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沈阳农业大学硕士学位论文 基于铁谱分析的发动机磨损状态监测研究摘要 研究生：张菊导师：包春江教授 发动机在运转过程中，气缸、活塞、曲轴、轴承等零部件会发生磨损，磨损产物以 悬浮状态进入润滑油，它包含着有关零部件磨损状态和发动机工作状态等方面的丰富信 息，通过油液分析，在不拆卸发动机的情况下，实现对其状态监测与故障诊断，指导维 修工作。基于铁谱分析的发动机状态监测研究对汽车、拖拉机和工程机械等车辆的视情 维修制度的建立起到一定的推动作用，对绿色再制造业的发展提供技术支持，经济效益、 社会效益和生态效益显著。 论文比较全面地总结了铁谱分析技术的理论、方法、仪器类型与特点以及铁谱分析 技术的国内外研究现状和发展趋势，开拓性地进行了发动机铁谱监测研究，并将灰色系 统理论应用到发动机磨损状态的预测中，探索按发动机的技术状态维修的可行性，具有 重要的理论价值和应用前景。 在该项研究中，利用m 一2 0 0 0 型磨损试验机，进行钢钢试件的有润滑滑动摩擦磨 损试验，测试试件的磨损率，同时对其润滑油，利用k t p i i 型旋转式铁谱仪进行铁谱 分析，提取铁谱分析参数一磨损烈度指数。在此基础上，研究磨损烈度指数与磨损率的 相关关系，为研究发动机磨损和进行铁谱监测奠定了基础。利用g m l 6 0 型电涡流测功 机，对z n 4 9 0 型柴油机按自定的磨合规范进行了磨合试验，借助铁谱分析技术，验证 磨合规范的合理性。磨合后，进行台架试验，按一定运行时数抽取油样；同时以在用车 ( 上海桑塔纳轿车) 为测试对象，按一定里程抽取油样，应用铁谱分析技术对柴油发动 机、汽油发动机进行状态监测与故障诊断研究。通过纵向定性及定量铁谱分析结果的比 较，研究同一发动机不同时期摩擦副磨损状况；通过横向比较，研究不同发动机在同一 换油周期内的磨损状况，指导车辆使用和维修。论文还对灰色等间距及不等间距预测模 型进行了研究，并利用铁谱参数建立灰色预测模型，预测汽、柴油发动机的磨损状况。 研究结果表明：( 1 ) 磨损烈度指数与磨损率以o 9 的概率线性相关，能够反映摩擦 副磨损状态的改变，可选用此参数监测机器零部件的磨损情况。( 2 ) 针对z n 4 9 0 柴油 发动机制定的磨合规范达到了磨合要求，磨合规范正确。( 3 ) 磨损烈度指数的变化趋势 及变化剧烈程度可反映发动机的磨损状况；磨屑累计总磨损和累计磨损烈度两个参数也 与发动机状态有良好的对应关系。正常运转的发动机，磨屑累计总磨损曲线和累计磨损 烈度曲线将彼此分开；状况恶化时，两条曲线的斜率均升高并逐步靠近。( 4 ) 分别根据 柴油发动机及汽油发动机试验数据建立的等间距及不等间距灰色预测模型精度等级为 一级，该模型可预测发动机的铁谱参数，推断发动机磨损状态，进行状态监测。 关键词：铁谱分析技术，发动机，状态监测，故障诊断，灰色预测模型 a b s h a c t s t u d y o nw e a rc o n d i t i o nm o n i t o r i n go f e n g i n e b a s e do nf e r r o g r a p h ya b s t r a c t c a i l d i d a t e ：z h 叽gj us u p e i s o r ：p r o b a oc h u l l j i a l l g t h ea s s e m b l yo fe n 西n e ，s u c ha ss t o p c o c k ，c m ka n da ) 【l e t r e e ，b e 丘a y e di na c t i o n a l lm e p r o d u c t i o n ，i nw l l i c ht l l e r ci sa b u i l d a i l t 血f o r m a t i o na b o u ts t a t l l sm e s s a g e so f 船s e m b l ya r l d e i l g i n e ，e n t e r sl u b r i c a t i n go i l t 1 1 r o u g ha n a l y z i n gl u 晰c 蚰go i l ，m a l