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我国油液监测技术工业应用的历史、现状与展望
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1 前言
  1964年底,H.P.Jost等15位专家受英国教育科研部的委托,组织一个工业组调查英国润滑方面的教育与研究现状及对工业的影响。调查结果于1966年初以“Jost报告”形式公开发表。同年,英国开始将摩擦、磨损和润滑这三个相互关联的技术归类成一个新学科,称为“摩擦、磨损、润滑学”。牛津词典委员会建议用一个新词“Tribology”表示,我国翻译为“摩擦学”,台湾称之为“摩润学”,其含义均指摩擦、磨损和润滑方面的科学技术。此后在英国和其他国家相继成立了独立的摩擦学会。
  我国也是摩擦学研究起步较早的国家之一。1956年3月在全国向科学进军的热潮中,国务院科学规划委员会制定的“1956~1967年科学技术远景规划纲要”中的57项重点科研任务中,在“研究延长机器和工具寿命”等重大科研任务中提出了有关“摩擦磨损与润滑”方面的科研项目。在1962年中国科学院、中国机械工程学会在兰州召开了第一届全国摩擦磨损与润滑研究工作报告会。从这次会议的论文中可以看出,我国当时在摩擦、润滑和磨损领域已经取得一批高水平成果,而此时国际上还没有出现摩擦学的概念。1979年3月在广州召开的第二次全国摩擦磨损与润滑学术讨论会上,成立了中国机械工程学会摩擦学学会,讨论制定了我国摩擦磨损润滑学科的八年发展规划、奋斗目标、主要措施及未来发展的建议等。
  在40余年时间里,我国摩擦学的理论研究、生产实践和工业应用发展极其迅速,与许多国家和国际组织的工作交流也很频繁。在一些学校里设置了专门的学科,在中科院及产业部门、高校内逐步建立和发展了科研基地。
  众所周知,摩擦学的定义十分简练:“它是研究相对运动中相互作用表面的理论与实践的一门科学与技术”。就摩擦、磨损、润滑三者的关系而言,摩擦是本质,磨损是摩擦的结果,润滑是减少摩擦与磨损的有效措施。摩擦学的内涵十分丰富,它研究的主要内容概括起来可归结为相互密切关联的几大分支:1、机理研究,2、材料研究,3、决定设备可靠性、维修性的现代设计,4、油液监测技术。本文重点阐述第四方面。
2 油液监测技术的发展历程
  油液监测是近年国内摩擦学研究与发展最快的热点技术之一。它的突出特点在于应用性、实践性、时效性极强。同时它对掌握这门技术人员的“临床经验”的依赖性也极强。因此,时至今日,国内油液监测技术的研究远远领先与它的工业应用。
  自从1977年我国参加第二届欧洲摩擦学国际会议的代表团首次将铁谱分析技术带回国内以来,已经有27年历史了。我国在油液监测技术的研究和工业应用方面也取得了长足的发展和进步。铁谱技术是20世纪70年代出现的一种设备工况监测和磨损分析的新技术。自80年代以来,它在我国引起了广泛的兴趣,铁谱技术的研究和应用在我国取得了很大的进步。时至今日,中国无论是铁谱仪器的占有率还是工业应用的成果,均居国际领先地位。1986年10月在广州召开了第一届全国铁谱技术学术交流会。到1999年5月,在广州召开了第五届全国铁谱技术会议。在那次会议上,讨论了将铁谱技术委员会更名为油液监测委员会事宜,以适应与国际接轨的需要。2002年11月在上海召开了第六届全国油液监测技术会议。六届会议均有论文集出版,显示了我国在这一领域里取得的大量科研成果及该项技术工业应用的广泛性。
