机械故障诊断油样分析技术

1、第十八章 机械故障诊断的油样分析技术18.1 油样分析概述118.1.1 油样分析的含义118.1.2 油样分析的信息含量218.2 油样铁谱分析技术618.2.1 铁谱分析与铁谱仪618.2.2 铁谱分析的一般程序1218.2.3 铁谱的定性分析1318.2.4 铁谱分析的定量指标1918.2.5 铁谱分析的特点1918.2.6 铁谱技术的应用2018.2.7 磨粒种类及特征2118.3 油样光谱分析技术2118.3.1 油样光谱分析的简单原理2118.3.2 油样光谱分析的特点2218.3.3 油样光谱分析的磨损界限2418.4 磁塞2518.4.1 磁塞检测的基本原理2518.4.2 磁

2、塞的构造2618.4.3 安装2718.4.4 磁性磨屑的识别2818.1 油样分析概述 在机械设备中广泛使用的液压油和润滑油，它们携带有大量的关于机械设备运行状态的信息，特别是润滑油，它所及的各摩擦副的磨损碎屑都将落入其中并随之一起流动。通过对工作油液（脂）的合理采样，并进行必要的分析处理后，就能取得关于该机械设备各摩擦副的磨损状况：包括磨损部位、磨损机理以及磨损程度等方面的信息，从而对设备所处工况作出科学的判断。油样分析技术有如人体健康检查中的血液化验，已成为机械故障诊断的主要技术手段之一。 油样分析的含义油样分析技术的内容非常广泛，包括油品理化性能指标化验、以颗粒计数为代表的油

3、样污染度评定、以及油样铁谱和光谱分析技术等。理论上讲，这些有关油样的分析测试都可用作机械设备故障诊断的信息来源，生产实践中也确有这方面的应用。但是，在机械故障诊断这个特定的技术领域中，油样分析技术通常是指油样的铁谱分析技术和油样光谱分析技术，有 时也包含磁塞技术。它们的共性是都可用作铁磁性物质颗粒(光谱分析不仅 限于铁磁性物质)的收集和分析，但各有不同的尺寸敏感范围，其中，光谱分析检测磨屑的有效尺寸范围为0.1m到8-10m，但对大于2m的微粒，其检测 效率就大为降低；磁塞技术能有效地检测出上百微米甚至毫米级的磨屑 ；铁谱技术能有效地检测从1m到上百微米量级的微粒。其中，检测效率 e 可定义为

4、： 式中e1 传输效率，是指传输到采样点处的磨屑数量与磨损零件所产生的磨屑数量之比； e2 捕捉效率，是指被收集到的磨屑数量与传输到采样点处的磨屑数量之比； e3 指示效率，是指有指示效力的磨屑数量与被捕捉到的磨屑数量之比。 图5-1清楚地表明了光谱技术、铁谱技术以及磁塞这三种油样分析技术对铁磁性颗粒的敏感尺寸范围分别为：10m、1100m、1001000m，同时，这三种油样分析技术所提供的信息也不尽相同，因而各有其应用场合。 油样分析的信息含量1.信息来源 通过油样分析，能取得如下几方面的信息： (1) 磨屑的浓度和颗粒大小 反映了机器磨损的严重程度；(2) 磨屑的大小和形貌 反映了磨屑产生

5、的原因，即磨损发生的机理； (3) 磨屑的成分 反映了磨屑产生的部位，亦即零件磨损的部位。 将以上三方面的信息综合起来，即可对零件摩擦副的工况作出比较合乎实际的判断。 2.磨屑形貌的识别 大量的理论分析和实验研究表明，不同的磨损发生机理，所产生的磨屑形貌是不同的，磨屑形貌的识别有助于我们针对不同的磨损机理采取不同的维修或预防措施，以下是几种常见磨损机理的磨屑形貌：(1) 正常滑动磨损的磨屑:对钢而言,通常是厚度小于1m的剪切混合层薄片在剥落后形成的尺寸为0.515m的不规则碎片,其典型形貌如图 5-2 所示：(2) 磨料磨损的磨屑:是一个摩擦表面切入另一摩擦表面形成(二体磨料磨损)，也可能由润