ls u p e n ，i s ee n 百n c ， d i a p 皿o s ef i a u n 甜l di n s 订u c tm a i n t e n a n c e 、v i t l l o u tt e a r i n gd o w na ne g i i l e t h eq u e s t i o nf o r d i s c l l s s i o n ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n go fe n g i n eb 嬲e do nf b 廿o g r a p h yh 嬲p r o p u l s i v ee 鼠c tf o r c o n d i t i o nm a i m e n a n c e a t 吐l cs 锄e 廿m e ，i to f f 打t e c l l i l i c a la c g i sf o rg r e e nr c p m d u c i n g b e s i d e ，也ec c o n o r n i cb e n e f i t ，s o c i a lb e n e ma n de c o l o g i c a lb e n e f i to f t l l i sq u e s d o n i sd i s t i n c t i nd i s s e r t a t i o n ，m m l o rr o l h l d l ys u i i m l a r i z e sm e o i y ，t c c l l l l i q u e ，i 1 1 s t m m e m a lv a r i e t ya n d c h 孤a 删s t i co ff e r r o 宴z a p h y t h es t a t u sq u o 锄dd e v e l o p m e 删e n do ft h j s 豫s e a r c hi sa l s o a n a l y z e d a u m o rc a r r i e st l l r o u 曲c o n d i t i o nm o n i t o r i n go fe 1 1 西n eb 硒e do nf 两o g r a p h y 觚d 印p l i e sg r e ys y s t 锄t l l e o r yt of b r r o 掣a p h yt i l r o u 曲也e s e ，s e a r c h 抽ga f l e rf e 站i b i l i t yo f c o n d i t i o nm a i n t e n a n c e t h i sq u e s t i o nf o rd i s c 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t i o no fe n g i n e s ；m ec u m u l a t i v et o t a lw e a ra n dc u m i l l a t i v e s e v e r i t yo fw e a rh a s 、v e l lc o r r c s p o n d i n gc o i l l l e c t i o n f o rw e l l _ b a l 觚c e de n g i i l e ，t l l et w oc u r v e s r e s p e c t i v e l yd e t a c h ，t 1 1 es l o p e so f 也ec u e s 血c r e 鹬ea i l d 廿l ec u e sc l o s ei l pw h e nt 1 1 e i l 沈阳农业大学硕士学位论文 c o n d i t i o no fe n g i n ei sd e t e r i o r a t e ；( 4 ) o nm eb a s i so fd a t ao fd i e s e lc n 百n e ，e q u a li n t e r v a l 掣e y p r c d i c t i o nm o d c l i sc o n s t i t u t e d a tm es a m