基于油液監(jiān)測的軸承潤滑狀態(tài)綜合評估

鄭遠春

（92571部隊，海南 三亞 572021）

大型旋轉(zhuǎn)機械多用潤滑油進行潤滑，潤滑油是設(shè)備磨損信息的載體，對其進行油液分析，可以判斷設(shè)備的磨損狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障隱患。對設(shè)備進行適當調(diào)整和維護，可使設(shè)備故障率大幅降低，避免重大設(shè)備事故發(fā)生。基于設(shè)備潤滑油監(jiān)測，依據(jù)經(jīng)典集合論的思想開展設(shè)備磨損狀態(tài)評估，常用單一指標評估設(shè)備磨損狀態(tài)，容易產(chǎn)生漏報或誤報的情況。為了克服傳統(tǒng)評估方法的不足，提高設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)評估的準確性，本文應(yīng)用模糊集理論，對基于潤滑油監(jiān)測的設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)進行綜合評估，指導(dǎo)設(shè)備的運行維護。

1 設(shè)備潤滑狀態(tài)評估方法

旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備有各種類型不一的摩擦副，它們的相對運動會產(chǎn)生磨損，磨損的產(chǎn)物被潤滑油帶入潤滑系統(tǒng)，外界混入的污染物顆粒也會留存在潤滑油中，這些磨損顆粒和污染物的材質(zhì)、成分、形狀、大小都反映了摩擦副磨損狀態(tài)和潤滑油狀態(tài)信息。為了有效地評估設(shè)備的磨損狀態(tài)，首先需要確定設(shè)備磨損和潤滑油狀態(tài)指標。

本文以錫基巴氏合金軸瓦材料、防銹汽輪機油潤滑的某型船軸系支承軸承為評估對象，考慮軸承的材質(zhì)結(jié)構(gòu)、潤滑油的自身性能參數(shù)和污染等因素，構(gòu)建油液監(jiān)測指標體系。選擇鐵、鉻、鉛、銅、錫、鋁、鎳7種元素的質(zhì)量分數(shù)和鐵磁性顆粒含量（PQ）指數(shù)作為設(shè)備磨損狀態(tài)評估指標；選用運動黏度、水分、破乳時間、消泡時間作為軸承潤滑油的理化性能評估指標。應(yīng)用最大熵分析方法，確定指標界限值；用熵權(quán)法確定各個指標在磨損和理化指標類中的權(quán)重；基于模糊集理論建立指標隸屬度函數(shù)，按照最大隸屬度原則確定指標狀態(tài)；建立軸承磨損狀態(tài)與潤滑油理化狀態(tài)綜合評估表，以及與之對應(yīng)的軸承運行維護策略。

2 模糊綜合評估模型

2.1 模糊集概念

在模糊集理論中，一個元素屬于某個集合是不確定的，可能按一定程度屬于某個集合，也可能同時屬于多個集合。為了解決上述問題，Zadeh 提出了模糊集合的概念，為處理一些模糊的問題提供了一種精確的數(shù)學(xué)描述[1]。變換量R如式（1）所示。

式中，R為變換量。

R確定一個變換，給任意U上的一個模糊子集A，便可確定V上的一個模糊集合，即決策集B，表示為模糊變換B=A*R，其中“*”表示一種算子。在綜合評判問題中，若取U為因素集合，取V為評語集合，R是U到V的模糊關(guān)系，rnm表示第n個因素對評判對象做出第m種評語的可能程度。

文中因素集U={U1，U2}；U1為磨損指標集，U1的因素是各個磨損元素含量和PQ指數(shù)，U2為理化指標集，U2的因素是各理化指標數(shù)據(jù)。評語集合V={V1，V2}；V1＝{磨損指標正常，磨損指標警告，磨損指標危險}，V2＝{理化指標正常，理化指標警告，理化指標危險}。

2.2 隸屬度函數(shù)

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集方式，選擇不同的隸屬度函數(shù)構(gòu)造方法。指標界限值存在的實質(zhì)是用矩形隸屬度函數(shù)界定指標狀態(tài)，然而，從正常到異常變化的指標狀態(tài)是一個模糊漸變過程，用矩形隸屬度函數(shù)評價指標狀態(tài)顯然不合實際。根據(jù)潤滑油監(jiān)測數(shù)據(jù)采集方式，這里選擇三角形分布函數(shù)，來確定指標狀態(tài)的隸屬度。隸屬度函數(shù)的構(gòu)造考慮指標的3種情況[2]：①下限型指標（如潤滑油的堿值），指標狀態(tài)的描述性語言為“正常”“偏低”“太低”；②上限型指標（如磨損指標），指標狀態(tài)的描述語言為“正常”“偏高”“過高”；③雙限型指標（如潤滑油運動黏度），指標狀態(tài)的描述語言為“太低”“偏低”“正常”“偏高”“過高”。

2.3 權(quán)重矩陣

指標權(quán)重是用每個指標在整個指標體系中的相對重要性的數(shù)值表示。本文采用客觀賦權(quán)的熵權(quán)法[3]來確定指標權(quán)重。若有原始評估指標數(shù)據(jù)矩陣Xij=(xij)s×t，其中，xij≥0，xij表示第i個對象的第j個指標（i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m），s為評估對象個數(shù)，t為評估指標個數(shù)。熵權(quán)計算過程如下。