  我国油液监测技术的发展最初集中在铁谱分析技术的应用研究上。从80年代初到90年代初是快速发展期。1979年世界各国拥有铁谱仪69台,美国占36台,我国零台;1983年世界各国拥有铁谱仪169台,美国占72台,我国占12台;而到1985年,我国铁谱仪,包括国内产品,已近100台,仪器总值为300~500万元。我国铁路、矿山、港口、冶金、石化、航运、电力、汽车制造等行业广泛铁谱分析技术,取得不少进展和成效。但当时也有不少单位在应用上碰到一些技术上的困难,仪器的使用率并不高,许多仪器处于闲置状态。其中的主要问题还是对铁谱分析的局限性认识不足,对它的适用工况、技术特点、应用范围、发展方向缺乏明确的认识。铁谱分析的最大特点在于它对大尺寸颗粒分析的突出贡献上,这就决定了它最有效的应用是在异常磨损出现时,而相对于其它诊断手段而言,比较滞后。这也是国外铁谱技术十年里发展相对缓慢的主要原因。
  油液监测技术的发展与设备的管理与维修体制的演变是紧密相关的。美国最早提出的预防性维修(Preventive Maintenance),简称PM,就建立在摩擦学基础上。20世纪50年代它又提出生产维修体制(Productive Maintenance),也简称为PM,则由四种具体维修方式构成,即:
  - 维修预防(Maintenance Prevention),简称为MP
  - 事后维修(Breakdown Maintenance),简称为BM
  - 改善维修(Corrective Maintenance),简称为CM
  - 预防维修(Preventive Maintenance),简称为PM
  维修方式变革涉及了设备可靠性与维修性设计的理念。
  20世纪60年代,日本开始重视设备的可靠性、可维修性设计,追求的最高目标是无维修设计。到70年代提出了全员生产维修制(Total Productive Maintenance),简称TPM,在世界范围内得到承认,并在许多国家的企业中得到推行,取得了可观的经济效益。TPM的最大特点是全效率、全系统和全员参加,它提出的高水平设备管理应追求的目标为:(1)质量零缺陷;(2)材料零库存;(3)安全零事故;(4)工作零差错;(5)设备零故障。
  随着设备向大型、微型、高速、重载、自动化、成套化、多功能化、环境节能性方向发展,20世纪70年代英国提出了“设备综合工程学”的概念。它突出的特点是:
  (1)以追求设备寿命周期费用最经济、设备综合效率最高为目的;
  (2)设备综合工程涉及工程技术、财务经济和组织管理三方面,技术是基础,管理是手段,经济是目的;
  (3)强调研究的重点是可靠性与可维修性的设计上;
  (4)用系统论观点对设备进行全寿命管理,设备管理立足于最根本的预防;
  (5)设备的设计、制造、使用费用的信息反馈。
  设备综合工程学对传统的设备管理观念冲击很大,引起全世界的关注。
  无论是美国、日本、英国,其设备管理和维修制度的变革无不与摩擦学密切相关,油液监测手段的应用起着重要的作用。
  1987年我国制定的《设备管理条理》充分体现了设备综合管理的思想与我国企业实践的结合。该条例在全国范围各行各业的广泛推行反过来又推进了我国油液监测技术工业应用的发展。
  由此可见,油液监测技术发展始终与设备的可靠性与维修性紧密相关,而它的研究又始终是建立在摩擦、磨损、润滑基础上。反之可见油液监测的多学科性、丰富性、实践性也是十分突出的。
3 我国油液监测现状
3.1 多种监测技术的联合使用
  如前所述,从80年代初至90年代初,国内的油液监测技术始终集中在铁谱分析或铁谱、光谱联合分析上,手段单一,过于强调磨损元素趋势变化分析和磨粒分析。近年来,大多数人的兴趣仍集中在研究和发现设备异常磨损的现象。许多研究的课题仍集中在发动机磨合规范、磨粒图象自动识别、基于油液监测的智能专家系统、及在线油液监测仪器的开发等。在这些领域里,研究课题重叠,热点集中。自1986年10月至2002年11月,全国先后召开了5届铁谱技术会议,其中1994年第四届会议与会人数最多,也是论文数量最多、水平最高的一次。也是从那时起,综合诊断的提法渐渐多起来。自1999年第五届会议之后,短短几年里,在相关的期刊杂志上发表的涉及基于油液监测的摩擦学系统诊断技术的论文开始增多。这时,提起油液监测,多数人已能够说出它的主要内容,包括理化分析、污染度测试、红外光谱分析、发射光谱分析、铁谱分析五个方面。详细读完这方面的论文后,给人的感觉是大多数论文的内容雷同,把五个方面按顺序罗列、描述,而对这五方面分析技术的正确理解和深入探讨及在监测实践中如何灵活巧妙的组合却显得十分缺乏,甚至有些论点是错误的。
