基于綜合劣化值的鉆井服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)評(píng)估方法

曾文強(qiáng) 彭遠(yuǎn)春 曾秀清 王榮華 何 佳 楊 琳 劉 俊

(1.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院 四川廣漢 618300；2.四川宏大技術(shù)服務(wù)有限公司 四川廣漢 618300；3.廣研檢測(cè)(廣州)有限公司/工業(yè)摩擦潤(rùn)滑技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心 廣東廣州 510535)

目前柴油機(jī)油狀態(tài)的判斷主要依據(jù)GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》[1]，但從某鉆井服役柴油機(jī)近300個(gè)油樣檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，存在1個(gè)或1個(gè)以上指標(biāo)超出GB/T 7607給出界限值的樣品數(shù)占比不足2%，因而GB/T 7607很大程度上失去了參考意義。因此，需要找到一個(gè)更適合于用來(lái)判斷鉆井服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的方法。

健康狀態(tài)評(píng)估是設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)理論的核心技術(shù)內(nèi)容之一，服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的評(píng)估可以借鑒該理論。近年來(lái)，健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)得到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，目前已發(fā)展成為集理論基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)踐于一身的新興學(xué)科，并積累了豐富的研究成果[2-3]。但針對(duì)服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的綜合評(píng)估方法還鮮有研究報(bào)道。張英鋒等[4]基于油液光譜各元素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了綜合傳動(dòng)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型；曹惠玲等[5]采用自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)(SOM)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行了評(píng)估；李俊卿等[6]利用包括油質(zhì)指標(biāo)在內(nèi)的油系統(tǒng)各個(gè)層級(jí)的指標(biāo)，采用自上而下逐層評(píng)價(jià)的策略對(duì)大型同步調(diào)相機(jī)油系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估。本文作者創(chuàng)新性地采用綜合劣化值概念來(lái)評(píng)估服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)，一方面對(duì)綜合劣化值進(jìn)行分級(jí)，使評(píng)估結(jié)果具有一目了然的特性；另一方面綜合劣化值與柴油機(jī)油相關(guān)指標(biāo)高度關(guān)聯(lián)，使得評(píng)估結(jié)果具有客觀性。

1 綜合劣化值模型建立

1.1 綜合劣化值的定義

根據(jù)可靠性維修理論(Reliability Centered Maintenance，RCM)，機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)應(yīng)該與其在現(xiàn)行使用環(huán)境下保持其特定性能的能力相對(duì)應(yīng)，可以用劣化值來(lái)間接反映該能力[7]。該理論同樣適用于服役柴油機(jī)油可靠性的評(píng)價(jià)，假設(shè)用x1(t)，x2(t)，…，xn(t)表示t時(shí)刻影響服役柴油機(jī)油特定性能的劣化指標(biāo)，那么服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)可以用綜合劣化值(Degradation Value)VD來(lái)定義，定義綜合劣化值為

VD=F{x1(t)，x2(t)，…，xn(t)}

(1)

式中：F為劣化函數(shù)；VD取值范圍在[0，1]區(qū)間。

采用綜合劣化值模型來(lái)確定服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的首要任務(wù)是確定劣化指標(biāo)，即選取服役柴油機(jī)油日常監(jiān)測(cè)指標(biāo)中的一些重要指標(biāo)作為評(píng)估其健康狀態(tài)的劣化指標(biāo)。其選取原則[8]有：

(1)單調(diào)性

單調(diào)性是指該指標(biāo)隨服役時(shí)間單調(diào)遞增(減)趨勢(shì)的整體強(qiáng)度，單調(diào)性好的指標(biāo)更能反映服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的變化情況，因此單調(diào)性作為挑選劣化指標(biāo)的首要原則。圖1中的酸值和堿值指標(biāo)就隨服役時(shí)間呈現(xiàn)很好的單調(diào)性。

圖1 不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of different monitoring indexes：(a)kinematic viscosity at 100 ℃；(b)acid number；(c)base number；(d)Si content

(2)相關(guān)性

相關(guān)性是指各指標(biāo)間的線性相關(guān)程度，既然是建立服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)綜合評(píng)估方法，那么挑選具有關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)則更能得到可靠結(jié)果。圖1中的酸值和堿值指標(biāo)就呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)性，即酸值變大，堿值變小。

(3)預(yù)測(cè)性

預(yù)測(cè)性是指該指標(biāo)變化趨勢(shì)的可預(yù)測(cè)性，有些指標(biāo)的變化可能是隨機(jī)性的，如圖1中的Si含量，類似的還有閃點(diǎn)指標(biāo)，這類指標(biāo)即使很關(guān)鍵，也不適合作為劣化指標(biāo)。