6、滑油中的杂质、砂粒及较硬的磨屑切削较软的摩擦表面形成(三体磨料磨损)，磨屑呈带状，通常宽25m，长约25100m，其典型形貌如图5-3(a)、(b)、(c) 所示： (3) 滚动疲劳磨损的磨屑:由滚动疲劳后剥落形成,磨屑通常呈直径为15m的球状，有时也有厚12m、大小为2050m的片状碎片，其典型形貌如图5-4(a)、(b)、(c)：(4) 滚动疲劳加滑动疲劳磨损的磨屑:主要是指齿轮节圆上的材料疲劳剥落形成的不规则磨屑，通常宽厚比为41101；当齿轮载荷过大、速度过高时，齿面上也会出现凹凸不平的麻点和坑，其典型形貌如图5-5(a)、(b)、(c)所示:(5) 严重滑动磨损的磨屑:是在摩擦面的载

7、荷过大或速度过高的情况下，由于剪切混合层不稳定形成的；磨屑尺寸在20m以上，厚度 2m 以上，经常有锐利的直边，其典型形貌如图 5-6 所示:18.2 油样铁谱分析技术铁谱分析技术(Ferrography)是70年代国际摩擦学领域出现的一项新技术，1970年，美国麻省理工学院（MIT）的W.W.Seifert 教授和福克斯波洛（Foxboro）公司的首先提出了铁谱技术的原理，并研制成功了用于分离磨屑和进行观察分析的仪器 铁谱仪。此后，铁谱技术迅速被许多国家的摩擦学工作者所接受，开始主要用作实验室磨损机理研究的一种手段，接着发展成 为直接用于机械设备工况监测诊断的工具。经过各国学者和广大工程技术

8、人员的共同努力，铁谱技术的理论日臻完善，应用范围也日趋扩大，铁谱技术已从最初的在发动机上的应用扩展到液压系统、齿轮蜗轮传动箱、轴承等部件，并广泛地应用于冶金、矿山、机械、汽车、铁路、船舶、煤炭、化工、建筑等行业， 在机械故障诊断的油样分析方法中居主导地位。 铁谱分析与铁谱仪所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪(Ferrograph)从润滑油样（脂）试样中，分离和检测出磨屑和碎屑，从而分析和判断机器运动副表面的磨损类型、磨损程度和磨损部位的技术。铁谱仪据其工作方式的不同，可分为直读式铁谱仪、分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪。近年来，又研究成功了在线式铁谱仪 。此外，还有用于收集面粉研磨等场合的干粉中铁磁性颗粒

9、的气动式铁谱仪。1.直读式铁谱仪（ DRF Direct Reading Ferrograph ）(1) 结构和工作原理 直读式铁谱仪的结构原理如图5-7所示，由光伏探测器 (1、2)、磁铁(3)、光导纤维(4)、白 炽灯光源(5)、接油杯(6)、放大电路(7)、数显装置(8)、压块(9)、沉积管(10)以及其他辅助 机构等组成。直读式铁谱仪的工作原理 油样在虹吸现象的作用下流入沉积管，在沉积管的下部有一高强度、高梯度磁场，油样中的铁磁性颗粒受重力、浮力以及磁力三者的综合作用，在随着油样流过沉积管的过程中，将会在沉积管内有规律地沉积下来，其沉积规律如图5-8所示。 其中的大颗粒沉积在入口处，而

10、较小的颗粒则离入口处较远。传统的直读式铁谱仪在沉积管的入口处和离入口处5mm 的地方各装有一个光伏探测器，分别作为大颗粒(D L)和小颗粒(D S)的光密度读数监测。光伏探测器的输出电压与其所受光强有关，而铁磁性颗粒在沉积管中的沉积将会削弱来自光导纤维的光强。由于光导纤维的匀光作用，使得光伏探测器所接收到的光强改变量与铁磁性颗粒的挡光面积成正比，在一定的条件下，挡光面积又与磨屑体积之间有某种较稳定的对应关系，即光伏探测器的输出与磨屑体积有关，可表达为：  式中V - 磨屑体积；Uout - 光伏探测器的输出电压。这样，通过光伏探测器输出电压的变化就能感知油样中铁磁性颗粒的体积。 (2

11、) 性能特点 与其他两种类型的铁谱仪相比，直读式铁谱仪具有如下的性能特点： 结构简单，价格便宜(约为分析式铁谱仪的 1/4)； 制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷； 目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，随机因素干扰影响大； 只能提供关于磨屑体积的信息，不能提供关于磨屑形貌、磨屑来源的信息，因而信息量有限，常用作油样的快速分析和初步诊断。2.分析式铁谱仪 (Analytical Ferrograph) (1) 结构和工作原理 分析式铁谱仪一般是指包括制谱仪、光密度 读数器以及双色显微镜在内的成套测试系统，其中制谱仪的结构原理如图5-9所示。磨屑在基片上的沉积规律 毛细胶管在压轮的作用下，

