设备合理润滑的主要技术

学术论文 2018-02-01 09:11:58
    1.概述
    统计表明60%左右的机械设备故障是由润滑不良引起的,这与润滑的重要作用十分相称,因为:
    ① 润滑剂是设备的血液,国外将润滑剂看成是设备的重要零部件之一;
    ② 流体动压润滑如滑动轴承形成的油膜厚度约为0.5μm ~100μm,而弹性流体润滑如滚动轴承油膜厚度约为0.1μm ~3μm,因此国外将之比喻成设备骑在10μm的油膜上;
    ③ 润滑剂变质相当于腐蚀剂,太脏等同于研磨剂。
    因此,通过采取有效措施使设备得到良好的润滑,可有效地降低设备故障率、减少设备的停机损失和维修费用,从而使设备运行费用大大降低,国内称其为设备合理润滑(GB/T13608-1992 《合理润滑技术通则》),国外简称为全优润滑。由于投资回报率非常高,日本也称之为“润滑经济”,可见其重视程度。
    如图1所示,新日铁不断强化润滑管理,经济效益明显。名古屋工厂1985年与磨损有关的故障率比1980年下降了90%,液压油消耗减少一半以上,增加经济效益20亿日元;君津工厂1986年设备故障数量比1980年下降了65%[1]
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图1 新日铁强化润滑管理后取得的成效
    墨西哥BSM制糖集团2003年将设备全优润滑纳入全员生产维修(TPM)中,两年后润滑剂消耗量同比下降了50%,故障数量下降了75%,设备利用率提高了9%。
    设备合理润滑就是在技术、经济允许条件下,为实现设备的可靠运行、性能改善、降低摩擦功耗、减少温升和磨损及润滑剂的消耗量,对设备的润滑设计、润滑系统的运行操作和使用润滑剂的品种、性能等所采取的各种技术措施,其主要技术内容可概括为:
    ① 根据设备类型、工况、环境等条件,科学合理地选用润滑剂;
    ② 控制油液污染,实现设备的主动性维护;
    ③ 对关键设备及需要按质换油的设备进行定期油液分析,实现预知性维修。
    2.润滑剂的合理选用
    润滑剂选用是润滑剂使用的首要环节,是确保设备实现合理润滑的先决条件。选用润滑剂应综合考虑三个方面的要素:①设备实际使用时的工作条件;②设备制造厂商说明书的指定或推荐;③润滑油制造厂商的规定或推荐。
    如果根据设备实际情况选用润滑油,还应注意以下事项:
    首先根据设备类型确定润滑油类型(目前基本上所有设备类型均有相应的润滑油类型与之对应);然后根据LETS原则即考虑载荷(Load)、环境(Environment)、温度(Temperature)和速度(Speed)等与润滑相关的四个因素确定润滑油质量及粘度等级。
    ① 设备载荷大,选用中重负荷、高粘度的润滑油;
    ② 设备相对运动速度高,选用粘度低的润滑油;
    ③ 设备环境温度低,选用低倾点的润滑油;
    ④ 设备工作温度高,选用高粘度指数、氧化安定性好的润滑油如合成油等;
    ⑤ 潮湿环境下工作的设备选用抗乳化、防锈性能好的润滑油。
    某公司注塑机柱塞泵原来选用含ZDDP有灰抗磨液压油,造成铜靴的腐蚀磨损,后改用无灰抗磨液压油,工作恢复正常。
    如果设备处于以下情况,应考虑优先选用合成油:
    ① 设备工况条件恶劣如工作温度高等超出了矿物油的承受能力;
    ② 使用合成油更为经济合理如能耗下降、换油周期延长、润滑故障率下降等;
    ③ 环保考虑要求强制使用合成油;
    ④ 考虑到有潜在火灾危险等。
    福建某化工厂有一台使用时间比较长的空气压缩机,出现温度高,振动偏大现象。改用合成油3天后,电流下降、油温下降5℃~10℃、振动恢复正常,换油周期从原来的2000h延长到8000h。
    润滑脂选用原则与润滑油选用类似,这里需特别提醒一下最高使用温度问题。一般来说,润滑脂的最高使用温度应低于滴点30℃~50℃,但也应注意基础油的最高使用温度,两者取低值。即如果基础油使用温度高而滴点低,则按滴点来确定使用温度;但如果滴点高,而基础油只能在较低温度下使用,则按基础油的最高使用温度来确定润滑脂的最高使用温度。
    3.油液污染控制
    统计数据表明,75%以上的设备磨损故障与油液污染有关,因此实施主动维护策略、有效控制污染是设备实现合理润滑的重要举措。绝大多数跨国企业对污染控制都高度重视,如SKF公司认为如果能将润滑剂中所有大于油膜厚度的颗粒完全去除,滚动轴承寿命无限长;BHP公司通过油液分析发现导致轧机故障的主要原因是颗粒污染,因此采取综合措施不断提高油液清洁度,轧机速度提高而轴承故障率大幅下降(如图2所示);通用汽车公司通过使用高精度的过滤器,使发动机磨损减少了70%(如图3所示)。