基于上述三條選取原則進(jìn)行已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合GB/T 7607—2010標(biāo)準(zhǔn)給出的換油指標(biāo)，最終選取黏度、酸值、堿值、氧化、硝化、煙炱、Fe元素含量7項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)估服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的劣化指標(biāo)。因而綜合劣化值模型式(1)可以進(jìn)一步明確為

VD=F{黏度，酸值，堿值，氧化，硝化，煙炱，F(xiàn)e}

(2)

將各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)代入可以將該函數(shù)進(jìn)一步數(shù)值化：

(3)

1.2 綜合劣化值等級(jí)劃分

根據(jù)對(duì)服役柴油機(jī)油已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?，將服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)劃分為4個(gè)等級(jí)，并建立綜合劣化值定量指標(biāo)與服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)定性評(píng)估之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 綜合劣化值與服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between comprehensive degradation value and health status of diesel engine oil in service

2 指標(biāo)數(shù)值的歸一化

(1)上限型

上限型指標(biāo)的意思是該指標(biāo)隨服役時(shí)間正常是遞增的變化趨勢(shì)，所以存在上界限值，已確定劣化指標(biāo)中酸值、氧化、硝化、煙炱、Fe含量這幾項(xiàng)指標(biāo)都屬于上限型指標(biāo)。這類指標(biāo)數(shù)值歸一化方法見公式(4)。式中xi代表該指標(biāo)實(shí)際檢測(cè)值；xmin代表該指標(biāo)下界限值，文中以新油的值作為這些指標(biāo)的下限值xmin；xmax代表該指標(biāo)的上界限值，文中以GB/T 7607—2010及第三方專業(yè)實(shí)驗(yàn)室給出的界限值作為參考[10-11]。

(4)

(2)下限型

下限型指標(biāo)的意思是該指標(biāo)隨服役時(shí)間正常是遞減的變化趨勢(shì)，所以存在下界限值，已確定劣化指標(biāo)中堿值屬于下限型指標(biāo)。下限型指標(biāo)數(shù)值歸一化方法見公式(5)。式中xi代表該指標(biāo)實(shí)際檢測(cè)值；xmin代表該指標(biāo)下界限值，文中以GB/T 7607—2010給出的界限值作為參考；xmax代表該指標(biāo)的上界限值，文中以新油的值作為該指標(biāo)的上限值xmax。

(5)

(3)居中型

居中型指標(biāo)的意思是該指標(biāo)既存在上界限值又存在下界限值，理想狀態(tài)是居中，已確定劣化指標(biāo)中黏度屬于居中型指標(biāo)。居中型指標(biāo)數(shù)值歸一化方法見公式(6)。式中xi代表該指標(biāo)實(shí)際檢測(cè)值；xmin、xmax分別代表該指標(biāo)的下界限值和上界限值，文中以GB/T 7607—2010給出的界限值作為參考；x0代表該指標(biāo)的初始值，文中以新油的值作為該指標(biāo)的初始值x0。

(6)

3 基于熵權(quán)法的各指標(biāo)權(quán)重確定

在已確定的服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)中各指標(biāo)所占權(quán)重是不相同的，例如有的指標(biāo)隨服役時(shí)間變化趨勢(shì)更明顯，那么這類指標(biāo)對(duì)綜合劣化值的計(jì)算理應(yīng)貢獻(xiàn)更大，那就要賦予更大的權(quán)重。根據(jù)數(shù)值的變化情況來(lái)賦予各項(xiàng)指標(biāo)不同權(quán)重的方法可稱之為客觀賦權(quán)法。熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種，熵權(quán)法是根據(jù)各指標(biāo)的數(shù)值攜帶的信息傳遞給決策者的信息量大小來(lái)劃定其權(quán)重系數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的具體數(shù)值計(jì)算其在競(jìng)爭(zhēng)意義上的相對(duì)激烈程度，若某項(xiàng)指標(biāo)的信息熵越小，則表明該指標(biāo)所提供的信息量越大，那么就應(yīng)該賦予更大的權(quán)重值[12]。利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重步驟如下。

(1)構(gòu)造矩陣

假定m組實(shí)驗(yàn)，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其原始數(shù)據(jù)可用矩陣Xm×n表示：

(7)

(2)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)矩陣Xm×n中的數(shù)值按照前面給出的方法進(jìn)行數(shù)值的歸一化，使數(shù)值都落在[0，1]范圍內(nèi)，記結(jié)果為矩陣Y=(yij)m×n。

(3)指標(biāo)熵值的計(jì)算

根據(jù)熵的定義，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的熵值：

(8)

式中：m為實(shí)驗(yàn)次數(shù)(可視為樣本個(gè)數(shù))；n為評(píng)估指標(biāo)個(gè)數(shù)；yij表示第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)樣本歸一化后的數(shù)值?？紤]到存在指標(biāo)歸一化后數(shù)值為0的情況，定義0ln0=0。

(4)指標(biāo)熵權(quán)的確定

根據(jù)信息熵的基本原理，第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)計(jì)算公式為

(9)

