酸性状态而 引起运动部件腐蚀及磨损，导致设备使用寿命下降。酸度值大的润滑油容易造成 机件的腐蚀。石油馏分中的环烷酸虽属弱酸，在有水的情况下，对某些有色金属 ( 如铝和锌) 也有腐蚀作用而生成金属皂类。皂类会加速油液氧化，并积聚成沉积 物后破坏设备的正常工作。油使用一段时间后由于氧化而逐渐变质，其表现为酸 值增大。因此，由酸值大小可以判断使用中润滑油的变质程度。氧化度也能反映 润滑油在实际使用中氧化变质或老化倾向的重要特性，是重要质量指标。 第2 章油液常规理化性能分析 油液污染度( n a s 级) 反映了油液的污染情况，级数越高，污染越严重。国际 上目前流行的油液清洁度标准有美国的s a e 7 4 9 d ，n a s l 6 3 8 ，m i l s t d l 2 4 6 a ， m i l - h 一5 6 0 6 e ，i s 0 4 4 0 6 等，其中n a s l 6 3 8 标准( 见附录2 ) 应用广泛，此标 准的特点是对于每一清洁度等级各段尺寸范围内最大允许颗粒数一尺寸分布有规 定。但是在实践中，油液中的颗粒尺寸分布于标准中的尺寸分布不完全一致，标 准中的小颗粒数目较小，因而无法按各段颗粒数定出同一等级。因此在实际应用 中，油液中的清洁度等级一般都由油液中的小颗粒数目来决定。 s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机油液粘度升高，可能由于设备持续高温运行，冷却 不良，油液高温氧化：或由于粉尘污染滑油；或油液使用时间过长，抗氧剂、清 净分散剂损耗过快；或油液过滤设备排渣效果不好。水分增加，可能由于冷却系 统泄漏，密封垫渗漏。 上述指标是衡量油液常规理化性能分析中最常用的，通过对这些指标的测 定，可以监测油液和预测、预防机器设备因润滑不良而可能出现的故障“。 2 2 油液常规理化性能分析的应用 油液在使用过程中，由于外部因素( 空气、水、机械杂质等) 和内在因素( 化 学成分、精制深度、添加剂性能等) 的影响，总是或快或慢的发生物理、化学变 化，乃至老化变质。为保证系统的预期性能及可靠性，为了解系统中油液的性能 劣化状况，需要取样进行油液常规理化性能检验。维修过剩无法避免。因此油液 性能综合评价是一个现实而有意义的问题。 实践证明，采用传统的方法评价油液性能劣化状况，存在以下问题“”： 1 实际工作过程中，当其中一项或几项指标超出允许范围，就认为油液性能 劣化而立即添加或更换油液，将造成不必要的浪费。因为此时系统往往仍能继续 工作很长时间不出现异常磨损或故障。由于油液各项性能指标变化对系统性能的 影响程度差异很大，且各指标之间有一定的交互影响，因此仅凭一项或几项指标 超出便简单的要求换油是不全面、不科学、不合适的。 2 要合理控制换油周期，现有方法仅能对油液的各项理化性能指标进行定 性的对比评定是不够的，能对油液性能劣化程度进行综合定量评价才是关键。因 华南蠼羔犬学工程硕士学位论文 此，寻求一种新的反映油液健鼹劣纯程度的综合评价及预测方法是十分必要的。 2 。2 。l 油液鬻规理纯性能分耩应用的数学模型 油液饿熊劣化程度不是由肇的指标决定酶，丽燕受多项指标的综会影响， 而每项指标对系统的影响又是不尽相同的。因此，油液性能劣化综合评价鼹一种 典型的模糊综合评价问题“”。必须根据油液在使用过程中的实际情况，针对不同 戆设各及其运行环境等搂颧纯鲣毽其影确静程度，融矮蠢睾富经验豹瑷场蛰理秘 搡俸入员、测试工作者以及领域专象，确定各项往簸撂标影响等级模赣予祭帮擎 目标评价杯准。模糊评价由3 个骚索构成建立性能评价指标集合“”： ( 1 ) 因素繁评判对象的因素组成的集合，通常用u 袭示，若评价对象有n 个因 素，谗强u = 奴，嚣：， 。 ( 2 评价粲 评价者对评价对象所做出的m 个评语构成的集会，通常用v 表示，记为 v = v 1 ，叱，v 。 。 ( 3 ) 评价矩箨 对攀个溺索群，( 主= l ，2 ，3 ，园进行评舞，餐戮y 上静模鬏集 r l = 纯，：， ，它是从u 到y 的一个模糊映射。 设因素集u 中某个因素峨对谱价集中某元素v ，的隶属度为白，则评判集坞， 霆模凝集合褒零为爰= 藏，：，麓；。藏嚣素集u 审n 个嚣素戆攀嚣标译徐集， 可组成评价矩阵r ，有： 胄一 殿2 ： 畿 ( 4 ) 设u 中备因素的权重集= m ，m ，噱 ，其必须满足归一往，即m - 1 。 则权重集和评价矩阵r 的合成，即综合评价矩降b ，有： 1 4 ； 第2 章油液常规理化性能分析 b 一。r = 6 。，如，b n ( 5 ) 若综合评价b 中的b 。十b ：+ b 。1 ，则要对b 进行归一化处理。 2 2 2 油液常规理化性能分析实践 ( 5 ) 1 单目标模糊评价法 现使用单目标模糊评价法，根据s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机2 0 0 5 年9 月至2 0 0 6 年6 月的6 次取样数据，对油液理化性能的总体变化趋势进行评价。