機械故障診斷油樣分析技術(shù)

1、第十八章 機械故障診斷的油樣分析技術(shù)18.1 油樣分析概述118.1.1 油樣分析的含義118.1.2 油樣分析的信息含量218.2 油樣鐵譜分析技術(shù)618.2.1 鐵譜分析與鐵譜儀618.2.2 鐵譜分析的一般程序1218.2.3 鐵譜的定性分析1318.2.4 鐵譜分析的定量指標(biāo)1918.2.5 鐵譜分析的特點1918.2.6 鐵譜技術(shù)的應(yīng)用2018.2.7 磨粒種類及特征2118.3 油樣光譜分析技術(shù)2118.3.1 油樣光譜分析的簡單原理2118.3.2 油樣光譜分析的特點2218.3.3 油樣光譜分析的磨損界限2418.4 磁塞2518.4.1 磁塞檢測的基本原理2518.4.2 磁

2、塞的構(gòu)造2618.4.3 安裝2718.4.4 磁性磨屑的識別2818.1 油樣分析概述 在機械設(shè)備中廣泛使用的液壓油和潤滑油，它們攜帶有大量的關(guān)于機械設(shè)備運行狀態(tài)的信息，特別是潤滑油，它所及的各摩擦副的磨損碎屑都將落入其中并隨之一起流動。通過對工作油液（脂）的合理采樣，并進行必要的分析處理后，就能取得關(guān)于該機械設(shè)備各摩擦副的磨損狀況：包括磨損部位、磨損機理以及磨損程度等方面的信息，從而對設(shè)備所處工況作出科學(xué)的判斷。油樣分析技術(shù)有如人體健康檢查中的血液化驗，已成為機械故障診斷的主要技術(shù)手段之一。 油樣分析的含義油樣分析技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，包括油品理化性能指標(biāo)化驗、以顆粒計數(shù)為代表的油

3、樣污染度評定、以及油樣鐵譜和光譜分析技術(shù)等。理論上講，這些有關(guān)油樣的分析測試都可用作機械設(shè)備故障診斷的信息來源，生產(chǎn)實踐中也確有這方面的應(yīng)用。但是，在機械故障診斷這個特定的技術(shù)領(lǐng)域中，油樣分析技術(shù)通常是指油樣的鐵譜分析技術(shù)和油樣光譜分析技術(shù)，有 時也包含磁塞技術(shù)。它們的共性是都可用作鐵磁性物質(zhì)顆粒(光譜分析不僅 限于鐵磁性物質(zhì))的收集和分析，但各有不同的尺寸敏感范圍，其中，光譜分析檢測磨屑的有效尺寸范圍為0.1m到8-10m，但對大于2m的微粒，其檢測 效率就大為降低；磁塞技術(shù)能有效地檢測出上百微米甚至毫米級的磨屑 ；鐵譜技術(shù)能有效地檢測從1m到上百微米量級的微粒。其中，檢測效率 e 可定義為

4、： 式中e1 傳輸效率，是指傳輸?shù)讲蓸狱c處的磨屑數(shù)量與磨損零件所產(chǎn)生的磨屑數(shù)量之比； e2 捕捉效率，是指被收集到的磨屑數(shù)量與傳輸?shù)讲蓸狱c處的磨屑數(shù)量之比； e3 指示效率，是指有指示效力的磨屑數(shù)量與被捕捉到的磨屑數(shù)量之比。 圖5-1清楚地表明了光譜技術(shù)、鐵譜技術(shù)以及磁塞這三種油樣分析技術(shù)對鐵磁性顆粒的敏感尺寸范圍分別為：10m、1100m、1001000m，同時，這三種油樣分析技術(shù)所提供的信息也不盡相同，因而各有其應(yīng)用場合。 油樣分析的信息含量1.信息來源 通過油樣分析，能取得如下幾方面的信息： (1) 磨屑的濃度和顆粒大小 反映了機器磨損的嚴重程度；(2) 磨屑的大小和形貌 反映了磨屑產(chǎn)生