圖2 服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)評(píng)估方法流程Fig.2 Flow of health status assessment method of diesel engine oil in service

4 實(shí)例計(jì)算及驗(yàn)證

4.1 實(shí)例計(jì)算

選取某鉆井基地兩臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)為研究對(duì)象，兩臺(tái)柴油機(jī)的品牌、型號(hào)、參數(shù)、柴油機(jī)油牌號(hào)及服役年限都一致。選取其在一個(gè)換油周期內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，采取每100 h取樣檢測(cè)一次[13]，檢測(cè)數(shù)據(jù)原始值見表2。

表2 樣本數(shù)據(jù)及其綜合劣化值Table 2 Sample data and degradation value

按照前面所述方法對(duì)各類指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行歸一化，利用Matlab軟件中的xlsread函數(shù)讀取表格中的數(shù)據(jù)，利用size函數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的信息熵，再通過(guò)計(jì)算得出各項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)。這里使用了兩臺(tái)柴油機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，所以在分別求出各自權(quán)重后再通過(guò)算術(shù)平均得出各項(xiàng)指標(biāo)的最終權(quán)重。代入計(jì)算得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為W=(0.083，0.176，0.145，0.237，0.268，0.06，0.031)，依次代表100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、堿值、氧化、硝化、煙炱、Fe含量7項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。因而可以將服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)評(píng)估綜合劣化值計(jì)算公式明確為

(10)

利用公式(10)全部樣品的綜合劣化值，結(jié)果見表2。

4.2 驗(yàn)證分析

服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)評(píng)估的綜合劣化值模型計(jì)算公式(10)是否可靠，需要進(jìn)行驗(yàn)證。服役柴油機(jī)油的劣化伴隨著油中抗氧劑、抗磨劑等添加劑的消耗，因而可以通過(guò)紅外光譜分析這些添加劑的定性消耗情況，從側(cè)面驗(yàn)證綜合劣化值評(píng)估方法的可靠性[14]。選取綜合評(píng)估結(jié)果分別為“健康”、“亞健康”、“病態(tài)”3種狀態(tài)的樣品各1組來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性，如表3所示。3種樣品分別對(duì)應(yīng)于表2中1號(hào)柴油機(jī)300 h油樣(簡(jiǎn)稱樣品①)，2號(hào)柴油機(jī)500 h油樣(簡(jiǎn)稱樣品②)，2號(hào)柴油機(jī)9 500 h油樣(簡(jiǎn)稱樣品③)。

表3 驗(yàn)證樣品的數(shù)據(jù)及綜合劣化值Table 3 Data and comprehensive degradation value of the verified samples

圖3所示為樣品①、樣品②、樣品③的紅外光譜圖。圖譜上970 cm-1附近特征峰通常是柴油機(jī)油中ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)添加劑特征峰，該添加劑同時(shí)提供抗氧化、抗磨損的作用，因而其特征峰一定程度可以表征服役柴油機(jī)油的劣化程度。與新油圖譜對(duì)比，3個(gè)驗(yàn)證樣品紅外圖譜在970 cm-1處特征峰處存在不同程度收縮，且收縮幅度隨著綜合劣化值的增大越發(fā)明顯。特征峰的收縮程度可以代表添加劑的消耗情況，特征峰收縮幅度越大代表ZDDP添加劑消耗越嚴(yán)重，進(jìn)一步代表柴油機(jī)油劣化程度越嚴(yán)重[15-16]。因而從驗(yàn)證樣品紅外圖譜看，服役柴油機(jī)油綜合劣化值與其關(guān)鍵添加劑的消耗是對(duì)應(yīng)的，證明綜合劣化值模型是可靠的。

圖3 樣品紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of samples：(a)sample ①；(b)sample ②；(c)sample ③

5 結(jié)論

(1)建立了用來(lái)評(píng)估服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的綜合劣化值模型，給出了綜合劣化值與服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)指標(biāo)的單調(diào)性、相關(guān)性、預(yù)測(cè)性這三項(xiàng)原則確定了綜合劣化值模型中指標(biāo)的構(gòu)成。

(2)給出了不同類型指標(biāo)數(shù)值歸一化的方法，利用熵權(quán)法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)在綜合劣化值模型中的權(quán)重值；最后通過(guò)實(shí)例監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合劣化值的計(jì)算以及與柴油機(jī)油中ZDDP添加劑消耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)比，驗(yàn)證了方法的可靠性，為服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)的評(píng)估提供新的方法和思路。

(3)提出的方法可以在GB/T 7607的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升對(duì)服役柴油機(jī)油健康狀態(tài)評(píng)估的精準(zhǔn)性，為鉆井現(xiàn)場(chǎng)開展柴油機(jī)油的科學(xué)維護(hù)提供指導(dǎo)。