et i m e ，n u e q u a li n t e r v a lg r e yp r e d i c t i o nm o d e l i s c o n 嘶t u t e da c c o r d i n gt ot 1 1 ed a t ao fa m o m o b i l ee n g i n e ，t h ep r e c i s i o no fa b o v e 柳om o d e l si s t h ef i r s tl e v e l t h a ti s ，m r o u 曲t l l i sm o d e l ，t l l ef e r r o 掣印h i cp a 强m e t e rc a l lb ep r e d i c t c da n d m ea t 晡t e dc o n d i t i o no fe n g i n e sc a i lb ed e d u c e d s oc o n d i t i o nm o m t o r i n gc 距b ec a n i e d 吐l r o u g h k e yw o r d s ：f e r r o g r a p h y ；e n g i n e ， c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ， g r e yp r e d i c t i o nm o d d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：砾桶 时间： 枷6 年莎月竹日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阻农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：张镧时间：乒聊6 年5 月i 牛日 导师签名： 绦l 试阃t 。年rr 瞄日 沈阳农业大学硕l 上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代化大生产和科学技术的不断发展进步，工业生产迅速向大型化、连续化、 高速化和自动化方向迈进，随之而来的是机械设备的高速度、高功率、高可靠性及不可 接近性。现代科技提高设备自动化程度的同时也增大了其发生故障时所产生的直接及间 接影响。故障一旦发生，不仅会带来经济上的巨大损失，而且有可能污染环境、引起灾 害，引发各种社会问题。因此，设备状态监测与故障诊断技术越来越受到人们的关注和 重视。 设备状态监测与故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其 整体或局部是否正常，早期发现故障及其产生的原因，并能预报事故发展趋势的技术( 何 芸，2 0 0 4 ) 。该技术产生于上世纪7 0 年代，经历了3 个发展阶段：故障后维修( b r e a k d o w n m a i n t e n a n c e ) 、定期维修( p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ) 和状态维修( c o n d i t i o n m a in t e n a n c e ) 。 ( 1 ) 故障后维修 早期工业设备技术水平和复杂程度低，生产规模小，设备的维修费用问题没有引起 人们的注意和重视，设备一直用到失效才去修理，因此被称为故障后维修。对那些即便 发生故障也不危及安全而造成恶果，以及故障规律不清，属于偶发事故的情况，采用事 后维修更经济。 ( 2 ) 定期维修 本世纪以来，随着大生产的发展和流水线生产方式的出现，机械设备向着大型化、 高速度和高程度自动化方向发展，机械设备本身的技术水平和复杂程度大为提高，机器 的事故或故障对生产的影响显著增加。在这种情况下，出现了根据使用经验确定使用周 期的定期维修方式。这种维修制在设备安全运行上曾起过积极作用，避免了一些重大事 故的发生，但随着科学技术的发展和设备可靠运行的需要，这种维修制度存在两个明显 缺点：一是对正常磨损还不需要检修的机器它会造成人力和物力的巨大浪费，有时拆装 本身还会对机件造成新的损伤和故障；二是机器发生不正常磨损时由于不能及时预报而 使设备严重失效，造成了损失。