5、的原因，即磨損發(fā)生的機理； (3) 磨屑的成分 反映了磨屑產(chǎn)生的部位，亦即零件磨損的部位。 將以上三方面的信息綜合起來，即可對零件摩擦副的工況作出比較合乎實際的判斷。 2.磨屑形貌的識別 大量的理論分析和實驗研究表明，不同的磨損發(fā)生機理，所產(chǎn)生的磨屑形貌是不同的，磨屑形貌的識別有助于我們針對不同的磨損機理采取不同的維修或預(yù)防措施，以下是幾種常見磨損機理的磨屑形貌：(1) 正常滑動磨損的磨屑:對鋼而言,通常是厚度小于1m的剪切混合層薄片在剝落后形成的尺寸為0.515m的不規(guī)則碎片,其典型形貌如圖 5-2 所示：(2) 磨料磨損的磨屑:是一個摩擦表面切入另一摩擦表面形成(二體磨料磨損)，也可能由潤

6、滑油中的雜質(zhì)、砂粒及較硬的磨屑切削較軟的摩擦表面形成(三體磨料磨損)，磨屑呈帶狀，通常寬25m，長約25100m，其典型形貌如圖5-3(a)、(b)、(c) 所示： (3) 滾動疲勞磨損的磨屑:由滾動疲勞后剝落形成,磨屑通常呈直徑為15m的球狀，有時也有厚12m、大小為2050m的片狀碎片，其典型形貌如圖5-4(a)、(b)、(c)：(4) 滾動疲勞加滑動疲勞磨損的磨屑:主要是指齒輪節(jié)圓上的材料疲勞剝落形成的不規(guī)則磨屑，通常寬厚比為41101；當(dāng)齒輪載荷過大、速度過高時，齒面上也會出現(xiàn)凹凸不平的麻點和坑，其典型形貌如圖5-5(a)、(b)、(c)所示:(5) 嚴重滑動磨損的磨屑:是在摩擦面的載

7、荷過大或速度過高的情況下，由于剪切混合層不穩(wěn)定形成的；磨屑尺寸在20m以上，厚度 2m 以上，經(jīng)常有銳利的直邊，其典型形貌如圖 5-6 所示:18.2 油樣鐵譜分析技術(shù)鐵譜分析技術(shù)(Ferrography)是70年代國際摩擦學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一項新技術(shù)，1970年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的W.W.Seifert 教授和?？怂共澹‵oxboro）公司的首先提出了鐵譜技術(shù)的原理，并研制成功了用于分離磨屑和進行觀察分析的儀器 鐵譜儀。此后，鐵譜技術(shù)迅速被許多國家的摩擦學(xué)工作者所接受，開始主要用作實驗室磨損機理研究的一種手段，接著發(fā)展成 為直接用于機械設(shè)備工況監(jiān)測診斷的工具。經(jīng)過各國學(xué)者和廣大工程技術(shù)

8、人員的共同努力，鐵譜技術(shù)的理論日臻完善，應(yīng)用范圍也日趨擴大，鐵譜技術(shù)已從最初的在發(fā)動機上的應(yīng)用擴展到液壓系統(tǒng)、齒輪蝸輪傳動箱、軸承等部件，并廣泛地應(yīng)用于冶金、礦山、機械、汽車、鐵路、船舶、煤炭、化工、建筑等行業(yè)， 在機械故障診斷的油樣分析方法中居主導(dǎo)地位。 鐵譜分析與鐵譜儀所謂鐵譜分析，就是利用鐵譜儀(Ferrograph)從潤滑油樣（脂）試樣中，分離和檢測出磨屑和碎屑，從而分析和判斷機器運動副表面的磨損類型、磨損程度和磨損部位的技術(shù)。鐵譜儀據(jù)其工作方式的不同，可分為直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀和旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀。近年來，又研究成功了在線式鐵譜儀 。此外，還有用于收集面粉研磨等場合的干粉中鐵磁性顆粒