    油液污染物主要包括固体颗粒、易粘附在金属表面形成棕色漆膜的细小“软颗粒”及水分和空气。油液中固体颗粒污染物主要来源于设备生产装配过程中的残留物(如焊渣)、运转中产生的磨损颗粒及从外界进入的固体颗粒(如粉尘)等。油液中固体颗粒数量和尺寸分布采用IS04406或NAS1638污染度等级来表示,可采用激光颗粒计数仪、滤阻法和滤膜分析方法进行测试[2]。
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图2 BHP公司高油液清洁度效果
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图3通用汽车公司发动机过滤精度提高后效果
    油品由于高温氧化、“微燃烧”、火花放电等原因生成的细小“软颗粒”约占液压系统或汽轮机油液中颗粒总数的80%以上,这类颗粒有极性,易粘附在金属表面形成棕色的漆膜(类似俗称的“黄袍”)。形成漆膜前的细小“软颗粒”通常尺寸小于1μm,因此采用常规的油液分析方法如粘度、总酸值、FTIR、颗粒计数等手段很难发现漆膜的形成或存在。美国analysts实验室通过滤膜分析方法来评估漆膜倾向指数(简称VPR),VPR数值范围为0~100。
    油液污染控制最经济有效的办法是采取相应措施如设备清洗、安装有过滤脱水功能的呼吸帽、改进密封装置、加补油过滤等阻止污染物进入油液中,费用约为从油液中清除污染颗粒费用的10%左右[4]。一旦油液污染水平超标,应及时采取有效净化措施将其从油液中去除(如图4所示)。由于设备类型、工作环境等不同,油液污染物类型和颗粒分布差别很大,因此应根据油液污染情况及净化装置的特点来合理选择,否则净化效能会大打折扣。
    ① 如果油液中主要污染物为细小“软颗粒”时,则静电净化是最有效的清除方法。
    ② 如果油液中水分含量高,则先采用真空或聚结法将水分去除后,再选用过滤或静电方法将固体颗粒清除。
    ③ 如果油液中固体颗粒含量高且尺寸分布范围大,则应先用离心洁油或粗过滤后再用精密过滤,否则会严重堵塞精密滤芯。
    ④ 油液粘度高会导致过滤效果差,因此如需净化粘度高的油品则应采取适当措施提高油温以降低油品粘度。
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图4 油液旁通净化
    4.油液分析
    油液分析是通过对润滑油样液进行品质检测、污染监测及磨粒分析,了解设备的润滑磨损状态,主要目的如下:
    ① 确定新油品质是否符合要求;
    ② 确定设备的磨损润滑状态;
    ③ 通过故障油样的分析确定设备润滑故障原因。
    油液分析作为合理润滑的重要技术支撑,一方面可有效判断机械设备产生磨损故障的原因及部位,从而使劣化趋势及时得到矫正,避免恶性事故的发生和发展,实现设备的预知性维修。另一方面还能有效发现油品劣变原因和污染状态,及时采取应对措施消除引发故障的根本原因,实现主动维护,从而大大节省设备使用维护费用,创造可观的经济效益。所以发达国家企业普遍对关键设备和需要按质换油的设备进行定期油液分析。大型企业一般自己投资建立实验室对设备进行油液监测,而中小型企业则委托商业化的专业实验室来完成(如仅在美国就有二百多家商业化的油液分析实验室)。
    关键设备是根据设备在生产中的作用、设备价值、设备精密度、设备复杂性及有无备份等因素确定。而确定按质换油设备时需要考虑如表1所列的9个因素(括号内为评估分数),如果9项评估分数之和大于100,可考虑按质换油;如果超过200,强烈建议实施按质换油。
    油液分析实施过程中应注意以下几个方面的问题:
    ① 油样的代表性。油样代表性差将直接导致分析数据有效性下降,因此必须从取样位置、取样间隔、取样要求等几个方面严格控制取样过程;
    ② 分析项目的有效性。应根据监测设备类型和分析目的,选择对应的监测参数组合,否则很难捕捉到故障信息;
    ③ 元素来源的多样性。应了解设备主要摩擦副的材质、工作环境主要污染物成分和新油元素含量,否则会出现严重误判;
    ④ 界限值问题。由于设备类型、工况条件及润滑油成分千差万别,因此界限值宜作参考,更重要的是注意分析参数的变化趋势。
    5.结论
    根据工程院2007年的调查报告,我国每年因摩擦磨损造成的损失及相应增加的能源消耗总计高达9700亿元,单位GDP润滑剂消耗量约为日本的4倍。主要原因在于国内企业在润滑管理方面存在诸多误区如润滑技术人员无编制、选用最便宜的油品以节省成本、润滑管理技术手段落后等,认识水平和重视程度与润滑之重要性明显不对称,因此当务之急是加强培训提高对设备润滑的认识。当然反过来看,对我国企业而言设备合理润滑也是一个大金矿,挖掘潜力巨大。
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