针对此种情况，机械运行工程师提出了状态维修制度。 ( 3 ) 状态维修制度 该种维修制度根据在线监测和诊断装置所预报的设备故障状态，判断设备的磨损程 度、发展趋势，确定机械设备的维修时间和内容。状态维修制度以机械设备的实际情况 为依据，以设备故障诊断技术为基础，及时地、有针对性地进行维修，减少了设备的过 剩维修，显著提高了设备的利用率，降低维修费用的同时提高了经济效益( 黄伟力等， 2 0 0 5 ) 。 经过几十年的发展，设备状态监测与故障诊断技术已经发展成为一个相对独立的学 科，主要的监测技术有：温度监测技术、无损检测与评价技术、声发射技术、噪声监测 技术、振动监测技术和油液分析技术。其中油液分析技术通过分析被监测机器的在用润 滑剂的性能变化和携带的磨损微粒的情况，获得机器的润滑和磨损状态的信息。由于润 滑油可以在不停机、不解体的情况下采集，所以该技术可以在不拆机的情况下判断机器 设备的工作状态是否正常。又由于其适用于低速重载、环境恶劣的工况，因而它比振动 和噪声监测能更好的反映出设备的故障和技术状态，是目前磨损检测和诊断中一项极为 重要的技术。油液分析的内容包括润滑油本身性能的分析和润滑油携带磨损颗粒分析两 个方面，其测试手段有常规的理化分析、光谱分析、铁谱分析、颗粒计数及磁塞等( 蒋 元星，2 0 0 5 ；廖静卿，2 0 0 5 ) 。本文讨论的重点为铁谱分析技术。 1 2 铁谱分析技术概述 铁谱分析技术( f e g r a p h y ) 利用具有高梯度磁场作用的铁谱仪( f e s c o p e ) 将机器 摩擦副中产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来，并使其按照尺寸大小依次沉积在一显 微基片上而制成铁谱片( f e r r _ 0 9 r a m ) ，然后置于铁谱显微镜( f e r r d s c o p e ) 或扫描电子显微镜 下进行观察；或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内，通过光学方法进行定量检测， 以获得摩擦副磨损过程的各类信息，从而分析机器的磨损机理和判断磨损的状态。这种 包括从润滑油液取样开始直至作出分析与判断的技术被称之为铁谱分析技术( 萧汉梁， 1 9 9 3 ) 。 机器在运转时，摩擦副零件表面的相对运动和相互接触会产生摩擦、磨损，不断产 生磨损颗粒和碎屑( 简称磨粒) 。这些磨粒的尺寸极其微小，它们在润滑油中一般呈悬 浮状态。由于摩擦副中润滑油的循环流动，这些磨粒不断地被带出机器的摩擦副表面。 实践证明，机器在不同的磨损状态( 跑合期、正常磨损期、严重磨损期) 下会产生出各 种不同尺寸、形状、浓度和成分的磨粒，监测这些磨粒，通过分析可得出它们的磨损型 式和磨损机理，从而判断出机器零件表面的磨损状态，由此可以最直接地反映出机械设 备的失效信息。 1 9 7 0 年，美国麻省理工学院的塞弗特( wws c i f c r t ) 教授和f o x b o m 公司的韦斯 科特( vc w j s t c 毗) 着手研究一种用于检测机器零件失效的简易方法。由于大多数磨 损零件是钢铁材料制成的，他们提出了用磁铁来吸附磨损微粒的构想，并于1 9 7 1 年成 功研制了用于分离磨屑和进行观察分析的仪器铁谱仪和铁谱显微镜，形成了铁谱分 析技术这一新的油料分析技术。1 9 7 6 年，美国鲍恩( e r b o w e n ) 和韦斯科特( v c w s t c o t t ) 编制了第一册磨损颗粒图谱( w e a rp a n i c l ea t l a s ( v o l 啪ei ) ) ，主要对钢铁 沈阳农业大学硕士学位论文 材料的磨损颗粒做了分类，此图谱成为了铁谱磨粒识别的指南。1 9 8 2 年，美国海军航空 工程中心汇集英、美铁谱技术工作中积累的资料，由安德森( d p a n d e r s o n ) 主持编制 了更完整的磨损颗粒图谱。这本磨粒图谱在第一册的基础上增加了有色金属和其他 非金属以及污染物等颗粒的图谱，并且列举了柴油机、燃气轮机、齿轮、液压系统、滑 动轴承等工况监测与磨损分析的实例。除此之外，对于磨损颗粒材质的识别，提出了“铁 谱片加热法”和“化学侵蚀法”，为几种常见的钢、铁和有色金属的识别提供了一种较 为简便的方法。