跟踪监测数 据见表2 - i ： 表2 - 1s p i e r t z 8 0 0 t 型冲压机液压油常规理化性能指标监测数据 t a b 2 - 1 n a m e l yo i lq u a l i t ym o n i t o r i n gd a t ao fs p i e r t z 8 0 0 tp u n c h 撕 运动粘度，4 0 。c总酸值水分油液污染度 取样日期 ( m 2 s ) ( m g k o b g ) ( 譬)( n a s 缓) 2 0 0 5 0 9 0 74 5 6 11 0 50 0 01 0 2 0 0 5 1 0 3 14 4 8 6o 5 30 0 0 51 0 2 0 0 5 1 2 0 64 5 7 60 8 50 0 01 2 2 0 0 6 0 2 2 24 5 7 00 6 40 0 0g 2 0 0 6 0 4 1 84 6 3 20 6 3 0 0 09 2 0 0 6 0 6 2 04 6 9 l 0 5 5 0 0 09 ( 1 ) 建立油液理化性能指标的因素集为： u = 如。，“：，“。“。 一 运动粘度，总酸值，水分，油液污染度 ； ( 2 ) 利用层次分析法“6 1 可以通过测评对指标进行两两比较，建立判断矩阵、 排序计算来避免由于人的主观性而导致权重预测与实际情况相矛盾现象的发生。 由n 位专家组成的专家组，对四个因素进行评判，得权重集为： w = “，屹，嵋，心 = o 4 0 ，0 1 5 ，0 1 5 ，0 3 0 华南理工大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 专家对指标的变化趋势进行评价的评价集为： y = “，v ：，b ，h = 优，良，一般，较差，差 专家对各项指标的变化趋势评分统计后，得表2 - 2 。表2 2 中a 1 表示对“运 动粘度”评“优”的专家人数与专家总人数之比；b 1 表示对“总酸值”的变化 趋势评“良”的专家人数与专家总人数之比。其他各项数值含义类推。显知，各 项数值横向和等于零，即：a + b + c + d + e l j 6 ：1 。 表2 - 2油液理化件能指标专家评分统计表 t a b 2 - 1 e x p e r t sg r a d e do ft h en a m e l yo i lq u a l i t yt e s t i n g 等级 数值 优良一般较差差 w 索、3 运动粘度a 1 0 1 2b 1 = 0 8 0c 1 = 0 0 8d 1 - - 0e 1 = 0 总酸值 a 2 = 0b 2 ：0 8 lc 2 - - 0 1 8d 2 = o ，0 le 2 = 0 水分a 3 = 1 b 3 卿 c 3 - - 0d 3 卿 c 3 0 = 0 n s 级污染度a 4 - - 0 0 9 b 4 - - 06 9c 4 = 0 1 9d 4 = 0 0 3c a = 0 将上表结果用矩阵形式表示，可得单目标评价矩阵r ： r = 0 1 2 o l o 0 9 o 8 0 o 8 1 0 o 6 9 0 0 8 o 1 8 0 o 1 9 0 o 0 1 o 0 ，0 3 b = w 。r = o 4 0 ，0 1 5 ，0 1 5 ，0 3 0 。 o 1 2o 8 0o 0 800 00 8 10 1 80 0 1o l 0000 0 0 90 6 90 1 90 0 30 = 0 1 5 ，0 4 ，0 1 9 ，0 0 3 ，0 经归一化处理得：b = ( o 1 9 5 ，o 5 1 9 ，o 2 4 7 ，o 0 3 9 ，0 可判断m 油液的理化性能指标中处于“优”的占0 1 9 5 与处于“良”的占 0 5 1 9 ，合计达7 1 4 ，占多数；而处于“中”的占0 2 4 7 ，但处于这个等级的油 液已需要更换，所以不能做为主要的判断依据。因此该油样属于正常油样。 1 6 第2 章濑液鬻援理纯拦能分析 2 趋势分析法 而与采用传统的趋势分析图( 图2 - 1 ) 的方法对比，粘度值处于4 0 5 0 m m 2 s ， 且油液污染度犬部分未超过n a s i o 级，也可以判断得出油液在以上时间段内，属 歪豢洼徉，奄肇因素摸颧谔秘法靛结论一致。 翟2 - 1 油液理化性能指标趋势分析嘲 f i g 2 - 1a n a l y s i st r e n do ft h en a m e l yo i lq t m l i t ym o n i t o r i n g 2 3 本章小结 本章介缨了油液常规理化性能分析豹几个主要测定参数：运动精度、水分、 慧酸度霞、浮染嶷帮鬻 盎度等，镑瓣s p i e r t z 8 0 0 t 麓援壤式绱，玉狰基撬瓣实耩 情况，采用单掰标模糊综合评价法对油液性能劣化作综合评价，并采用传统的趋 势分析图方法对模糊评价法进行骏证，两种方法得出的结论一致。 1 7 华南理工大学工程硕上学位论文 第3 章油液发射光谱分析 3 1 油液光谱分析的原理 3 1 1 油液光谱分析的产生 2 0 世纪4 0 年代，美国的d e n v e r r