  随着设备向大型、微型、高速、重载、自动化、成套化、多功能化、环境节能性方向发展,设备的维修成本和停机损失也随之急剧增加,因此对设备运行的可靠性和经济性必然提出更高的要求,促使工业界将以实施状态监测为举措的视情维修提到了更为迫切的地位上。状态监测与视情维修可有效地大幅度降低企业的生产成本,提高企业的经济效益。传统的设备维修方式是失效后修理和定期维修制,而先进的设备维修方式是对设备基于状态监测的预知性保养维修。
3.2 油液监测的作用
  设备的良好润滑状态可大大降低磨损失效,有效地延长设备使用寿命,减少停机损失。润滑油好比是设备的血液,定期抽检有代表性的在用油进行化验如同医生通过验血进行病情诊断,准确找出生病部位,查明病因,对症下药,使病人及早恢复健康。油液监测通过油品分析检验手段,最终目的是保证设备长期稳定处于最佳运行状态,预防和避免产生事故,特别是机损人亡的重大事故。
3.3 典型案例
    【案例1】南方某大型柴油机发电厂引进中速大功率柴油机数十台,设备总值高达10多亿美元。由于其恶劣的工作条件,在设备投入使用后不久即多次发生烧瓦、拉缸、曲轴断裂的事故。这些事故造成的损失统计如下:一次烧瓦事故,仅换瓦费最低要5500马克,一次拉缸损失最低要7~8万人民币。而最大的一次断轴事故损失更高达330万人民币之多!这其中还未包括停机损失(以1万马力的单机机组为例。每停机1小时即损失人民币1万元。该厂装机总容量为32.8万千瓦)。这些事故及产生的后果,终于使该厂设备管理人员认识到油液监测的不可或缺的作用。自选择了油液监测服务后,十余年来,科学的监测数据使该厂主要设备的各类故障得到了早期预报与预防,再未发生过重大设备事故。时至今日,这些设备已到事故多发期,更需坚持做好监测工作。该厂每年平均为每台设备支付的监测费用不到1万元,仅据96~98年3年统计,累计节约的备件维修费已超过1000余万元。油品使用寿命延长了三倍多,节油费达240万元。
  【案例2】某水电站一台进口机组用的透平油,在设备安装投入使用后不久即发现油品颜色迅速变深,Fe含量较高,虽经多次换油处理,仍未有改善,产生该现象的原因是什么?Fe是磨损引起的吗?设备继续运行可靠性有保障吗?需做停机检查吗?通过油液监测,为这些问题找到了答案,设备安全运行有了保障。
  【案例3】某合资企业以550万美元引进的自动生产线,是全厂的关键设备。使用的润滑油主要为齿轮油和液压油。油箱体积不大,一直执行定期换油制,每次换油费用并不高,而如果一旦发生意外停机和事故,将对全厂正常生产带来严重后果,停机损失巨大。在第一次大修过后仅2个月时间即发现运行参数出现异常,面临停机危险。该生产线停机1小时即损失人民币3.2万元。此时,设备管理人员求助于油液监测技术服务,在48小时内诊断结论出来了。问题得到了及时解决。而这样的生产线在该厂共有5条,设备总值近3000万美元。这次故障诊断为其它生产线的正常运行提供了宝贵的借鉴经验。此次支付的监测费用仅1000多元。
  【案例4】某有色金属矿以数十万美元引进的地下采掘设备的齿轮传动系统工作发生故障,并造成停机损失。通过油液监测,外商居然发现是由于设计上的疏忽造成的。供应商不仅为用户重新更换了有关的部件,并赔偿了停机损失。用户对及时提供的油液监测服务十分满意,并认识到它对企业效益的直接作用,从此对所有重要设备都采用状态监测并以此建立了设备管理档案,使设备常年处于良好运转状态。
4 目前存在的误区