此图谱为铁谱分析技术的进一步发展、应用和推广普及奠定了基础( d pa n d e r s o n 。】9 8 7 ) 。 1 2 1 铁谱分析仪器的种类 自7 0 年代初，第一台铁谱仪在美国问世后，根据应用场合的需要，一些国家先后 开发了多种型式的铁谱仪和与之配套的分析仪器。目前应用的主要有：分析式铁谱仪、 旋转式铁谱仪、直读式铁谱仪、在线铁谱仪、气动式铁谱仪和电磁式铁谱仪六种类型。 ( 1 ) 分析式铁谱仪( a n a l y t i c a lf e r m g n p h ) 分析式铁谱仪是最先开发出来的铁谱技术机器，它的工作原理是使润滑油样流经一 个特制的高梯度强磁场，其中的铁磁性磨粒在磁场力的作用下被分离出来并依照尺寸大 小有序地沉积在一玻璃基片上，制成铁谱片。利用铁谱显微镜或扫描电子显微镜对谱片 上的磨粒进行观察和分析，推断机械摩擦副表面的磨损状态；通过对铁谱片的加热分析、 扫描电镜x 射线能谱分析，确定谱片上磨粒的成分，从而推断其来源部位；利用光密度 计等定量测量磨粒覆盖面积百分数，通过对测量结果的趋势分析来判断机械设备的磨损 程度，预报机器零部件的磨损趋势。 ( 2 ) 旋转式铁谱仪( r o t a r yp a 啪c kd e p o s “o r ) 1 9 8 3 年英国斯旺西( s w 弛s e a ) 大学研制了旋转式铁谱仪，也被称为旋转式磨粒沉 积器，简称r p d 。 旋转式铁谱仪的核心装置是一圆形磁铁，磁铁转动的同时产生离心力，油液中的磨 粒在磁场力和离心力的共同作用下按尺寸大小沉积排列在一方形基片上，分别形成内、 中、外三个同心圆环，为r p d 铁谱片。由于离心力的作用，油液中大部分的污染颗粒 被清除，避免了污染颗粒埋没磨屑现象的发生。此后对谱片的分析与分析式铁谱仪相同， 利用各种仪器和方法，观察磨粒的形貌，确定磨粒成分，判断机械设备的磨损程度，预 报机器零部件的磨损趋势。 r p d 的最大缺点是磁场中的磁力线垂直于基片，磨粒沉积时会在磁力线方向上堆 积，当基片挪离磁场时，长长的磨屑链会随机倒下，造成谱片分析的困难。中国矿业大 学摩擦学研究所杨志伊教授等人针对旋转式铁谱仪的缺点和去处污染颗粒的优点，结合 分析式铁谱仪的优点设计出了k t p 型旋转式铁谱仪。事实表明，k t p 型旋转式铁谱仪 绪论 不但弥补了分析式铁谱仪及r p d 的不足，而且在主要性能指标上已达到和超过了分析 式铁谱仪。如今，这一型号的铁谱仪已在诸多厂家和研究单位普及。 ( 3 ) 直读式铁谱仪( d i r tr e a d i n gf e r r o g r a p h ) 直读式铁谱仪使润滑油样流经一个特制的高梯度强磁场，其中的铁磁性磨粒按照尺 寸大小依次沉积在一玻璃管内。光电传感器接受大、小磨粒沉积位置的两道光束，测定 磨粒浓度的读数，这两个读数直接代表大、小磨粒的相对数量，可以被用来解释机器摩 擦副的磨损状态。因为没有谱片，直读式铁谱仪不能对磨粒的形貌和材料成分进行分析。 但该仪器操作过程简单方便、分析结果定量化，因而对机器工况监测特别有用。目前， 它在工厂、基地、港口、船舶等处得到广泛应用。 ( 4 ) 在线铁谱仪( o n n n ef e r m g m p h ) 上述铁谱仪需从机器中先采集油样，再送到实验室利用仪器进行分析，而后再将分 析结果返回到现场，根据需要进行检查与维修。如此一来，取样、制谱工作繁杂，不仅 增加了工作量，而且提高了成本。为克服这些不足，研制了在线铁谱仪。在实际应用中， 将该仪器直接安装在机器的循环润滑油路上，润滑油中的磨粒在高梯度磁场的作用下按 尺寸大小依次沉积到沉淀管上，相应的传感器测出大、小磨粒浓度。仪器预先设定个 磨粒浓度值，当到达此浓度值时流量便自动切断，一次测量结束，同时仪器测出润滑油 体积，根据润滑油体积的差异可推知机器设备不同的磨损状况。 尽管在线铁谱仪实时、快速、简便，但是由于工作环境的恶劣性和所监测设备的复 杂性，监测结果会受到各个方面因素的影响。另外，在线铁谱仪与直读式铁谱仪一样只 能对磨粒做定量分析而不能对其做定性分析，因而将其应用到工业领域还有许多需要研 究和解决的问题。 ( 5 ) 气动式铁谱仪( p e u m a t i cf e r r o g 瑚p h ) 气动式铁谱仪是用于干磨料磨损条件下磨粒分析的一种新型铁谱仪，其工作原理 为：让含有磨粒的粉状物料在气流的带动下通过一高梯度磁场，铁磁性磨粒依尺寸大小 有序地沉积在玻璃基片上，非铁磁性磨粒被吹走，而后利用各种仪器对谱片进行定量与 定性分析，判断机器的磨损状态。 