12、在其前部形成负压区，将油样从试管中抽出，并流出至玻璃基片上。在玻璃基片的下面有一高强度、高梯度的磁铁，油样中 的铁磁性颗粒随油样沿基片往下流的过程中，由于受重力、浮力以及磁力的综合作用而有规律地沉积在基片上，由于磁力线与油液流动方向垂直，所以磨屑在基片上排列成与流动方向垂直的链状谱，如图5-10所示。当试管中的油样全部被抽出后，经固化和清洗后再小心地将玻璃基片从制谱仪上取出，至此即完成了谱片的制作过程。制作好的谱片可拿到双色显微镜或扫描电子显微镜(SEM)上进行形貌和成份的观察，还可将光密度读数器与双色显微镜相联，进行光密度测量，以判断磨损程度。传统的光密度测试方法是测离出口50mm和55mm

13、两处的光密度读数，分别作为小颗粒(A S)和大颗粒(A L)的读数，并以A S和A L为基础，对谱片进行各种定量计算。(2) 性能特点 与直读式铁谱仪相比，分析式铁谱仪的性能特点如下： 提供的信息较丰富。分析式铁谱仪不仅能提供关于磨损程度的信息，而且通过对磨屑形貌及其成份的观察，还能提供关于磨损发生机理及发生部位的信息，也就是说，分析式铁谱仪所提供的信息比直读式铁谱仪要丰富得多，常用作油样的精密分析。 直读式铁谱仪只能进行一次测量，不能将沉积管从磁场中取出后再放上去重新读数；而分析式铁谱仪制成的谱片可 以保存起来，供以后观察分析用； 制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个小时，且制谱时要求较

14、严格，故一般只能在实验室进行。 3.旋转式铁谱仪传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷： 蠕动泵输送油样时对磨屑的碾压和抛光效应，改变了磨屑的原始形貌，从而影响了对其形貌特征识别和磨损机理的研究； 由于沉积面积有限，先行沉积的磨屑对流道的堵塞，不仅造成了磨屑的堆积，而且还破坏了磨屑在谱片上的沉积规律，从而影响了铁谱的定量分析。为了克服传统分析式铁谱仪的上述两个主要的固有缺陷，人们研制出了旋转式铁谱仪，使铁谱分析技术又向前迈进了一大步 。 (1) 结构和工作原理 旋转式铁谱仪 (RPD Rotary particle Depositor ) 的结构如图5-11所示，其工作原理如下：驱动轴带动永久磁铁

15、和固定在其上方的圆形基片一起旋转，待测油样由输入管流出至基片的中心后随基片一起旋转，油样和非磁性杂质由于离心力的作用而被 甩出基片经排油管排出，这样可消除非铁磁性污染物对分析和测量的影响。整个旋转部分罩在真空排出罩中，铁磁性磨屑和附着铁磁性物质的磨屑被磁化后，同时受到重力、浮力以及磁力和离心力的综合作用，而有规律地沉积在基片上。 旋转式铁谱仪的磁场装置原理如图5-12所示，它由三块同心圆环形磁铁组成三个同心圆环形磁场，它们的的磁力线都沿径向分布，这样，磨屑在沉积过程中将排列成环状谱线，其尺寸由内到外逐渐减小，如图5-13所示。英国斯旺西大学摩擦学中心研制的303型RPD的谱片中，内圈磨屑尺寸为

16、11000m，中圈为150m，外圈为110m。分析式铁谱中分析观察的所有手段均可用于RPD中，此外，还可以用一种新型的颗粒定量仪(P·Q Particle Quantifier)对谱片进行快速准确的定量分析。(2) 性能特点 RPD 除具有分析式铁谱仪的全部优点外，还具有下列优点： RPD不需对油样进行稀释等特殊处理； 操作简便，不需专门技术； 对不同粘度的润滑油可选用不同的转速，因而使用范围更广； 仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染； 在整个操作过程中，不会使磨屑产生附加的机械变形，克服了分析式铁谱仪在制谱中微量泵对磨屑的碾压效应； 分析油样的效率高； 制片成本低； 分析式铁

