第五章-机械故障诊断油样分析技术(CUMT)

1第五章机械故障诊断的油样分析技术第一节油样分析概述第二节油样铁谱分析技术第三节油样光谱分析技术第四节磁塞2第一节油样分析概述

在机械设备中广泛存在着两类工作油：液压油和润滑油。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准确的判断。3一、油样分析的含义

通过油样分析来了解机器的工作状态已有很长的历史了。最初是通过油液的自身的理化性能如粘度、闪点、酸值、水份和机械杂质等参数的变化来判断机器的工作状态的。这种方法为一种广泛采用的常规分析方法。4

机械在运行过程中，它的磨损产物(磨损微粒)都要进入润滑油中。研究表明，磨损微粒带有许多有关零件磨损状况的信息。不同磨损时期(磨合磨损期、正常磨损期、剧烈磨损期)的磨损微粒在尺寸、数量、分布等方面存在较明显的区别；不同磨损机理(磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等)作用下产生的磨损微粒，在形貌、大小等方面存在较显著的差别；不同材料制成的磨损零件，磨损微粒的化学成分也不相同。56

对磨损微粒进行尺寸、浓度、形貌、分布和成分等参数的定性与定量分析，便可在不停机、不拆卸条件下诊断出机械设备的磨损状况(磨损部位、磨损机理、磨损程度等);预测出磨损的发展趋势，在故障诊断领域它是检测机械磨损状况的一种十分直观的重要手段。7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0.1μm到8～10μm，但对大于2μm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1μm到上百微米量级的微粒。89

磨损、疲劳和腐蚀是机械零件失效的三种主要形式和原因，而其中磨损失效约占80％左右。由于油样分析方法对磨损监测的灵敏性和有效性，因此这种方法在机械故障诊断中日益显示其重要地位。10二、油样分析的信息含量1．信息来源通过油样分析，我们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。112．磨屑形貌的识别(1)正常滑动磨损的磨屑对钢而言，通常是厚度小于1μm的剪切混合层薄片在剥落后形成的尺寸为0.5～15μm的不规则碎片，其典型形貌如图5－2所示。12铁谱片13(2)磨料磨损的磨屑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2～5μm，长约25～100μm。1415(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1～5μm的球状，有时也有厚1～2μm、大小为20～50μm的片状碎片。1617(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4:1～10:1；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。18(5)严重滑动磨损的磨屑是在摩擦面的载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20μm以上，厚度>2μm以上，经常有锐利的直边，其典型形貌如图5-6所示。19第二节油样铁谱分析技术

铁谱分析技术(Ferrography)是20世纪70年代国际摩擦学领域出现的一项新技术。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。

一、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。20铁谱仪是铁谱分析的关键设备，根据其工作方式的不同，铁谱仪可分为直读式铁谱仪、分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪。1．直读式铁谱仪(DRF－DirectReadingFerrograph)(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。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。21222324(2)性能特点①结构简单，价格便宜(约为分析式铁谱仪的1/4)；②制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷；③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；④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。252．分析式铁谱仪(AnalyticalFerrograph)(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。262728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。29(2)性能特点①提供的信息较丰富②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；③制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个小时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验室进行。303．旋转式铁谱仪前述的传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷：①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；②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。31旋转式铁谱仪(RPD－RotaryParticleDepositor)的结构如图所示，其工作原理为：(1)结构和工作原理32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。33343536(2)性能特点①RPD不需对油样进行稀释等特殊处理；②操作简便，不需专门技术；③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；④仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染；⑤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；37⑥分析油样的效率高；⑦制片成本低；⑧分析式铁谱仪的谱片只有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。384.在线式铁谱仪通过传感器电容的变化感知磨粒39二、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。铁谱技术要求采样时应遵循以下几条基本原则：①应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角、底部等处采样；②应尽量选择在机器运转时，或刚停机时采样；40③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(转速、载荷相同)下采样；④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。41