气动式铁谱仪既可用于实验室干磨料磨损条件下的磨粒分析，也可用于实际工况条 件下的应用研究。实践表明，它不仅能快速地收集磨粒，而且操作也比较简便，为研究 千磨料磨损提供了一种十分有效的工具。 ( 6 ) 电磁式铁谱仪( e l e c t r o m a 驴e t i cf e r m g 腿p h ) 在上述几种铁谱仪中，为了保证磁场的高梯度，一般选用具有优良磁性能的永磁材 料，而且磁铁要有足够的尺寸，一旦制作好，铁谱仪的磁感应强度就不能改变。为了克 服这些问题，西安交通大学谢友柏教授及其指导下的铁谱技术研究组于1 9 8 2 年研制成 功了电磁式铁谱仪。该铁谱仪的基本组成与分析式铁谱仪相同，但它用一直流电磁装置 沈阳农业大学硕士学位论文 取代了一般铁谱仪中的永磁装置。通过严格设计磁极尖部形状、尺寸、气隙宽度等参数， 保证了磁感应强度的连续可调。 通过对电磁式铁谱仪多方面的性能考核，表明该仪器电磁装置的磁场强度高、梯度 高，磁性稳定，而且它最突出的优点是磁场强度连续可调。事实证明，电磁式铁谱仪的 研制成功不仅是国际先进、国内首创，而且还为西安交大后来研制o l f 一1 、o l f 一4 等在线铁谱仪提供了基础( 张鄂，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 铁谱技术的分析方法 铁谱技术主要有三种分析方法：定性分析法、定量分析法及定性与定量相结合的分 析方法。 ( 1 ) 定性铁谱分析法 定性分析主要是对磨粒的形态( 形状及表面状态) 进行观察。磨粒形成机理的研究 表明：不同的磨损型式会产生不同种类的磨粒：不同种类的磨粒具有其自身特征。通过 分析磨粒形态可以识别磨粒的类型、磨损程度和机理，判断摩擦副的磨损形式及磨损状 态；同时通过分析磨粒的成分可以判断机器发生故障的部位，指导维修( 魏海军，孙培 廷，2 0 0 4 ；王志坚，2 0 0 5 ) 。 ( 2 ) 定量铁谱分析法 定量分析通过测量磨粒的百分覆盖面积来确定磨粒浓度、大小磨粒的相对含量，反 映机器在运行过程中磨损率的变化，从而对零件磨损的进程进行量的评估( 魏海军，孙 培廷，2 0 0 4 ；王志坚，2 0 0 5 ) 。定量分析可以直观地确定磨损率及磨损趋势的变化，为 故障的预报与诊断提供充分准确的判据。 ( 3 ) 定性与定量相结合的分析方法 定性与定量铁谱分析法各有优点，也各有缺点。定性分析没有给出摩擦副磨损的确 切量度，而定量分析却不能确定具体的故障和故障部位，因此将两者相结合是目前铁谱 分析人员采用最多的一种分析方法。这种方法结合了两种方法的优点，弥补了它们的不 足，提高了铁谱分析的可靠性，但分析过程复杂，分析时间长。 1 2 3 铁谱分析技术的基本特点 ( 1 ) 铁谱分析技术的优点 自1 9 7 1 年问世，1 9 7 9 年在我国正式展开以来，铁谱分析技术无论是在工业现场还 是在科研领域均取得了令人满意的成绩。该技术的优点主要包括以下几个方面： 可以沉淀和分析有价值的微粒 在机器润滑油油样中存在着两种微粒。第一类是磨损微粒，它们的尺寸范围从几微 绪论 米到几百微米；第二类微粒来自空气或其他来源，与零件的磨损无关。这类微粒的沉积 势必与磨损颗粒相混淆而得不出正确结论。铁谱仪具有的磁性特点可以使它们不沉积 ( 或不完全沉积) 在载体上，从而简化分析，减少得出错误结论的概率。 监测磨粒尺寸范围大，监测效率高 摩擦学研究表明，机械设备磨损状态的发展与磨粒的尺寸和数量变化相对应，因而 有效地监测几微米到几百微米的磨粒数量变化有很重要的意义，因为这一尺寸范围正是 绝大多数机械设备发生磨损时所产生的磨粒的尺寸范围。目前，国内外对润滑油中磨粒 的监测分析方法主要有光谱分析法、磁塞检测法、放射线同位素检测法和铁谱分析法。 光谱分析法分析速度快，但适用于较小尺寸( l opm 的磨粒) 的数量虽有下降的趋势但仍然很大。以上情况说 明摩擦副已发生磨损且磨损量很大。 试验进行至2 0 分钟时，大磨粒的数量继续降低，而小磨粒的数量逐渐增加，磨粒 被细化，此时的磨粒仍以铁磁性颗粒为主，呈链状按铁磁线方向排列。