AGC液压系统的故障诊断

摘要:通过液压油理化分析、油料光谱、红外光谱、X射线荧光能谱等多种分析技术的综合应用,快速而准确地诊断出AGC液压系统存在的故障,指出液压油中抗磨添加剂ZDDP的降解是中过滤器上不明析出物的主要来源,及时地为生产厂找到故障原因并迅速排除故障。

关键词:液压系统;故障诊断;油液监测

中图分类号:TP271.31 文献标识码:A

Fault Diagnosis of AGC Hydraulic System

WU Gen-sheng

(Shanghai Baosteel Industry Inspection Corp., Shanghai 201900, China)

Abstract:By means of the integrated application of several analytical technologies, such as physico-chemical analysis, oil spectrographic analysis, infrared spectrum analysis, EDS (Energy Dispersive XRF Spectrometer) analysis and so on, the faults of AGC hydraulic system were diagnosed accurately and quickly. It was pointed out that the main source of the unknown precipitates on the filter is the degradation of the antiwear additive ZDDP in hydraulic oil. Thus the reason of the fault was found and solved quickly.

Key words:hydraulic system; fault diagnosis; oil monitoring

0 前言

AGC伺服液压系统是热轧专门用来提供动力轧制力最关键的生产设备,是精轧轧辊压下动力的主要控制来源,其运行状态的好坏将直接影响到轧辊的工作状态,进而影响到热轧产品的质量。某热轧厂AGC液压系统自更换了某国产HM46抗磨液压油后,过滤器经常出现异常报警,主要表现在高压过滤器的滤芯压差报警器弹出,无法复位,在更换下来滤芯中则可以发现大量的粘稠状污染物。每次出现报警后,都必须为更换滤芯耗费宝贵的生产时间和更换成套的过滤器,严重影响了轧机生产线的正常运行。

1 试验部分

1.1 设备参数

该液压系统采用的是国产HM46抗磨液压油,油箱容量为6000 L。系统中工作压力均为33 MPa,泵的出口流量为1000 L/min,油箱中液压油温度一般在35～45 ℃。系统中除吸油过滤器采用60 μm孔径的不锈钢滤芯外,其他均为5 μm孔径的纸质滤芯。

1.2 分析仪器

液压油性能分析设备包括酸值测定仪、粘度测定仪、水分测定仪、腐蚀测定仪、污染度测定仪、Nicolet红外光谱仪等。

金属元素分析设备包括Spectroil M型油料光谱仪、X射线荧光能谱分析仪。

1.3 样品采集

液压油的采集:在设备运行状态下,选择该液压系统高压过滤后的压力测试点作为取样点,并擦净取样部位,用液压插入软件进行液压油采集,保证取到的液压油最具代表性。

油泥物的采集:为了找到故障发生的真正根源,又选择了对过滤器中异物进行分析。采样主要用刮刀,从更换下来的过滤器滤芯中刮出油泥状物质(见图1和图2),然后对其进行分析。

2 结果与讨论

2.1 油料光谱分析

将从过滤器滤芯上采集的油泥状物质按一定比例分散到基础油中,再在超声波仪中分散成均匀液体,然后通过油料光谱仪进行分析,结果显示其中主要含有锌、钙、磷、铁元素,其中锌和磷元素来源于液压油中的抗磨添加剂ZDDP,钙元素来源于防锈添加剂[1],铁元素则来源于系统中钢质零部件的磨损,分析结果见表1。

由表1可知,油泥中铁元素含量很低,表明系统中钢质零部件的磨损状态基本正常。由于该液压油采用的是锌型抗磨添加剂,而油泥中存在大量锌元素和较多磷元素,因此有理由相信抗磨添加剂ZDDP的降解产物是油泥的主要成分。钙元素含量也比较高,同样说明防锈添加剂的降解产物也是油泥的组成部分之一。

当然,由于该液压油属于高锌配方,其抗磨剂为硫磷酸锌盐,在其降解产物中必定还存在较多的硫元素,而油料光谱仪不能分析硫元素含量,因此利用X射线荧光能谱仪对油泥中的固体物质进行进一步分析。

2.2 X射线荧光能谱分析

将过滤器上油泥状物质分散到石油醚中,再真空过滤,并用石油醚将滤饼清洗多次,再经干燥、研磨后得到粉末状固体,然后将该粉末状固体用于进行X射线荧光分析,分析结果见表2。

