油液在線監測系統在礦山設備的應用

高 勛，王躍輝，譚曉樂，陳 沖，王雅娟，閆玲娣，鄭 競

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

4洛陽欒川鉬業集團股份有限公司 河南欒川 471500

隨 著對礦山生產需求的不斷增加，礦山設備規格不斷增大，對設備的維護也變得越來越重要。潤滑油作為礦山設備運行的必須品，為礦山設備的潤滑、清洗、防銹、散熱提供服務。由于工作環境比較惡劣，隨著設備服役時間的增加，潤滑油品質會發生劣化，如含水量增加、顆粒物的含量增加等。為了保證設備正常運行，就存在事后維護引起的非計劃停機和預防性維護引起的過度維護問題。

為了保證設備的正常運行，就需要監測油液品質。油液品質監測起源于美國，1941 年，美國鐵路行業首次采用 Baird 公司生產的發射光譜儀來檢測內燃機車潤滑油中磨粒元素的種類和含量，并成功分析出內燃機的失效原因[1]。

國內也有很多專家研究油液監測技術，粟斌等人[2]研究了美國和我國軍隊油液監測技術的發展歷程；周俊麗等人[3]雖對油品檢測指標進行了相互關聯性研究，但是其研究還止于離線監測系統；陳宏軍等人[4]分析了多種測量技術，包括光學、磁學、聲學、電化學等方法，也提出了油液監測技術的基礎研究和應用研究的未來發展趨勢。針對此現象，筆者在某礦山設備中引入油液在線監測系統，以驗證其在實踐中的應用效果。

1 油液在線監測系統

1.1 系統結構

油液在線監測系統由現場系統、遠端系統兩部分組成。遠端系統可以控制多個現場系統，每個現場系統含有油路系統、數據采集系統、數據存儲、數據處理及控制系統、通信系統、電器系統和顯示系統，共同完成油液數據的采集、存儲、轉換、傳輸和就地顯示，并連接通信系統的 RS485 接口和 4G 接口。通信系統一路通過 RS485 接口把數據提供給本地服務器，另一路通過 4G 接口將數據傳輸給中信重工礦山裝備工業互聯網云平臺。遠端設備由服務器、顯示器、云平臺處理系統等軟硬件部分組成，對上傳的數據進行處理，然后在網絡端和手機端進行展示和推送。油液在線監測系統如圖1 所示。

圖1 油液在線監測系統Fig.1 Oil online monitoring system

1.2 運行模式

系統運行時，通過獨立的泵把返回潤滑站的潤滑油抽入到油液在線監測系統中，潤滑油依次通過顆粒計數傳感器、含水量傳感器、理化指標傳感器，最后潤滑油被重新打回到回油管路中。通過這個過程，把鐵磁性顆粒、非鐵磁性顆粒、含水量、黏度、溫度、密度、介電常數一一檢出，然后通過線路傳輸給后續的 PLC，再通過通信系統傳輸給云平臺存儲。云平臺對檢測的指標進行分析和處理，找出理化指標、污染指標和磨損指標的變化規律，從而找出礦山設備存在的風險問題，為設備的健康運維服務，再通過軟件系統的處理，在不同的終端進行相應的展示。潤滑泵采用間斷性工作模式，大約 3～10 min 工作一次。

油液離線監測指標的標準可以為本系統提供參考，NB/SH/T 0586—2010 工業閉式齒輪油換油指標如表1 所列，但是很多指標并不完全適合，如銅片腐蝕、酸值增加等。在線監測講究簡潔、高效，監測指標也要與設備可能出現的問題相對應。

表1 工業閉式齒輪油技術要求和試驗標準Tab.1 Technical requirements and test standards of industrial closed gear oil

本系統主要從潤滑油現場容易發生的故障出發，來設計油液在線監測的指標。潤滑油故障主要有油液老化污染問題。為便于故障診斷，油液在線監測系統潤滑油檢測的故障指標大致分為理化指標、污染指標、磨損指標。通過對 3 類故障指標綜合判斷，對礦山設備系統潤滑油健康狀況進行監控。