在这一过程中， 氧化物的减少说明了摩擦接触面之间润滑状态已改善；在随后的时间里，大磨粒的数量 很少且基本保持稳定，小磨粒的数量增加，谱片上磨粒以正常磨损磨粒为主，此时磨合 试验己基本完成。 在验收阶段，随着发动机转速及载荷的增加，谱片上磨粒的数量有一定程度的增加， 但大磨粒的数量未发生改变。发动机功率下降时，大小磨粒的数量均有所下降但幅度不 大。试验结束时谱片上磨粒的分布情况如图3 7 所示。从图中可以看出，试验后磨粒的 数量降低，大磨粒数量很少，大部分为片状、尺寸为2 5um 的正常磨损磨粒。 柴油发动机磨合试验的铁谱监测 1 0 “m 。_ - 一 图3 6 第一张谱片上的片状磨粒 f i g3 6 f 砒i g u es p a l lp a n i c l e 伽t l l en r s tf e m g 姗 3 3 3 结论 l 口6 。- - 一 图3 - 7 第十张谱片上的磨粒 f i 9 3 7 w e 盯p 矾i c l eo nt 1 1 el o t l lf e n d 啪 本次试验中，z n 4 9 0 柴油机按制定的试验用磨合规范进行磨合试验，该磨合规范包 括空载运行、负载运行、调和及验收阶段。试验过程中，对谱片进行定量及定性铁谱分 析。分析结果表明：最初5 分钟，摩擦副磨损量较大，磨损率较高，谱片上磨粒数量增 加快，粒度大，此时为磨合初期。在随后的时间内，系统的磨损率降低，摩擦副的承载 能力得到了提高。当试验进行至2 0 分钟时，磨损烈度指数曲线到达拐点位置，之后曲 线变化平稳，磨粒细化，氧化物减少，系统进入磨合后期。此后，发动机转速及载荷的 增加与减少并未对磨粒数量及粒度的变化造成很大影响。试验结束时，摩擦副表面已建 立起稳定的磨损及润滑状态，发动机已完成磨合阶段并向正常磨损阶段过渡。针对 z n 4 9 0 柴油发动机制定的磨合规范正确合理。 3 4 本章小结 ( 1 ) 分析了柴油机摩擦磨损过程中，摩擦副表面及其问润滑性质的变化规律，阐 明柴油机磨合的重要性；根据一般的磨合规范制定方法和要求，制定了z n 4 9 0 柴油发 动机磨合规范。 ( 2 ) 将z n 4 9 0 柴油发动机安装在g m l 6 0 型电涡流测功机上，用f c 2 0 0 0 发动机测 控系统控制，进行台架磨合试验。试验中采用了交替逐渐增加转速及载荷的方法。 ( 3 ) 定性及定量分析结果表明：针对z n 4 9 0 柴油发动机制定的磨合规范正确合理。 ( 4 ) 铁谱分析技术能够有效的探索柴油机磨损规律，是研究磨合规律的一种有效 手段。 沈阳农业大学硕士学位论文 第四章铁谱分析技术对发动机的状态监测 本章利用铁谱分析技术分别对刁9 0 柴油发动机、上海桑塔纳轿车汽油机发动机进 行状态监测与故障诊断。从检修的角度对试验数据进行定性与定量分析，以监测结果为 依据评价发动机技术状态并预测设备故障的可能性和趋势。 4 1柴油发动机的状态监测 柴油发动机作为核心动力设备广泛应用于各个领域，其技术状态的优劣直接影响相 应系统的动力性、经济性和可靠性。因此，监测柴油发动机的技术状态，及时发现和排 除故障，对降低运行成本、节约能源、提高运行效率具有重要的意义。但是，柴油发动 机的摩擦副种类繁多，使用材料品种众多，工作条件复杂恶劣( 高温、往复、变速) ， 因此润滑油中含有多种金属磨损产物，此外还有燃烧产生的积炭和滤材的纤维以及润滑 油的衍生物等。长期以来，柴油发动机的磨损，特别是柴油发动机中三大摩擦副( 缸套 一活塞环、凸轮一挺杆、曲轴一轴承) 的磨损一直是影响柴油发动机性能和使用寿命的 关键所在。因此，本小节对柴油发动机润滑油定时抽样检查，进行铁谱分析，监测机械 设备的磨损状况。 4 1 1 试验系统组成 监测对象：常柴股份有限公司生产的z n 4 9 0 柴油发动机 试验用油：a p ic d 级、s a e1 5 w h 0 柴油机机油 仪器设备：f c 2 0 0 0 发动机测控系统、g m l 6 0 型电涡流测功机、k t p i i 型旋转式铁谱 仪、l 2 0 2 0 型铁谱显微镜、g m j 3 型光密度测量仪 4 1 2 试验方法 本项试验分两个阶段进行，每个阶段累计运行1 0 0 小时。第一阶段试验完成后，拆 卸发动机各零部件，组装，之后在完成磨合试验的基础上进行第二阶段的试验。 ( 1 ) 第一阶段：柴油机完成磨合试验后，更换润滑油再进行磨损试验。