17、谱仪的谱片只有60mm长，在入口区的沉积面积内，磨屑可能大量重叠，而RPD谱片上三道环沉积区面积大，磨屑能充分地彼此分离，避免重叠。 铁谱分析的一般程序铁谱分析由采样、制谱、观测与分析、结论四个基本环节组成。 1.采样 一个合适的采样方法是保证获得正确分析结果的首要条件。由于铁谱技术检测的是从几微米到上百微米甚至毫米级的磨损颗粒，这些磨屑极易受沉淀、破碎、以及过滤器等因素的影响，因此，铁谱技术要求采样时应遵循以下几条基本原则： 应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角、底部等处采样； 应尽量选择在机器运转时，或刚停机时采样； 应始终在同一位置、同一条件下(如停机则应在相同的时间后)和同一运转状态(

18、转速、载荷相同)下采样； 采样周期应根据机器摩擦副的特性、机器的使用情况以及用户对故障早期预报准确度的要求而定。一般而言，机器在新投入运行或刚经 解体检修，其采样间隔应短，通常应隔几小时采样一次，以监测分析整个磨合过程；机器进入正常运转期，摩擦副的磨损状态稳定后，可适当延长采样间隔；此后，当发现磨损发展很快时，又应缩短采样时间间隔。 R.A.Collacott 推荐的采样间隔为：飞机的喷气式发动机和传动系统为 10 ± 2 小时，往复式发动机为 25 ± 5 小时。注意：所采油样必须要有完整的记录，包括采样日期、大修后的小时数、换油后的小时数和上一次采样后的加油量，以及其它

19、有关机器工作的信息等内容。 2.制谱 制谱也是铁谱分析的关键步骤之一，对分析式铁谱仪而言，既要注意提高制谱效率，更要注意提高制谱质量，要选择合适的稀释比例和流量，使得制出的谱片链状排列明显，且光密度读数在规定范围内。 3.观测与分析 谱片制好后，需对谱片进行定性分析与定量分析。 定性分析：可用铁谱显微镜对磨屑形貌进行观测，也可用扫描电子显微镜(SEM)对磨屑进行更细微的观察，前面给出的磨屑形貌图 ( 图 5-2 图 5-6) 都是 SEM 照片； 定量分析：主要是进行光密度读数，近来也有人开始研究用计算机对磨屑进行图像处理。有关铁谱片的定性定量分析，后面还将 进行较深入的讨论 。 4.结论 根

20、据分析结果作出状态监测或故障诊断结论，为保证结论的可靠性，对于所监测的机器的了解是十分重要的，对机器的结构、材料、润滑及运转、保养、维修与失效历史等均应加以考虑。 铁谱的定性分析目前，对铁谱片进行定性分析的方法主要有：铁谱显微镜法、扫描电镜法、加热分析法三种1.铁谱片的双色显微镜观察与分析 （1）铁谱显微镜的结构和工作原理铁谱显微镜设有两个独立的光源L1和L2，光源L1为反射光源，透过红色滤光片F1到达半透膜反光镜M1，往下照射到谱片S上。光源L2为透射光，它通过绿色遮光片F2到达反光镜M2，往上照射到谱片上。在它的光路中还装有偏光装置，反射光和透射光均可采用偏振光照明。 图 5-14 铁谱显

21、微镜的结构原理图（2）铁谱显微镜的光源及其运用 白色反射光照明观察：白色反射光用来观测磨屑的形状、颜色和大小。在白色反射光照射下，钢、铁和其它大多数游离金属磨屑为白亮色；铜及铜合金呈黄色或黄褐色；轴承中广泛使用的铅锡合金极易被氧化，在低倍下呈黑色，高倍下可观察到彩色氧化斑；有的钢磨屑在形成过程中由于受到较重热效应而出现回火色。白色反射光还用于铁谱片的加热分析，以判断各种磨屑的成分。白色透射光照明观察：无论磨屑是透明、半透明还是不透明的，都能用白色透射光 进行观察与分析。由于游离金属磨屑对白色透射光的消光率极大，亚微米级厚度的磨屑也不透光，故呈黑色。其它大多数成分和化合物颗粒都是透明或半透明的，

