设备故障诊断技术10 油液分析

1、机械设备故障诊断技术-油液分析技术，北京科技大学机械工程学院阳建宏2010.04，信号处理方法，油液分析，油液分析，油液分析的概要磨削屑的形态特征油液分析的常用方法应用分析，概要， 机械部件间的摩擦磨损产生磨损屑，该磨粒进入润滑油后，在使油质劣化的磨损阶段，测定该磨粒的大小、大小及其形态明显不同的磨粒的化学成分，有助于判别哪个部件受到了损伤，概要、机械部件的磨损发展过程和磨粒尺寸的关系： 概要分析研磨屑的大小和数量分析零件磨损到什么阶段金属化学成分分析这些零件受到磨损分析的研磨屑的形态分析零件的故障机理，概要分析润滑油中20种元素的来源，获得研磨屑的方法：光谱分析：研磨屑的有效尺寸范围为0.1

2、10m， 超过2m微粒检测效率大幅下降的铁光谱技术：有效地检测1m到100微米级的微粒磁塞技术：有效地检测100微米到毫米级的粒子，概况、油液分析、油液分析的概况磨屑的形态特征油液分析的常用方法应用分析、机械设备摩擦副表面之间有以下不同磨削屑的形态特征、运动形式、负荷类型、磨损机构、摩擦副材质、表面形态破坏形式、磨削屑的形态特征、正常磨损粒子机械在正常运转状态下因折动摩擦产生的磨粒，在摩擦副正常适应后，在其表面形成光滑的表层，被称为剪切混合层， 其厚度约1 m的剪切混合层在摩擦力的周期性的反复作用下因疲劳而剥离，形成正常的摩擦磨粒，这样的表层剥离而新，形成了动作稳定的磨损表面磨粒的特征：磨粒为

3、薄片状，具有光滑的表面，其长轴尺寸范围从0.515m开始， 而且，其厚度较小，在0.151 m之间，长轴尺寸和厚度之比约为3 :110 :1，磨削屑的形态特征是，疲劳磨损磨粒在副两面摩擦而相对运动，特别是在滚动时因交变接触应力而应力集中的区域产生材料疲劳。 由于产生机理的不同，疲劳剥离块表面光滑有麻点，主要是滑动、滚动复合磨损板状磨粒极薄，表面空隙、皱纹、裂纹等缺陷球状磨粒为球形，表面光滑，主要发生在滚动疲劳过程中，块状疲劳磨粒、磨屑的形态特征、磨粒硬质粒子和硬突起的切削作用引起的摩擦副表面材料的脱落现象。 研磨剂的磨损粒子形态与机器上产生的切屑几乎完全一致，但在显微镜水平下，高倍光学显微镜下

4、有微小的金属光泽。 异常磨损产生的磨粒一旦出现，就要仔细监视其数量，切屑磨损磨粒、切屑的形态特征、磨损磨粒的附着负荷和速度过高时，润滑油膜破裂，接触应力超过摩擦副表面材料的屈服强度，接触点变形到固相焊接为止。 由于剪应力，接触点在强度弱的地方被切断，摩擦副表面材料从一个表面转移到另一个表面。 黏着磨损分为重度：擦伤、划伤、咬伤。 磨粒的特征：表面粗糙，有滑动的条纹，很拉毛，轮廓不规则，有时呈现不同程度的回火色，还有两种材料固相焊接的现象。尺寸范围超过15 m的长轴尺寸和厚度之比约为6 :110 :1， 磨屑的形态特征是腐蚀磨损磨粒由于表面和腐蚀性介质的化学或电化学反应导致材料损失的机械摩擦破坏

5、了金属表面层的氧化膜的保护作用的腐蚀磨损同时重复机械摩擦和化学腐蚀的结果磨粒的特征：极细且极均匀的亚微米级的黄褐色粒子具有金属光泽大多数腐蚀磨损磨粒的粒度比光学显微镜的分辨率小时不显示强磁性的磨屑的形态特征，铁的氧化物粒子铁的氧化物红氧化物和黑氧化物红氧化物多晶体的粒度大，没有明显的边缘，在没有光泽的可见光和偏振光下呈现橙色或橙色，不显示磁。 黑色氧化物呈粗糙的岩状，颜色为棕色黑色，具有明显的强磁性。 油液分析、油液分析概述磨屑的形态特征油液分析的常用方法应用分析、油液分析的常用方法、油液分析的常用方法光谱、光谱分析原理、基态：任何元素的原子都由带正电荷的原子核和包围它的电子构成，各个电子在一