X射线荧光分析表明,油泥中的固体物质主要含有锌、钙、硫、磷元素,其中,锌元素含量很高,硫、磷元素浓度也比较高,进一步表明油泥主要是由抗磨添加剂ZDDP降解后产生的。钙元素的含量也相当高,它来源于防锈添加剂的降解产物。

2.3 红外光谱分析

液压油中产生油泥的来源除了添加剂降解产物外,还有可能来自基础油氧化变质后形成的胶状不溶物[2]。前者主要为无机盐类化合物,分子结构中没有烷基或者只有少量的短链烷基出现,两种产物的红外光谱谱图的差别很大,因此其红外谱图中烷基的νC-H吸收峰的强度低;后者主要为有机化合物,其分子结构中存在长的烷基链,则其红外谱图中烷基的νC-H吸收峰的强度很高。

为进一步确定油泥中固体物质的来源,对其进行了红外光谱分析(见图3)。由图3可知,在2957.90 cm-1和2927.68 cm-1附近出现的吸收峰即为烷基上-CH3、-CH2的νC-H吸收峰,其相对强度很低,表明该固体物质的组分中有机基团的比例很低,因此它不可能是基础油氧化变质后的产物,而应该属于添加剂降解后生成的无机盐类化合物。事实上,此假设还可以通过灼烧法来验证。

2.4 灼烧法分析

当固体物质主要为有机化合物时,其在灼烧过程中将生成挥发性的CO2和H2O,残留物很少。当固体物质为无机盐类化合物时,其在高温环境下不会燃烧或很难燃烧,残留物主要为金属氧化物和非金属氧化物,因而其质量损失少。

将油泥中分离出来的固体粉末状物质放在不锈钢药勺中,在明火上加热,直至钢勺烧红,5 min后停止加热,待冷却后发现药勺中的固体物质除外观颜色变成了黑色外,其质量损失很少(初步估计

2.5 新液压油和在用液压油的对比分析

2.5.1 光谱分析

既然油泥是由于添加剂的降解所产生的,那么,经过一段时间的运行后,系统中液压油的添加剂元素浓度应该有所变化。于是,对在用液压油和新液压油中的Zn、Ca、P元素浓度进行了测定,分析结果见表3。

由表3可知,在用液压油中锌和钙元素浓度均有了明显下降,磷元素浓度也略有下降,再次表明抗磨添加剂和防锈添加剂发生了降解并生成了不溶性物质。同时,由于过滤器的精度相当高,因此这些尺寸较大的不溶物被过滤出来,从而降低了油中添加剂元素的浓度。

2.5.2 液压油理化和污染度分析

该液压油的理化分析情况见表4。我们知道,液压油中添加剂大多为酸性,因此从理化分析的酸值变化就可以大致了解到添加剂的消耗情况。由表4看来,液压油的酸值与前几次分析数据进行比较有明显下降,这也表明该液压油中添加剂的消耗相当严重。此外,污染度分析也显示该系统的污染度等级超标(按诊断相关标准,该伺服系统的最高污染度等级为不大于NAS 6级)。这些污染物的来源同样在于添加剂降解后生成的不溶性固体物质。

2.5.3 旋转氧弹分析

为进一步了解新液压油和在用液压油的使用情况,利用旋转氧弹法对它们的氧化安定性进行了分析,其分析结果见表5。由表5可知,新液压油的氧化时间为388 min,而在用液压油的氧化时间已缩短到了280 min,降低了27.8%,表明在用液压油中抗氧化添加剂(在此主要为ZDDP)消耗比较严重。

2.5.4 液压油抗磨分析

为了验证液压油中添加剂消耗对设备抗磨性的影响,我们采用了四球机对该HM46新液压油进行了长磨测试,测试结果见表6。分析发现其磨斑直径为0.57 mm,超出了诊断相关标准中规定的不大于0.55 mm的指标,与油商提供的参考数据0.50～0.51 mm也有较大差距,再次表明该批次的抗磨液压油存在质量方面问题。

以上新液压油和在用液压油的对比分析表明,油泥的主要来源在于添加剂的降解析出,且该批次的新液压油本身还存在抗磨性能较差等情况。

2.6 添加剂降解原因分析

为什么同牌号的液压油在该厂的其他液压系统中能够正常使用,而在AGC液压系统则出现了如此严重的添加剂降解问题呢?