9、的氣動式鐵譜儀。1.直讀式鐵譜儀（ DRF Direct Reading Ferrograph ）(1) 結(jié)構(gòu)和工作原理 直讀式鐵譜儀的結(jié)構(gòu)原理如圖5-7所示，由光伏探測器 (1、2)、磁鐵(3)、光導(dǎo)纖維(4)、白 熾燈光源(5)、接油杯(6)、放大電路(7)、數(shù)顯裝置(8)、壓塊(9)、沉積管(10)以及其他輔助 機構(gòu)等組成。直讀式鐵譜儀的工作原理 油樣在虹吸現(xiàn)象的作用下流入沉積管，在沉積管的下部有一高強度、高梯度磁場，油樣中的鐵磁性顆粒受重力、浮力以及磁力三者的綜合作用，在隨著油樣流過沉積管的過程中，將會在沉積管內(nèi)有規(guī)律地沉積下來，其沉積規(guī)律如圖5-8所示。 其中的大顆粒沉積在入口處，而

10、較小的顆粒則離入口處較遠。傳統(tǒng)的直讀式鐵譜儀在沉積管的入口處和離入口處5mm 的地方各裝有一個光伏探測器，分別作為大顆粒(D L)和小顆粒(D S)的光密度讀數(shù)監(jiān)測。光伏探測器的輸出電壓與其所受光強有關(guān)，而鐵磁性顆粒在沉積管中的沉積將會削弱來自光導(dǎo)纖維的光強。由于光導(dǎo)纖維的勻光作用，使得光伏探測器所接收到的光強改變量與鐵磁性顆粒的擋光面積成正比，在一定的條件下，擋光面積又與磨屑體積之間有某種較穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，即光伏探測器的輸出與磨屑體積有關(guān)，可表達為：  式中V - 磨屑體積；Uout - 光伏探測器的輸出電壓。這樣，通過光伏探測器輸出電壓的變化就能感知油樣中鐵磁性顆粒的體積。 (2

11、) 性能特點 與其他兩種類型的鐵譜儀相比，直讀式鐵譜儀具有如下的性能特點： 結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜(約為分析式鐵譜儀的 1/4)； 制譜與讀譜合二為一，分析過程簡便快捷； 目前的直讀式鐵譜儀讀數(shù)穩(wěn)定性、重復(fù)性較差，隨機因素干擾影響大； 只能提供關(guān)于磨屑體積的信息，不能提供關(guān)于磨屑形貌、磨屑來源的信息，因而信息量有限，常用作油樣的快速分析和初步診斷。2.分析式鐵譜儀 (Analytical Ferrograph) (1) 結(jié)構(gòu)和工作原理 分析式鐵譜儀一般是指包括制譜儀、光密度 讀數(shù)器以及雙色顯微鏡在內(nèi)的成套測試系統(tǒng)，其中制譜儀的結(jié)構(gòu)原理如圖5-9所示。磨屑在基片上的沉積規(guī)律 毛細膠管在壓輪的作用下，

12、在其前部形成負壓區(qū)，將油樣從試管中抽出，并流出至玻璃基片上。在玻璃基片的下面有一高強度、高梯度的磁鐵，油樣中 的鐵磁性顆粒隨油樣沿基片往下流的過程中，由于受重力、浮力以及磁力的綜合作用而有規(guī)律地沉積在基片上，由于磁力線與油液流動方向垂直，所以磨屑在基片上排列成與流動方向垂直的鏈狀譜，如圖5-10所示。當(dāng)試管中的油樣全部被抽出后，經(jīng)固化和清洗后再小心地將玻璃基片從制譜儀上取出，至此即完成了譜片的制作過程。制作好的譜片可拿到雙色顯微鏡或掃描電子顯微鏡(SEM)上進行形貌和成份的觀察，還可將光密度讀數(shù)器與雙色顯微鏡相聯(lián)，進行光密度測量，以判斷磨損程度。傳統(tǒng)的光密度測試方法是測離出口50mm和55mm