1）對原始數(shù)據(jù)矩陣Xij=(xij)s×t進行標準化處理，得到標準化矩陣Pij：

2）第j個指標的信息熵Ej為：

式中，?為中間參數(shù)，?= lns。

3）計算第j個指標的差異系數(shù)Gj：

4）第j個指標的權(quán)重Wj為：

5）確定指標權(quán)重矩陣Ak。

式中，k為指標類型；是第t個指標在第k類中的權(quán)重。

2.4 模糊評估

1）隸屬度矩陣。指標有正常、警告和危險3個狀態(tài)，隸屬度矩陣Rk代表k類n個指標分別屬于3個狀態(tài)的隸屬度的大小，由（n× 3）個組成：

2）一級評估：

由第k類指標的隸屬度矩陣Rk，歸一化指標權(quán)重矩陣Ak，選用加權(quán)平均模糊算子M( )·, + 進行計算[1]，得到第k類指標狀態(tài)一級評估矩陣Bk。

3）綜合評估。由于軸瓦材料是一體化制造，各個磨損元素關(guān)聯(lián)性很強，單一磨損元素異常還不能說明軸瓦磨損狀態(tài)異常，只有多個磨損元素異常時，才能有效反映軸瓦磨損異常狀態(tài)。所以，對于磨損類光譜元素數(shù)據(jù)以及鐵磁性磨粒指標數(shù)據(jù)的評估采用加權(quán)平均法，取最大隸屬度，確定軸承磨損的正常狀態(tài)、警告狀態(tài)、危險狀態(tài)。

潤滑油的理化指標關(guān)聯(lián)性較弱，指標變化的同步性也較差，加權(quán)平均計算隸屬度的時候，容易將權(quán)重小的異常指標掩蓋掉。本文在計算理化指標狀態(tài)矩陣時，直接取指標矩陣的最大隸屬度，用以代表軸承潤滑油理化指標狀態(tài)。如果參與評估的理化指標異常，就判定潤滑油的理化狀態(tài)異常，并由各指標中異常程度最大的狀態(tài)確定。

通過一級評估得到軸承磨損和潤滑油狀態(tài)，軸承綜合狀態(tài)評估表見表1，由表1 確定軸承綜合狀態(tài)。軸承綜合狀態(tài)劃分為正常、注意、報警、緊急和特急5 種，為防止虛報增加管理難度，避免漏報加大事故風險，建立與綜合狀態(tài)對應(yīng)的軸承運行維護策略，軸承運維策略對應(yīng)表見表2。

表1 軸承綜合狀態(tài)評估表

表2 軸承運維策略對應(yīng)表

3 模糊綜合狀態(tài)評估實例

1）對某船軸系1#軸承潤滑油采樣，通過光譜分析、PQ指數(shù)檢測、理化指標檢測得到樣本數(shù)據(jù)；指標界限值由歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)按照最大熵原理計算得到，指標權(quán)重由熵權(quán)法計算確定。1#軸承潤滑油指標界限值及樣本數(shù)據(jù)見表3，1#軸承潤滑油指標權(quán)重見表4。

表3 1#軸承潤滑油指標界限值及樣本數(shù)據(jù)

表4 1#軸承潤滑油指標權(quán)重

2）通過隸屬度函數(shù)，計算軸承磨損指標和潤滑指標隸屬度矩陣。

式中，R1為設(shè)備磨損指標隸屬度矩陣；R2為潤滑指標隸屬度矩陣。

3）由表3得到指標權(quán)重矩陣A1。

4）采用加權(quán)平均運算模型進行模糊變換，得到磨損指標一級評估隸屬度矩陣B1。

式中，P1是矩陣B1中最大元素的列號。

5）采用最大隸屬度原則，由R2可得到理化指標的一級狀態(tài)評估。

式中，P2是矩陣R2中最大元素的列號。

P1和P2均可取值1、2、3，分別代表指標處于正常、警告、危險狀態(tài)。

6）綜合評估。由P1和P2可知，對應(yīng)的設(shè)備磨損和潤滑油均處于危險狀態(tài)。查詢軸承綜合狀態(tài)評估表和運維策略對應(yīng)表，可知軸承的潤滑磨損處于特急狀態(tài)。維護措施是檢查軸瓦磨損情況，視情維修，更換潤滑油。

7）鐵譜分析。圖1、圖2分別是1#軸承處于正常狀態(tài)和特急狀態(tài)的潤滑油鐵譜圖（100 倍），圖2中可以看到磨粒粗大，鏈條密集，鐵、鉻、鉛、錫、鎳質(zhì)量分數(shù)和PQ 值均屬于危險狀態(tài)，水分質(zhì)量百分數(shù)和潤滑油運動黏度超出了危險狀態(tài)上界限值，多因素共同作用，使得軸承潤滑效果變差，導(dǎo)致軸瓦磨損加劇，說明評估結(jié)論是正確合理的。

圖1 1#軸承處于正常狀態(tài)的潤滑油鐵譜圖（100倍）

圖2 1#軸承處于特急狀態(tài)的潤滑油鐵譜圖（100倍）

4 結(jié)束語

綜合考慮船舶軸系軸承磨損和潤滑油理化指標狀態(tài)的模糊不確定性，通過對1#軸承潤滑油進行原子發(fā)射光譜分析、PQ 指數(shù)分析和理化性能檢測，應(yīng)用模糊綜合評估方法，建立基于磨損和潤滑油理化信息融合的軸承狀態(tài)綜合評估模型，實現(xiàn)了對軸承磨損和潤滑狀態(tài)的綜合評估，彌補了用單一指標信息評估軸承狀態(tài)的不足，確定了與綜合狀態(tài)對應(yīng)的軸承運行維護策略，能夠提高軸承管理維護的有效性。