22、显示的色调可以作为材料性质的特征，如Fe2O3磨屑呈红色，因为它允许红光透过数微米厚度。白色透射光常用来判断氧化物磨屑是否有游离金属。 双色照明观察：双色照明用于单独用反射光或透射光难以对磨屑进行判别的场合，红色光线由谱片表面反射至目镜，而绿色光线由下方透射穿过谱片到达目镜，利用这两种光源便可对磨屑成份进行判别。金属有吸收和反射光波的自由电子，因而谱片上的金属磨屑便吸收绿光而反射红光，呈红色；氧化物和化合物由于是透明或半透明的，能透射绿光而呈绿色。如果化合物厚度达几个微米，则部分吸收绿色或反射红光而呈黄色到粉红色。通过对磨屑颜色的观察，便可初步判定磨屑的种类及其来源。 偏振光观察：利用偏振光观

23、察磨屑，对于鉴别氧化物、塑料及其它各种固 体污染物特别有效，而且简便、快捷。使起偏片和检偏片处于正交位置，用白色反射光或白色透射光照明时，背景光被吸收，视场呈暗黑色。在此方式下，金属磨屑、体心立方晶系的非金属晶粒及许多非晶物质因无旋光效应而呈黑色。其它所有晶系的非金属晶粒及多晶团粒、塑料和生物材料 等，在光学上均为各向异性，有较强的旋光效应，在正交偏振光的照射下，这些物质的颗粒是可见的。当转动起偏片或检偏片而改变偏振光的振动方向时，会引起这类颗粒的光强的变化，有助于对它们的鉴别。2 铁谱片的扫描电镜观察与分析 利用扫描电镜（SEM）不仅可以更细微地观察磨屑的形貌，而且，用配有X射线能谱（EDX

24、）的扫描电镜还可以分析磨屑的成分。但因SEM不能显示磨屑的光学特性，而且分析程序比较复杂，所以只有在用铁谱显微镜对谱片进行观察分析后，才做必要的SEM观察分析。铁谱片的 SEM 观察分析程序如下： (1) 先用光学显微镜观察铁谱片，找出需用SEM分析的磨屑，并用适当的放大倍数拍照； (2) 用划线刀在铁谱片的上表面轻轻划线，将要进行SEM分析的部分分割成能放入SEM样品室的小片； (3) 用扫描电镜配带的镀膜装置将铁谱片镀膜，以使磨屑和基片成为导电体。一般情况下建议镀金，因为金对磨屑成分可 能造成的干扰小。对于X射线分析，则推荐镀碳，因为碳具有低的原子序数6，不会对X射线能谱造成影响，而金或其

25、它原子序数更高的元素可能有能量峰值，从而与被分析的微粒中存在的元素相混淆。此外，如果希望在完成扫描电镜分析后再进行铁谱显微镜观察，则也可尝试镀碳； (4) 在SEM上对制备好的铁谱片进行观察分析。先选定与铁谱显微镜大致相同的放大倍数，以便较快地找到磨屑，然后再用所需的放大倍数观察。因为多数磨屑的厚度都小于3mm，所以应用尽可能低的电子束进行X 射线能谱分析，以避免接收到从玻璃基片发出的X射线，造成对成分分析的干扰。需要提请注意的是，准备进行SEM分析的铁谱片，应彻底清洗油渍，否则，残存的油渍在真空样品室挥发将对SEM系统造成污染。3.铁谱片的加热分析法 有关磨屑成分的重要信息可以通过观察磨屑在

26、加热铁谱片的过程中的变化来获得。铁系金属磨屑可以按加热时的回火色加以区分。当铁受热在空气中氧化时，开始在表面生成一层极薄的立方晶格的，它增长到一定厚度以后就会出现一定量的。当加热温度高于200以后，表面氧化膜的进一步生长机理是电子穿透氧化膜和离子扩散通过氧化膜，而不是界面的氧化反应。这种机理形成的氧化膜，无论厚度还是光学特性都是均匀的 。铁系金属的氧化膜增长速度受自身合金元素含量的控制，不同的钢种和合金的抗氧化能力不同，因此加热时生成的氧化膜厚度不同。在白光照射下，一部分光从空气 / 氧化膜界面反射，另一部分光从氧化膜 / 金属界面反射，两束从不同界面反射的光相互干涉。不同厚度的氧化膜分光干涉