理化指標是油液的基本指標，直接影響著潤滑油對于設備的維護效果。理化指標的閾值暫時參考離線換油的技術要求，包括溫度、黏性(動力黏度和運動黏度)、密度、介電常數、酸堿度、顏色等。

污染指標是油液必須重點監控的指標。油液被污染后，如果沒有及時發現，就會對設備造成不良影響。通過油液所含元素的變化來判斷油液是否被污染，因為污染物和油液本身含有的元素不一樣。油液在線監測系統監控的最主要的污染物是含水量和非鐵磁性顆粒。

磨損指標對于監控設備的健康度和預測設備的壽命起著關鍵性作用。它包括鐵磁性磨粒數量、非鐵磁性顆粒數量和非鐵磁性顆粒物形態等。油液在線監測系統最主要的監測指標是鐵磁顆粒數。

本系統專為某一礦山設計了一組設備的監測指標，如表2 所列。

表2 監測指標Tab.2 Monitoring indicators

監測指標都有固定閾值和增速閾值，超出閾值后可及時報警。當其中某一項指標達到標準中換油規定值時，應提示更換潤滑油，并根據故障情況，及時維護相關設備。

2 實踐應用

2.1 使用情況

油液在線監測系統在某礦山現場圓錐破碎機、高壓輥磨機和球磨機的多種潤滑系統中進行了安裝使用，如圖2 所示。通過對潤滑油的溫度、黏度、介電常數、含水量、鐵磁性顆粒和非鐵磁性顆粒含量等指標進行在線監測和分析，實時監測潤滑油，在線分析油品受污染情況和關鍵設備零部件的磨損趨勢。異常監測結果通過現場、網絡端和手機端實時預警提示，如圖3、4 所示。球磨機的監測數據如表3 所列。

表3 球磨機監測指標數據Tab.3 Monitoring indicator data of ball mill

圖2 油液在線監測系統的應用Fig.2 Application of oil online monitoring system

圖3 油液在線監測系統網絡端界面Fig.3 Network interface of oil online monitoring system

圖4 油液在線監測系統手機端界面Fig.4 Mobile interface of oil online monitoring system

2.2 發現問題

油液在線監測系統上線以后，在 2023 年 8 月初，發現球磨機潤滑油指標中的 40 ℃ 黏度、含水量和介電常數都有異常變化，如圖5、6 所示。

圖5 球磨機潤滑油黏度指標變化趨勢Fig.5 Variation trend in viscosity indicators of lubricating oil for ball mill

圖6 球磨機潤滑油含水量和介電常數變化曲線Fig.6 Changing curves of moisture content and dielectric constant of lubricating oil for ball mill

8 月 3 日開始，潤滑油溫度降到 32～38 ℃；40 ℃黏度開始上升，逐漸從 147 cSt 攀升到 175 cSt；8 月 1日開始，含水量從 100 mg/kg 陡增至近 300 mg/kg，介電常數從 2.2 F/m 陡增到 4.0 F/m。由此可以判斷，潤滑油中含水量已經超標。

2.3 現場驗證

潤滑油提取試樣如圖7 所示。試樣在實驗室經過人工實際檢驗，結果如表4 所列。由表4 可知，試樣中含水率和機械雜質含量嚴重超標，驗證了油液在線監測系統的有效性。

表4 潤滑油檢驗結果Tab.4 Inspection results of lubricating oil

圖7 潤滑油取樣Fig.7 Lubricating oil sampling

經過調研現場的檢修和維護情況，發現這次指標超標的原因，是球磨機現場維護時，水和機械雜質混入潤滑油中，造成潤滑油污染。

3 結語

油液在線監測系統能夠實時監測潤滑油品質的變化，也能及時發現了礦山設備存在的安全隱患，避免非計劃停機引起更大損失。但是實踐中，油液在線監測與離線檢測的精確度還有一定的差距，這在準確性方面增加故障診斷的難度。