此项试验 开始前，整个试验系统进行了增压器增压性能测试试验，因而从第1 3 小时起才正式展 开磨损试验。在这一过程中，发动机各摩擦副同样发生了磨损，因而将此段时间记入累 计运行时间内。 为了模拟正常使用状态下的柴油机，在此阶段的试验中，发动机的转速定为 2 2 0 0 “m i i l ，载荷定为9 0 n m ，分别为额定转速和最高扭矩的7 0 和6 5 。在进入正常 磨损试验前，首先应完成跑合阶段。相对于正常磨损状态，跑合阶段的转速及载荷均要 铁谱分析技术对发动机的状态监测 求较低，分别为1 9 0 0 r m i i l 及7 3 n m ，有利于摩擦副良好润滑状态的建立，延长机器使 用寿命。试验进行过程中，初期取样周期较短，为5 小时：后期每隔6 小时抽取一次润 滑油样。取样方法及部位与上一章中相同，即机油标尺处针管抽油取样，每次抽取5 m l 机油并分类标号。详细的试验规范如表4 1 所述。 表4 - l 第一阶段磨掼试验规范 t a b 4 - lc n t c r i o no f 胁j i i g - i n 能p e m ti n 血吼i n 0 ”n t ( 2 ) 第二阶段：与第一阶段相同，首先更换润滑油并完成跑合阶段。为加大机器零 部件的磨损，提高试验效果，此阶段机器的转速选择为2 4 0 0 r n l i n ，扭矩仍为9 0 n m ， 抽取润滑油样的间隔增加为1 0 小时。具体的试验过程如表4 2 所述。 4 1 3 试验结果 对采集到的油样进行定量铁谱分析。为了更加有效地监控柴油机的磨损状况，除磨 损烈度指数厶外，此次还采用了另外两个铁谱分析参数：累计总磨损和累计磨损烈度。 其中前者是被监测系统总磨损的累计值，反映了摩擦副的总磨损；后者是被监测系统磨 损烈度的累计值，反映摩擦副状态的变化。通过绘制累计总磨损和累计磨损烈度趋势曲 线可以反映机器状态的变化。正常运转的机器将产生两条彼此分开的直线，状况恶化的 机器将使两条曲线的斜率均升高并逐步靠近。 沈阳农业大学硕士学位论文 表4 - 2 第二阶段磨损试验规范 t 曲4 2c n t c n o n o f m n n i l l g i nc x p c m e n ti ns e c 叩dm o m e n t 累计运行时间( h )转速( r m i n ) 扭矩( n m )油样号 5 1 9 0 07 3 柴1 7 柴1 8 柴1 9 柴2 0 柴2 l 柴2 2 柴2 3 柴2 4 柴2 5 柴2 6 柴2 7 对于旋转式铁谱仪： h 累计总磨损c f ：( 如+ 4 + 4 外) ，= l 累计磨损烈度c 6 ：( 如一南一4 外) j ；1 式中i 代表谱片的个数。 两个阶段试验结果如表4 3 、4 4 所示。 寰4 3第一阶段磨损试验数据 m 4 3d 咖o f n 眦i n g - i n 蹦p 盱i i n 即ti n 行瞰m o m 吼t ( 4 1 ) ( 4 2 ) 景计 累积磨 运行油样油样体 ( 十f * ( 打标准值累积总 损烈度 时间号积( m l ) l o 。、l0 - 2 11 0 - 2 1( l 矿) 磨损g g ( h ) 1 2柴135 71 50 45 6 9 90 0 7 7 0 0 3 7 1 7 柴2 。36 ol 7n 5矗3 0 3o 1 5 9 o 0 7 6 2 2柴33 6 8 2 7i 36 1 5 30 2 “0 1 0 4 2 8柴433 51 70 51 5 6 8o 3 2 30 ，1 2 0 3 4 柴5 34 92 41 32 0 3 40 4 0 8仉1 3 0 4 0 柴6 35 42 7i32 6 0 40 5 0 lo 1 4 4 竹 如 如 蚰 蚰 如 蚰 帅 帅 加 椰 挎 抖 舶 m 斟 m m m m m m 加 如 柏 加 帅 如 瑚 铁谱分析技术对发动机的状态监测 4 6柴736 23 2l729 6 606 1 20 1 5 7 5 2柴836 02 9153 _ 3 0 607 1 60 1 7 3 5 8 柴9 4 5 7 2 _ 31231 5 20 8 0 s 0 1 9 6 6 4 柴1 0 4 5 4 2 61 420 1 2o9 叭02 1 0 7 0柴1 145 22 51 51 7 4 50 9 9 302 2 3 7 6