27、产生的颜色不同，随着氧化膜由薄到厚，回火色的变化规律大致为：亮棕色 草黄色 烤蓝色 淡蓝色 灰白色（失去金属光泽），这就是利用回火色对磨屑成分进行鉴别的依据，如表5-1所示。 润滑油中还经常含有铜、铅-锡合金等有色金属磨屑以及铝、铬、银、钛、镉、镁、钼、锌等白色金属的磨屑。其中铜因具有特定的红黄色而易被识别，铅-锡合金因其熔点低、易氧化和腐蚀，表面总有一层氧化膜，在白光照射下呈黑色。对各种白色金属磨屑可以利用铁谱片加热法配合以酸碱浸蚀法加以鉴别。铁谱片上存在的有机化合物和无机化合物也可用加热分析法予以区分。它们在加热前在偏振光下观察有 相同的表现，加热后，有机化合物根据其构成的不同会炭化、萎缩

28、或蒸发（汽化），加热到 540 时 会加重这种反应。因此，加热后观察，有机化合物的亮度大为减弱；而无机化合物因具有很强的化学 稳定性而几乎不受加热的影响。各种磨屑在铁谱片上的沉积特性及其形成机理如表 5-2 所示。 美国Foxboro公司的 Dianel.P.Anderson 编著的磨粒图谱( Wear Particle Atlas )和英国国家煤炭局科技发展总部(HQTD)编撰的类似的资料，都是大量实验研究成果的总结，对铁谱技术的定性分析研究起了很好的指导作用，目前国内几乎还都是基于上述两本图谱进行铁谱定性分析的。 铁谱分析的定量指标定量分析是铁谱分析技术的一个重要方面。但至今尚没有一个统一

29、的定量指标。由于DL反映了大颗粒的数量，而DS则反映了小颗粒的数量，故有人直接用DL和DS作为铁谱定量指标，还有人用DL(DL Ds)、(DL Ds)Ds作为定量指标。 较为常用的定量指标是 Is (DLDs)(DLDs)，称为磨损烈度，因为IS既反映在了总的磨损浓度(DLDS)，又表征了大颗粒与小颗粒的浓度差 (DL DS)。 铁谱分析的特点 （1）铁谱技术的主要优点 具有较高的检测效率和较宽的磨屑尺寸检测范围，可同时给出磨损机理、磨损部位以及磨损程度等方面的信息； 定性分析与定量分析相结合，提高了诊断结论的可靠性； 可对磨损故障作出早期诊断，能准确地检测出系统中一些不正常磨损的轻微征兆，如

30、早期的疲劳磨损、粘着、擦伤和腐蚀磨损等。（2）铁谱技术的局限性非实时监测：监测周期较长，使其对发展很快的突发性故障不能进行有效的监测，对某些要求高可靠性运转的机器，如航空发动机的监测，铁谱技术也存在明显的不足；过份依赖人的经验：铁谱技术操作环节较多，影响因素较为复杂，采样、制谱、观测与分析、及结论，四个环节中的每一步成败都取决于操作人员的经验与熟练程度，对处于同一状态的设备，不同的操作人员，可能得出完全不同的诊断结论。对采样要求较苛刻：铁谱分析的成功与否，首先取决于能否从润滑系统中取到有代表性的油样，它检测的是几微米至几百微米的颗粒，而且颗粒越大，其携带的信息也越重要。但是，这些大颗粒生成后会

31、很快沉淀，过滤器优先滤掉的也是大颗粒；此外，大颗粒对润滑油流速、管壁等影响也较大。因此，取到一个有代表性的、适于铁谱分析要求的油样，有时需经过多次试验比较才能确定 ；对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳：对于非铁磁性的有色金属合金磨损颗粒，应用铁谱分析方法存在两个困难： 首先是因为有色合金颗粒一般硬度较低，在很多异常磨损 情况下，所生成的颗粒尺寸往往达到毫米级，这些颗粒极 易沉积，采样时就难以取到；其次是，铁谱方法对油样中非铁磁性颗粒的沉积效率也较低，且难以准确定量。在复杂的摩擦系统中，诸如铜、铝和巴氏合金等材质摩擦副大量存在，对其监测同样十分重要。铁谱技术的这一局限性影响了其对有色合 金摩擦副的

