淺談?dòng)鸵罕O(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展

李茂華，李小飛，楊 博

(新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

自從第一次在 1941年美國(guó)鐵路行業(yè)首先采用了光譜分析對(duì)內(nèi)燃機(jī)車潤(rùn)滑中的磨粒元素種類和含量進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)以來應(yīng)用到如今，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，新技術(shù)、新設(shè)備不斷的促使油液監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到越來越多的工業(yè)領(lǐng)域。在上世紀(jì)60年代中期，激光技術(shù)的發(fā)展使“顆粒計(jì)數(shù)法”第一次在油液監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用，最初主要是用于評(píng)價(jià)油品污染的程度，隨著工藝的復(fù)雜化，設(shè)備的精密化，該項(xiàng)技術(shù)逐漸延伸到設(shè)備故障診斷的領(lǐng)域。其中鐵譜技術(shù)的出現(xiàn)，為油液監(jiān)測(cè)(Oil Monitoirngl)技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了飛躍為油液監(jiān)測(cè)中磨損理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅在機(jī)械工程領(lǐng)域、裝備制造、故障維護(hù)以及摩擦理論學(xué)的發(fā)展發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用，為工業(yè)制造中節(jié)能減排，降本增效上取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。通俗來講，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過對(duì)工業(yè)設(shè)備潤(rùn)滑油樣品進(jìn)行取樣，利用多種的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，對(duì)樣品的理化指標(biāo)、污染物指標(biāo)和磨損指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)備的的實(shí)際工況、潤(rùn)滑狀態(tài)等進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果分析，不但可以對(duì)在用設(shè)備的磨損狀態(tài)進(jìn)行定性和定量分析，還可有效的對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)防預(yù)測(cè)，結(jié)合摩擦磨損特性的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，可以對(duì)設(shè)備的故障類型、故障部位、故障原因和進(jìn)行快速而科學(xué)的診斷，這對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中裝置設(shè)備的安全運(yùn)行有著重要而深遠(yuǎn)的意義[1]。

1 油液監(jiān)測(cè)技術(shù)內(nèi)容

目前，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)使用最廣泛和有效的手段，主要時(shí)潤(rùn)滑油理化指標(biāo)分析和磨損顆粒分析。前者通過監(jiān)測(cè)油品添加劑的損耗情況、基礎(chǔ)油衰變情況、以及油品理化性能指標(biāo)的劣化程度，來監(jiān)控設(shè)備的潤(rùn)滑狀態(tài)及潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的設(shè)備故障。后者是通過對(duì)潤(rùn)滑油中磨損顆粒的尺寸、形貌、數(shù)量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的診斷、實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)、最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的按質(zhì)換油、延長(zhǎng)潤(rùn)滑油的使用期限的目的，最終達(dá)到對(duì)設(shè)備摩擦狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的目的，通常情況下，設(shè)備的磨損呈現(xiàn)一種緩慢上升的狀態(tài)，從最初的摩擦磨合到穩(wěn)定的磨損，最終出現(xiàn)劇烈磨損階段，也就是我們常說的故障高發(fā)期階段，具體情況可如圖1[2]所示。

圖1 磨損的三個(gè)階段

2 油液監(jiān)測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)自誕生以來到現(xiàn)在雖然發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，但在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用卻得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，常見的油液檢測(cè)技術(shù)見表1。

表1 常見的油液監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

3 油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

“自動(dòng)故障診斷”和“在線磨損監(jiān)測(cè)”兩項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)是油液監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的重要方向，設(shè)備工況的故障診斷監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)化的工程，不僅對(duì)故障產(chǎn)生原因、部位進(jìn)行科學(xué)的定位，同時(shí)還要對(duì)在用工業(yè)設(shè)備磨損狀況進(jìn)行日常預(yù)防監(jiān)測(cè)，從近年來油液監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展來看，“在線化”、“智能化”、“集成化”是今后油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向[4]。

3.1 開發(fā)新的摩擦學(xué)數(shù)學(xué)模型

鐵譜分析技術(shù)雖然有其特殊的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，但鐵譜分析技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用能力目前仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化，例如，如何將設(shè)備運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行參數(shù)量化是目前鐵譜分析技術(shù)面臨的難點(diǎn)，需要建立一個(gè)新的數(shù)學(xué)模型將“摩擦副材料特征”、“工況負(fù)荷變化”、“磨粒生成機(jī)理”、“運(yùn)動(dòng)軌跡”等重要的技術(shù)參數(shù)有效的融合到設(shè)備診斷數(shù)學(xué)模型中，將這些量化后的參數(shù)為實(shí)際設(shè)備監(jiān)測(cè)過程中的設(shè)備磨損狀態(tài)的故障診斷和自動(dòng)識(shí)別提供科學(xué)研判的依據(jù)，進(jìn)一步改善監(jiān)測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性、時(shí)效性、客觀性，通過監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，5G云計(jì)算找出規(guī)律，并應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行診斷評(píng)估是今后設(shè)備故障監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展技術(shù)方向。

3.2 新型磨粒自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的開發(fā)