6、定的能级，具有一定的能量正常情况下，原子处于稳定状态，激发态：原子受到热、电弧冲击等作用时，吸收能量，外层电子向更高的能级转变，处于激发态。 由于原子不稳定，在极短的时间内回到基态，释放能量。 吸收光谱分析：吸收特征波长的光的强度确定化学元素，发光光谱分析：利用发光的特征光谱确定元素的种类，确定几种金属元素的原子吸收光谱波长，作为油液分析的常用方法，吸收光谱、波长、铅、硅、锡、镁铝、铜、钠、原子吸收光谱测定法是稀释采样的油液向火焰喷射，分解金属元素的原子，制成原子蒸汽。 如果点亮调整后的光源(由分析对象的元素构成)，则放射该元素的特征波长的光并通过火焰，放射出的光的一部分被对应的元素原子吸收，

7、其吸收量与油样品中的元素的浓度成比例。 油液分析的常用方法吸收光谱、原子吸收光谱测定法是，透过火焰的光，通过波长选择器分离其他波长的放射线，仅使被测定元素具有的特征波长的光通过。 另外，由光电倍增管和放大电路构成的光电检测器将光信号转换为电信号，并输入到读取装置。 油液分析的常用方法吸收光谱，根据光吸收规律(兰贝尔规律)，物质对光的吸收程度(吸光度)，在式中： a吸光度I0入射光强度It透射光强度K0吸收系数N0被测元素的原子数l吸收层厚度、吸光强度与元素浓度成比例，油液分析的常用方法吸收光谱，吸收光谱It，优点分析灵敏度高，精度高，不受周围环境影响的适用范围宽，采样量少。 缺点是测定元素必须

8、更换灯，很麻烦。 油液分析的常用方法吸收光谱、油液分析、油液分析的概要磨屑的形态特征油液分析的常用方法应用分析，原子发射光谱测定法(也称火花法)利用电能和热能激发原子，原子放射特征光谱时，通过分光系统含有各种金属元素油液分析的常用方法发射光谱、长处分析速度快，正确测定(误差在110-6以下)不需要稀释油液等预处理的缺陷发射分光器的检测灵敏度与微粒子的大小成反比价格高， 油液分析的常用方法发射光谱分析吸收光谱：基态激发态释放光谱：基态激发态可测量化学元素，但不能检测粒子的尺寸分布和形态，油液分析的常用方法光谱分析总结，油液分析、油液分析的概述磨削屑的形态特征油液分析的常用方法分析， 铁谱分析铁谱

9、分析技术(Ferrography )是1970年代在国际摩擦学领域出现的新技术，1100um的磨损粒子(一般金属零件表面磨损过程中产生的粒子范围)是磨粒的数量、粒度分布、形态和成分等多种信息， 大型粒子和含铁砂粒的应用范围比放射光谱更为敏感，从最初的发动机开始，广泛应用于液压系统、齿轮、轴承等零部件：冶金、矿山、机械、汽车、铁路、煤炭、化工、建筑等行业。 铁光谱分析-工作原理，使带有强磁性磨粒的润滑油流过高磁场强度的磁场，利用磁场力将强磁性磨粒从润滑油中分离，使其以磨粒大小在玻璃基板上沉淀，制成光谱片，用铁光谱显微镜和电子显微镜进行观察。 铁谱仪：从设备润滑油样品中有效分离磨削屑，制造铁谱片，

10、或完成磨削屑的定量分析。 铁谱显微镜：在铁谱片中进行定性观察、检查分析，顺链序列者是铁屑物质，随机的白块是非强磁性体，例如铜，铁谱分析-工作原理，顺链序列者是铁屑物质，随机的白块是非强磁性体，例如铜，铁谱分析-工作原理被测定对于润滑方式、摩擦副材料、维护履历的采样(尽量在不下降的状态下进行采样)采样部：的循环油路，滤波器前的非循环油路比罐的一半稍深，采样间隔：比机械的重要性、使用周期， 负载特性采样容器：尽可能用玻璃瓶采样规范3360进行采样，处理位置、时间、油样不被污染的油液：沉淀时间、稀释、加热、稳定的铁光谱片，用铁光谱显微镜进行观察分析，铁光谱分析-作业步骤， 用铁光谱显微镜对铁光谱片上