13、兩處的光密度讀數(shù)，分別作為小顆粒(A S)和大顆粒(A L)的讀數(shù)，并以A S和A L為基礎(chǔ)，對譜片進行各種定量計算。(2) 性能特點 與直讀式鐵譜儀相比，分析式鐵譜儀的性能特點如下： 提供的信息較豐富。分析式鐵譜儀不僅能提供關(guān)于磨損程度的信息，而且通過對磨屑形貌及其成份的觀察，還能提供關(guān)于磨損發(fā)生機理及發(fā)生部位的信息，也就是說，分析式鐵譜儀所提供的信息比直讀式鐵譜儀要豐富得多，常用作油樣的精密分析。 直讀式鐵譜儀只能進行一次測量，不能將沉積管從磁場中取出后再放上去重新讀數(shù)；而分析式鐵譜儀制成的譜片可 以保存起來，供以后觀察分析用； 制譜過程較慢，制作一個完整的譜片約需半個小時，且制譜時要求較

14、嚴格，故一般只能在實驗室進行。 3.旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀傳統(tǒng)分析式鐵譜儀存在兩個固有的缺陷： 蠕動泵輸送油樣時對磨屑的碾壓和拋光效應(yīng)，改變了磨屑的原始形貌，從而影響了對其形貌特征識別和磨損機理的研究； 由于沉積面積有限，先行沉積的磨屑對流道的堵塞，不僅造成了磨屑的堆積，而且還破壞了磨屑在譜片上的沉積規(guī)律，從而影響了鐵譜的定量分析。為了克服傳統(tǒng)分析式鐵譜儀的上述兩個主要的固有缺陷，人們研制出了旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀，使鐵譜分析技術(shù)又向前邁進了一大步 。 (1) 結(jié)構(gòu)和工作原理 旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀 (RPD Rotary particle Depositor ) 的結(jié)構(gòu)如圖5-11所示，其工作原理如下：驅(qū)動軸帶動永久磁鐵

15、和固定在其上方的圓形基片一起旋轉(zhuǎn)，待測油樣由輸入管流出至基片的中心后隨基片一起旋轉(zhuǎn)，油樣和非磁性雜質(zhì)由于離心力的作用而被 甩出基片經(jīng)排油管排出，這樣可消除非鐵磁性污染物對分析和測量的影響。整個旋轉(zhuǎn)部分罩在真空排出罩中，鐵磁性磨屑和附著鐵磁性物質(zhì)的磨屑被磁化后，同時受到重力、浮力以及磁力和離心力的綜合作用，而有規(guī)律地沉積在基片上。 旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀的磁場裝置原理如圖5-12所示，它由三塊同心圓環(huán)形磁鐵組成三個同心圓環(huán)形磁場，它們的的磁力線都沿徑向分布，這樣，磨屑在沉積過程中將排列成環(huán)狀譜線，其尺寸由內(nèi)到外逐漸減小，如圖5-13所示。英國斯旺西大學(xué)摩擦學(xué)中心研制的303型RPD的譜片中，內(nèi)圈磨屑尺寸為

16、11000m，中圈為150m，外圈為110m。分析式鐵譜中分析觀察的所有手段均可用于RPD中，此外，還可以用一種新型的顆粒定量儀(P·Q Particle Quantifier)對譜片進行快速準(zhǔn)確的定量分析。(2) 性能特點 RPD 除具有分析式鐵譜儀的全部優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點： RPD不需對油樣進行稀釋等特殊處理； 操作簡便，不需專門技術(shù)； 對不同粘度的潤滑油可選用不同的轉(zhuǎn)速，因而使用范圍更廣； 儀器附有清洗液系統(tǒng)，以最大限度地減小污染； 在整個操作過程中，不會使磨屑產(chǎn)生附加的機械變形，克服了分析式鐵譜儀在制譜中微量泵對磨屑的碾壓效應(yīng)； 分析油樣的效率高； 制片成本低； 分析式鐵