由于多種原因，油液監(jiān)測(cè)技術(shù)中的磨粒識(shí)別大多主要直接通過顯微鏡的觀察，盡管這種分析具有操作靈活，速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是這種分析手段過度的依賴檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，在某些情況下，會(huì)帶來較大的檢測(cè)誤差。近年來磨損顆粒的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)得到了快速的發(fā)展，越來越多的諸如圖像分析理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊識(shí)別技術(shù)等多新技術(shù)逐漸應(yīng)用到故障診斷中的磨粒識(shí)別中[5]，依靠這種技術(shù)可以在極短的時(shí)間里，快速高效的對(duì)磨損顆粒進(jìn)行識(shí)別，特別是2005年以來，科技人員開發(fā)的多種算法的識(shí)別技術(shù)更是給磨粒分析技術(shù)插上了騰飛的翅膀，如模糊識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像分析技術(shù)的引用，可以極大的提高磨損顆粒的自動(dòng)識(shí)別能力和準(zhǔn)確度，與傳統(tǒng)的人力識(shí)別相比，這能技術(shù)可以有效地降低分析人員的主觀性，從而提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.3 開發(fā)新型的故障診斷系統(tǒng)

目前應(yīng)用較多的油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)盡管可以進(jìn)行磨損診斷，但是大多檢測(cè)手段單一，應(yīng)用范圍不廣，近年來新型診斷系統(tǒng)逐漸嶄露頭角，其不僅可以在單一的系統(tǒng)上建立不同油液監(jiān)測(cè)方法，通過對(duì)各類故障的特征的數(shù)據(jù)差異，結(jié)合云計(jì)算大數(shù)據(jù)的科學(xué)算法，可以快速的計(jì)算出設(shè)備出現(xiàn)故障的敏感參數(shù)?，F(xiàn)代的診斷系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)匯總，其背后大數(shù)據(jù)的驚人算力，結(jié)合過往的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在加上大量的新技術(shù)的應(yīng)用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、模糊診斷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)診斷系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)可以快速的對(duì)設(shè)備的工況進(jìn)行故障診斷。近年來國(guó)外發(fā)展出的設(shè)備維修管理決策支持系統(tǒng)和作業(yè)優(yōu)化控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)將測(cè)、診斷、維修管理、作業(yè)控制相的有機(jī)結(jié)合，真正的實(shí)現(xiàn)了診斷系統(tǒng)的智能化、快速化。

3.4 開發(fā)油液檢測(cè)的新的技術(shù)方法

隨著各種高端制造裝備的出現(xiàn)，越來越多的新型設(shè)備被應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的發(fā)展要求，近年來，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了例如線性回歸技術(shù)、矩陣變換技術(shù)、灰色理論分析等新型的數(shù)據(jù)分析方法，其背后主要得益于新型的數(shù)學(xué)模型和極度優(yōu)化的算法，例如傳統(tǒng)的鐵譜磨粒的圖象識(shí)別大多基于人工對(duì)圖像的判斷，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分形理論等新型數(shù)學(xué)算法的出現(xiàn)，尤其是5G技術(shù)的出現(xiàn)，快速提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力，對(duì)于鐵譜分析技術(shù)的快速發(fā)展起到了極其重要的作用，借助5G通訊技術(shù)，使鐵譜分析技術(shù)從傳統(tǒng)的人工離線分析延伸到超遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的快速傳輸、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算以及超快速在線監(jiān)測(cè)。

3.5 開發(fā)新型在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

與傳統(tǒng)的油液與設(shè)備分離的檢測(cè)手段相比，結(jié)合高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)嶄露頭角，尤其在重要的化工行業(yè)，越來越多的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備、振動(dòng)設(shè)備以及逐漸實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，近年來，多種新型的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備已被研發(fā)出來，例如：壓電傳感器監(jiān)測(cè)儀，F(xiàn)erro SCAN和MetalSCAN在線監(jiān)測(cè)儀、在線示蹤法磨粒測(cè)量?jī)x、MPD金屬微粒檢測(cè)儀、在線鐵譜儀、QDM定量磨粒監(jiān)測(cè)器、超聲波磨粒監(jiān)測(cè)方法、光學(xué)磨粒傳感器的實(shí)時(shí)油液診斷系統(tǒng)、磨粒圖像在線識(shí)別系統(tǒng)、FCM流體工況監(jiān)測(cè)儀等，這些新型在線設(shè)備的出現(xiàn)，對(duì)于設(shè)備的預(yù)防性故障診斷及在線監(jiān)測(cè)具有重要的意義[6]。

4 結(jié) 語

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)是設(shè)備診斷學(xué)科中的一門新技術(shù)，結(jié)合了摩擦學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等重要學(xué)科領(lǐng)域，在設(shè)備維護(hù)、故障診斷中發(fā)揮了不可替代的作用，隨著新型設(shè)備的出現(xiàn)，仍然需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展，據(jù)目前油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展來看，有以下問題急需解決。

(1)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)中，磨屑定量測(cè)量可靠性、特殊磨粒的自動(dòng)識(shí)別問題、以及磨粒圖譜的普遍適用性的問題，這需要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)磨粒圖庫來實(shí)現(xiàn)。

(2)磨粒的多樣性和磨損機(jī)制目前尚無正式標(biāo)準(zhǔn)作為參考，開發(fā)新型診斷系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)圖庫，以及利用5G大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)是今后重要的發(fā)展方。

(3)急需建立統(tǒng)一的油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立科學(xué)合理的油液監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，能推動(dòng)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)工作的深入、快速發(fā)展，更好的服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)的需要。