最后需提请注意的是，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，以及其他有关机器工作的信息等内容。

422．制谱铁谱分析的关键步骤之一稀释加热振荡注入清洗固化甩干433．观测与分析谱片制好后，接下来的任务就是对谱片进行观测与分析，包括定性分析与定量分析两方面的内容。在定性分析方面，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。在定量分析方面，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。

4.结论44

三、铁谱的定性分析对铁谱片进行定性分析的方法主要有铁谱显微镜法、扫描电镜法和加热分析法等三种。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如图5-14所示。4546(2)铁谱显微镜的光源及其运用①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。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。②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。白色透射光常用来判断氧化物磨屑是否有游离金属。47③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分进行判别。④偏振光观察利用偏振光观察磨屑，对于鉴别氧化物、塑料及其他各种固体污染物特别有效，而且简便、快捷。482．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)的扫描电镜还可以分析磨屑的成分。493．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。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。铁谱片中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。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。505152535455565758596061四、铁谱分析的定量指标

油样中磨粒的浓度和尺寸分布是反映磨损状况的两个定量信息。磨粒浓度是用铁谱片上磨粒的覆盖面积来表征的；在铁谱片上不同位置，磨粒覆盖面积值的变化即给出了磨粒的尺寸分布。铁谱显微镜的铁谱读数器用来完成这一测量。铁谱读数器是一个光密度计，它的光敏元件与显微镜的光路相连，数字显示部分直接显示出被测部位的磨粒覆盖面积百分数，称之为铁谱读数。62

在测取铁谱读数时，采用白色反射光照明，铁谱片被测部位的圆形视场通过物镜和摄影目镜聚焦在光敏元件上。铁谱读数实际上是测定光强衰减值。测定时反射光源电路内串联有稳压器，以避免光源强度波动所引起的测量误差。63测量铁谱读数的步骤如下：

(1)将被测部位的视场在显微镜下聚焦；

(2)移动工作台，将铁谱片大磨粒沉积的空白部位置于物镜下调零点(调到1)；

(3)将被测部位重新移到物镜下；

(4)缓慢移动工作台，在被测部位扫描，读出铁谱读数的最大值。64式中：D代表铁谱光密度值；I0为清

洁的玻璃基片的光亮度；Ip为沉积有磨粒的铁谱片的光亮度。65

由于光亮度与透光面积成正比，因此可以根据仪器上的光密度计读出光密度值D，从而得到此时谱片被观测处的磨屑覆盖面积。

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对于两点式监测铁谱仪，由于AL反映了大颗粒的数量，而AS则反映了小颗粒的数量，故有人直接用AL和AS，作为铁谱定量指标。还有人用AL(AL-AS)、(AL-AS)/AS作为定量指标。较为常用的定量指标是IS＝(AL+AS)(AL-AS)，称为磨损烈度，因为IS既反映了总的磨损浓度(AL+AS)，又表征了大颗粒与小颗粒的浓度差(AL-AS)。67KTP型旋转式铁谱仪的磨损烈度为。式中IS——磨损烈度；

AL——内圈磨屑覆盖面积；

AM——中圈磨屑覆盖面积；

AS——外圈磨屑覆盖面积。68

五、铁谱分析的特点1．铁谱技术的主要优点①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；②定性分析与定量分析相结合，提高了诊断结论的可靠性；③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，如早期的疲劳磨损、粘着、擦伤和腐蚀磨损等。692．铁谱技术的局限性(1)非实时监测(2)过分依赖人的经验(3)对采样要求较苛刻(4)对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳

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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。71六、铁谱技术的应用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8～30μm，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，证实齿面已严重磨损，说明了铁谱监测的有效性。72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4:1～10:1；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。732．液压系统的监测诊断图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。74第三节油样光谱分析技术