11、堆积粒子的形状、尺寸、形态进行分析，确立磨损状态类型和磨损粒子形态的相互关系，判别摩擦副的磨损状态，确定故障状况和磨损部位。 铁谱分析-定性分析、铁谱分析-定量分析，一种或使用一些参数值描述设备磨损特征和磨损状态的方法。 由于铁光谱分析技术的影响因素很多，至今没有统一的定量指标。 定量分析的理论依据：磨损粒子的最大尺寸与磨损方式有关，测定铁谱板大粒子的尺寸和在粒子总数中所占的比例，机械磨损方式和程度的磨损粒子总数与机械磨损率密切相关，机械磨损率的变化必然导致润滑油中磨损粉的生成和堆积的平衡浓度的变化常用的定量指标： Is=(DL DS)(DL-DS )中，Is称为磨损震度指数，反映总磨损浓度D

12、L DS，大粒和小粒的浓度差DL-DS，铁光谱分析-定量分析，铁光谱分析-优点，优点：高检测效率和宽磨屑尺寸的检测缺点：操作环节多，检查周期长，影响因素复杂，检查和诊断的正确性取决于操作者的经验和熟练度。 非强磁性磨损粒子的检测效果不好，这一界限影响着有色金属摩擦副的检测效果。油液分析、油液分析的概要磨屑的形态特征油液分析的常用方法应用分析、粒子计数分析、油液污染度评价是通过测量单位容积油液中污染物的数量来反映系统设备和部件污染物的严重性。 粒子计数按尺寸计算油液中的各种金属和非金属污染物粒子，表现油液中粒子的大小和分布情况。 粒子计数分析、传感器、粒子计数分析、传感器电磁型砂粒监视传感器，当

13、金属粒子通过传感器中央的线圈时，将产生磁场干扰的磁场变化的大小转换为电压值。 信号的振幅与强磁性粒子的质量成比例，与非强磁性粒子的表面积成比例。 非铁磁性粒子的信号相位与铁磁性粒子的相位相反。 当光电型磨粒监视传感器的油液通过传感器时，油液内的粒子在用光强度检测器检测出光强度的减少量之后，产生与粒子尺寸成比例的电压脉冲，脉冲宽度与磨粒的大小有关。 该脉冲变化为每1ml油液的粒子总数和尺寸值。 粒子计数分析，评价标准宏的整体表示法单位体积或单位重量的油液中含有的污染粒子的重量(单位为mg/l或mg/kl )或体积(单位为ml/k1 )微观的分散表示法单位体积在油液中的某尺寸间隔范围内的污染粒子数

14、。 现在普遍实行的ISO标准和美国NASA标准采用了分散表示法。 油液分析、油液分析的概述磨屑的形态特征油液分析的常用方法应用分析、应用例1、实例1油田天然气压缩机磨损故障的光谱分析大型天然气压缩机是油田采油的主要设备。 由于累计运行时间长，故障率高，所以使用光谱分析技术对设备进行状态监视。 在检查过程中，各设备的采样部位为曲轴箱内的润滑油，采样周期为15天，样品油号按时间顺序制作了采样编号。 表“第一号发动机光谱监控器”是压缩单元中的发动机油经过光谱分析得到的异常磨损数据。 应用例1、表1号发动机金属元素浓度分析(10-6 )，从编号10的油样品开始，Cu元素浓度逐渐上升，到编号12为止达到

15、了警告值，到编号13为止达到了严重的磨损范围。 Al、Si、Fe元素浓度也在某种程度上增大，显示发动机内部有严重的磨损。 应用例1，生产验证：大修理时，连杆小头的真？ 发现衬套严重磨损，活塞环和汽缸衬套也在某种程度上磨损。 修理油后，元素浓度值开始恢复正常。 理论意义：用光谱分析技术监视设备的运行状态，根据磨损粒子的成分和浓度的变化趋势，掌握设备的运行状态，确定更换润滑油的周期，实现可预测的维护，保证设备的正常运行。 应用例2、例2 :排气扇轴承故障预报上海宝山钢铁有限公司把油液监测作为该公司大型设备的状态监测和故障诊断的方法之一。 1999年2月23日，检测中心对炼油厂3烧结主排气扇油液分析，直读铁光谱分析数据有明显上升趋势。 分析铁光谱的光谱片中堆积了很多有色金属粒子，判断其是来自滑动轴承金属的合金，并发出了警告。 但是，此时同步进行的振动分析结果表明，各监视点的振动值在正常范围内。 应用例2、表2主排气扇润滑系磨粒浓度铁光谱分析结果，在3月23日再次进行油液分析，全面分析了包括系统油箱在内的共计5个样品点的油液。