我们知道,随着液压技术的发展,液压系统的压力升高,功率增大,油泵的负荷越来越重,因此对液压油的抗磨性能提出了更高的要求。此外,液压装置朝高压、高速和小型化方向发展,使得液压油在液压系统中的循环次数增加,液压油在油箱中的停留时间变短,故油温也逐渐上升,对液压油的热氧化稳定性要求更高。还有就是随着液压控制系统变得更灵活更复杂,系统中伺服阀和比例阀部件的灵敏度高,结构复杂,配合间隙小,精度高,同样要求液压油有更高的清洁度和更好的过滤性。因此,高性能的抗磨液压油的使用越来越普遍, ZDDP就是用来调配高性能抗磨液压油的重要抗磨添加剂之一,该类型添加剂具有良好的抗磨、抗氧性能,成本低,因此其使用范围较广,但其缺点同样不容忽视,那就是它的热稳定性能比较差,这一点在高压液压系统中相当突出。

前面的分析业已表明, AGC液压系统的HM46抗磨液压油所采用的抗磨添加剂为ZDDP。在高压和高负荷工作条件下,系统的局部工作温度升高,会导致ZDDP发生分解生成不溶物质,这种物质在形成初期,其尺寸大多为亚微米级,随着时间的推移,小尺寸颗粒通过相互碰撞而不断长大,直至长成微米级甚至更大的颗粒,并在油箱、零部件表面、过滤器滤芯上沉积下来形成漆膜或油泥。同时,由于这种颗粒为极性物质,因此同为极性物质的防锈添加剂也会大量吸附在其表面,从而导致液压油中抗磨添加剂和防锈添加剂的损失,这也就是滤芯的油泥状物质中存在大量锌、钙元素的原因。

AGC伺服液压系统在热轧厂的液压设备中是工作压力最高的,达33 MPa,而其他系统的工作压力均在25 MPa以下。油压的升高往往还会导致油中所溶解的空气浓度也随之增加,促使剂的热分解,因此在高压液压系统中更容易形成油泥状物质。该牌号液压油在其他压力较低的液压系统中能够正常使用,而在AGC液压系统则出现了严重的添加剂降解析出现象的原因就在这里。此外,该生产线目前的实际生产能力已经远超出了原设备的设计能力,从而导致了该系统的生产负荷大大增加,这也是造成该液压油使用寿命缩短的重要原因。

2.7 添加剂消耗带来的不良后果

由于添加剂的大量消耗会导致液压油的抗磨和抗氧化安定性能下降,最终导致油泵的磨损以及液压油的使用寿命缩短。此外,添加剂降解后形成的油泥状物质还会导致以下问题出现[3]:①降低液压油的清洁度;②增大摩擦,增加能耗,甚至导致阀门的失灵或卡死;③由于油泥或漆膜可作为绝热物质,会使得系统的热交换效果下降,从而降低液压系统的冷却效果,使油温上升;④限制或阻止油的流动,并可能使阀门、过滤器堵塞等。因此在使用过程中,必须对在用液压油添加剂的消耗情况进行适时监测,以避免以上不良后果的出现。

3 结论与建议

综上所述,造成该AGC液压系统中的油泥状物质主要是由于油中抗磨添加剂和防锈添加剂的降解所产生的,其中抗磨添加剂ZDDP的降解占主导地位。建议:①定期采用滤油器对系统油箱中液压油进行过滤处理;②缩短换油周期或定期补充新油;③必要时进行技术改造,增大油箱容量;④考虑该系统目前使用的HM46新液压油在使用过程中出现了较严重的添加剂降解现象,建议生产厂停止使用该批次的抗磨液压油,应及时更换其他牌号或改用无灰抗磨液压油。

4 结束语

通过液压油理化、污染度、油料光谱、红外光谱、X射线荧光能谱等多种分析技术的综合应用,快速而准确地诊断出了在线设备液压油的添加剂消耗情况及不明析出物的来源,及时地为生产厂找到故障原因并迅速排除故障,受到了现场技术人员的好评。

参考文献:

[1] 黄文轩. 剂添加剂应用指南[M]. 北京: 中国石化出版社, 2003:41-49.

[2] 张叔良, 易大年, 吴天明. 红外光谱分析与新技术[M]. 北京: 中国药物科技出版社, 1993.

[3] 颜志光.材料与技术[M]. 北京: 中国石化出版社, 2000:96-115.

收稿日期:2008-10-16。

作者简介:吴根生(1966-),男,工程师,2006年毕业于东北大学机电一体化专业,第二专业为环境与化学分析,现从事设备监测诊断及机械设备用油脂分析等工作,编制了“宝钢机械设备企业用油标准和在线设备用油管理标准”,已公开数篇。