油样光谱分析的简单原理：原子受到外来能量的作用时，其核外电子就会吸收一定的能量从低能级跃迁到高能级的轨道上去，这时的原子称为激发态。激发态的原子是一种不稳定状态，其存在的时间很短，约为10－8s。原子由激发态返回基态的同时，将所吸收的能量以一定频率的电磁波形式辐射出去。75每种原子吸收或释放的能量ΔE与激发的光辐射或发射的电磁波辐射的波长λ之间有固定关系。这里λ又称为待征波长。76

若能用仪器检测出用特征波长射线激发原子后辐射强度的变化(由于一部分能量被吸收)，则可知道所对应元素的含量(浓度)。同理，用一定方法(如电弧冲击)将含数种金属元素的原子激发后，若能测得其发射的辐射线的待征波长时，就可以知道油样中所含元素的种类。前者称为原子吸收光谱分析法，后者称为原子发射光谱分析法。77

油样光谱分析，就是利用油样中所含金属元素原子的核外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。78

原子吸收光谱法所用的仪器称为原子吸收分光光度计，它由三部分所组成：元素灯又称为阴极射线管，其灯丝是由待检元素所制成。例如铜(Cu)元素灯工作时将发射持征波长为3247

的阴极射线。乙炔－空气灯的作用是其高温火焰将油样中各种金属磨粒变成原子蒸汽，即离子状态。检测显示系统包括单色器、光电管、放大器及数字显示屏幕。其作用是检测元素灯发射的射线经原子蒸汽吸收后辐射强度的变化。单色器相当于滤波器，它只能通过特定波长的射线，射线经光电管转变为电信号，再经放大后由显示屏读出。原子吸收光谱法的工作原理7980

设油样中待检元素为铜，则使用铜元素灯发出特征波长为3247和一定强度的电磁波射线，并穿过乙炔－空气灯的高温火焰。油样经雾化后吸入燃气火焰使所含的各种金属磨粒变成原子蒸汽，其中铜原子将会吸收一部分铜元素灯辐射线的能量而处于激发状态。元素灯辐射线的另一部分透过火焰后强度变弱并进入单色器，并由光电管转换为电信号，经放大处理后由显示屏显示油液中铜的浓度。81原子吸收光谱仪外形图火焰原子吸收光谱仪基本构成原子浓度入射光强透射光强82

原子吸收光谱法具有分析的精度很高，取样较少，适用范围较广的特点，其不足之处在于每测一种元素要换一种元素灯，比较麻烦；使用燃气火焰不方便也不安全，除检测元素含量和种类外，不能提供磨粒的形态尺寸等直观形象的信息。83原子发射光谱法的工作原理

油样中各种金属元素经炭极电弧激发而发射出各种特征波长的射线。经光学系统的聚焦、折射及光栅的分光后，将各种特征波长的辐射线投入到相应的光电倍增管并转变成电信号，再经数据处理系统后即可显示出金属的种类及含量，并可将结果打印出来。84一种原子发射光谱仪外形及原理85原子发射光谱法的持点是：

(1)其仪器设备的发展水平很高，具有很强的功能和自动化程度。采用模块式结构，并配有计算机存储及数据处理系统。其分析的油样不需要经过预处理。可同时分析21－24种元素。测量时间仅需40s左右，可直接读数或计算机打印结果。适合于有多种材质摩擦副的设备如内燃机等的群体监测。

(2)只能提供磨粒中金属的种类和含量而不能提供其形态、尺寸、颜色等直观形象。

(3)仪器价格昂贵，实验费用较高，故不便于推广应用。86其它光谱仪X荧光光谱仪可探测分析较大磨粒87红外光谱仪通过干涉获得光强输出的余弦波形式，再采用傅立叶变换技术获得红外光谱图88油液光谱分析的磨损界限与油液的来源密切相关，取决于合金成分的多少/设备类型/工作特点/初期缺陷等性质。需针对具体设备及工作条件的不同，经反复实验才能确定合适的磨损界限。参考表5-489光谱技术在设备故障诊断中的应用1，监测设备磨损趋势2，确定最佳磨合规范