  值得指出的是,目前国内在油液监测方面存在一些认识及实践的误区:
  (1)将油液监测简单地等同于油品质量常规检测;
  (2)以铁谱或光、铁谱联用等较单一的手段取代油液状态监测系统的丰富内涵;
  (3)仅限于对用油量大的设备采用油液监测手段;
  (4)是对监测数据的完整性和准确性重视不够,片面强调趋势分析和异常磨损分析,忽略常规分析和油质分析。
  实际上,油液监测并不是多种检测方法的简单组合。它是一门涉及到摩擦学领域内多学科的综合应用技术,是包括设备当前润滑与磨损状态二方面所构成的一个完整的监测系统。其核心在于:根据监测对象的结构特征与监测目标,恰当的选用不同的监测方法,以最经济的方式(让用户化最少的检测费用)达到最佳的监测效果(用户获取到最大的经济效益)。油液监测也十分强调生产实践和经验的积累,丰富多彩的“临床”实践是积累经验、提高诊断准确性的唯一途径,也是保障油液监测取得最佳效果的重要基础。
5 油液监测在中国实行产业化的必要性
  在计划经济体制下,我国质检机构由政府投资建设,隶属于各条战线的职能部门,如今随着社会主义市场经济体制的逐步建立,政府职能有了很大转变,政企、政事分开已成必然。自1993年起国家有关部门就提出了质检机构改革调整的思路与原则。加入WTO后,我国质检机构的性质、作用和社会定位都必须与国际通行原则接轨。这些原则主要有:
  (1) 在市场经济条件下,质检机构的社会定位是独立的市场中介组织;质检机构应具有独立法人资格;必须真正和政府脱钩,独立承担民事法律责任。
  (2) 质检机构在组织形式上按《公司法》的要求向合伙制和有限责任公司过渡,使这种鉴证类的中介机构最终走向民营化。
  (3) 今后质检机构的工作重心是以市场为导向,主要是接受社会委托检验。凡是取得资质认证的质检机构均可承接产品质量认证,参与质量投诉和质量仲裁检验,为企业承担产品售后、质量跟踪服务等。这样的质检机构即通常所称的商业化实验室。有了这样的机构,企业就不必再自己去建化验检测机构,完全可以委托商业化实验室全方位提供整套的润滑技术服务,达到减员、节能、环保和增效等目的。符合市场经济条件下的社会化、专业化分工的原则。
建立一个高水平的油液监测实验室必须具备以下四个条件:
  (1)配备品质精良、功能齐全的各类油品检验仪器设备。
  (2)具有符合规范标准要求的,保证测试结果足够准确的检测能力。
  (3)具有一支经验丰富的高素质、高水平的专家型油品监测技术队伍。
  (4)具有独立的法人资格、法律地位和必要的资质认证。
  目前,世界上的工业发达国家主要由商业化实验室为企业提供油液监测服务,有着十分方便快捷的服务体系和较强的解决实际问题的能力,为社会和企业带来了极大的效益。随着我国市场经济体制的不断完善和发展,相信今后商业化油液监测实验室在我国必然会呈现出快速发展的势头。
6 油液监测技术工业应用的展望
  (1)商业化油液监测作为油液监测技术的工业应用的主要模式获得更广泛的认同。
  (2)油液监测与振动监测、温度监测和腐蚀监测等联合应用,形成面向设备的综合性设备状态监测系统;在线油液监测、现场油液监测和非现场油液监测紧密配合,以获取最大价值。
  (3)从大量的油液监测数据中提取设备或油品在真实使用条件下其结构、性能变化、衰退的知识,用于同类产品和下一代新产品的设计,推动“现代设计”思想的应用。
  (4)油液监测、润滑和设备维修等方面的专家利用互联网协同工作为客户提供实时、多方位、持续的服务。
  (5)更多的油液监测方法进入国际、国内标准化机构的标准目录。
  (6)更多的油液监测实验室遵循“检测和校准实验室能力要求” (ISO/IEC 17025),以提升自身的能力。
  (7)油液监测在全面润滑管理和设备状态监测中的地位逐步提高。
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