32、监测效果。 铁谱技术的应用 摩擦磨损机理的研究、润滑剂性能的评价和选用、新型机器及部件的摩擦学设计、机械设备运行状况的诊断监测、铁谱技术的应用都是基于其对磨屑形貌、大小、成分、数量等的检测识别，有关这方面的应用实例不胜枚举，下面是两个实例：（1） 齿轮磨损的监测诊断铁谱技术是监测诊断齿轮磨损的有效工具。某化学公司在处理齿轮箱的油样时，在双色照明观察谱片的入口处，发现有大量的反射红色的微粒。多数微粒的大小为8-30m，呈薄片状，表面没有氧化或擦伤。扫描电镜观察，磨屑表面十分光滑，经测试，其表面积与厚度之比约为10：1，这与齿面疲劳磨损的微粒特征相符，说明该齿轮已发生了不正常磨损。开箱检查，发现齿

33、面已严重磨损，由此说明了铁谱监测的有效性。（2） 液压系统的监测诊断铁谱技术也是监测诊断液压系统的有效工具。1978年，美国俄克拉荷马(OKLAHOMA)州立大学开始进行应用铁谱技术监测诊断液压系统的研究，他们通过对6台液压系统装置长达4年的实验研究，证明了铁谱技术的有效性。研究结果表明，将铁谱技术应用于液压系统，能早期发现可能引起严重故障的隐患，提高系统的运转可靠性。图5-15所示是一台W613型铲车液压系统从正常磨损至失效的光密度读数变化曲线。由图可以看出，在1000h以后，IS值和DL +DS值都急剧增加，说明系统已处于剧烈磨损阶段。从1408h起，系统已处于破坏性磨损工况，油样中发现几

34、个尺寸在100-175m的大磨屑，这标志着系统即将损坏，必需及时进行维修。 磨粒种类及特征18.3 油样光谱分析技术 光谱原理：任何元素的原子，都是由带正电荷的原子核和围绕其运转的电子组成。正常情况下，原子处于稳定状态即基态，若基态吸收了一定外来能量，则外层电子跃迁到更高的能量级，原子处于激发态，处于激发态的原子不稳定，短时内会发射出能量而跃迁 到基态。原子发射或吸收的能量，以光的形式存在，具有特定的波长。由于原子结构不同，每种元素都有其特征谱线。根据元素的特征谱线可以对元素进行定性分析；根据特征谱线强度的变化可对元素进行定量分析。依靠测定原子从激发态跃迁到基态时发出的特征谱线以确定

35、元素种类的分析为发射光谱分析，依靠测定原子从基态跃迁到激发态时吸收特征波长光的强度以确定元素浓度的分析为吸收光谱分析 。 油样光谱分析的简单原理油样光谱分析，就是利用油样中所含金属元素原子的光学电子在原子内能级间跃迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否，而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多少有关，这样，通过光谱分析，就能检测出油样中所含金属元素的种类及其浓度，以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判断。 油样光谱分析的特点油样光谱分析包括：原子吸收光谱分析和原子发射光谱分析。原子光谱分析法的优点为： 检出限低，灵敏度高。火焰原子吸收法的检出限可达10

36、9 级，石墨炉原子吸收法的检出限可达10101014g，各种原子光谱分析法的检出限如表5-3所示； 准确度高。火焰原子吸收法测定中等和高含量元素的相对标准差可达1%，石墨炉原子吸收法的准确度一般约为3% 5% ； 分析速度快。用 PE5000 型自动原子吸收光谱仪在35分钟内能连续地测定50个试样中的6种元素； 试样用量小。无火焰原子吸收光谱法分析仅需试样溶液 5100 L 或 5 100 mg； 应用范围广。可测定的元素达70多种，不仅可以测定金属元素，也可以用间接原子吸收法测定非金属和有机化合 物； 仪器操作较简便。 原子光谱法的不足之处在于：多元素同时测定尚有困难，只有原子发射光谱可同时

37、进行多元素测定； 有相当一些元素的测定灵敏度还不能令人满意； 对复杂试样，干扰还比较严重。 光谱分析用于机械设备的故障诊断与工况监测，还有下列不足之处： 光谱分析只能提供关于元素及其含量的信息，而不能提供关于磨屑形貌的信息。据油样光谱分析的结果直接对摩擦副的状态作出判断有很大的困难； 只能用以分析含量较低且颗粒尺寸很小(10m)的磨屑，而异常磨损状态下所产生的磨屑粒度一般较大，故一般只能用于故障的早期 监测与预防； 光谱分析的成本高，光谱仪约为50万人民币，为分析式铁谱仪的十几倍； 光谱仪对工作环境要求苛刻，只能在专门建造的实验室内工作。 油样光谱分析的磨损界限光谱分析的磨损界限因油样来源的不同