17、譜儀的譜片只有60mm長，在入口區(qū)的沉積面積內(nèi)，磨屑可能大量重疊，而RPD譜片上三道環(huán)沉積區(qū)面積大，磨屑能充分地彼此分離，避免重疊。 鐵譜分析的一般程序鐵譜分析由采樣、制譜、觀測與分析、結(jié)論四個基本環(huán)節(jié)組成。 1.采樣 一個合適的采樣方法是保證獲得正確分析結(jié)果的首要條件。由于鐵譜技術(shù)檢測的是從幾微米到上百微米甚至毫米級的磨損顆粒，這些磨屑極易受沉淀、破碎、以及過濾器等因素的影響，因此，鐵譜技術(shù)要求采樣時應(yīng)遵循以下幾條基本原則： 應(yīng)盡量選擇在機器過濾器前并避免從死角、底部等處采樣； 應(yīng)盡量選擇在機器運轉(zhuǎn)時，或剛停機時采樣； 應(yīng)始終在同一位置、同一條件下(如停機則應(yīng)在相同的時間后)和同一運轉(zhuǎn)狀態(tài)(

18、轉(zhuǎn)速、載荷相同)下采樣； 采樣周期應(yīng)根據(jù)機器摩擦副的特性、機器的使用情況以及用戶對故障早期預(yù)報準(zhǔn)確度的要求而定。一般而言，機器在新投入運行或剛經(jīng) 解體檢修，其采樣間隔應(yīng)短，通常應(yīng)隔幾小時采樣一次，以監(jiān)測分析整個磨合過程；機器進入正常運轉(zhuǎn)期，摩擦副的磨損狀態(tài)穩(wěn)定后，可適當(dāng)延長采樣間隔；此后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)磨損發(fā)展很快時，又應(yīng)縮短采樣時間間隔。 R.A.Collacott 推薦的采樣間隔為：飛機的噴氣式發(fā)動機和傳動系統(tǒng)為 10 ± 2 小時，往復(fù)式發(fā)動機為 25 ± 5 小時。注意：所采油樣必須要有完整的記錄，包括采樣日期、大修后的小時數(shù)、換油后的小時數(shù)和上一次采樣后的加油量，以及其它

19、有關(guān)機器工作的信息等內(nèi)容。 2.制譜 制譜也是鐵譜分析的關(guān)鍵步驟之一，對分析式鐵譜儀而言，既要注意提高制譜效率，更要注意提高制譜質(zhì)量，要選擇合適的稀釋比例和流量，使得制出的譜片鏈狀排列明顯，且光密度讀數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)。 3.觀測與分析 譜片制好后，需對譜片進行定性分析與定量分析。 定性分析：可用鐵譜顯微鏡對磨屑形貌進行觀測，也可用掃描電子顯微鏡(SEM)對磨屑進行更細微的觀察，前面給出的磨屑形貌圖 ( 圖 5-2 圖 5-6) 都是 SEM 照片； 定量分析：主要是進行光密度讀數(shù)，近來也有人開始研究用計算機對磨屑進行圖像處理。有關(guān)鐵譜片的定性定量分析，后面還將 進行較深入的討論 。 4.結(jié)論 根

20、據(jù)分析結(jié)果作出狀態(tài)監(jiān)測或故障診斷結(jié)論，為保證結(jié)論的可靠性，對于所監(jiān)測的機器的了解是十分重要的，對機器的結(jié)構(gòu)、材料、潤滑及運轉(zhuǎn)、保養(yǎng)、維修與失效歷史等均應(yīng)加以考慮。 鐵譜的定性分析目前，對鐵譜片進行定性分析的方法主要有：鐵譜顯微鏡法、掃描電鏡法、加熱分析法三種1.鐵譜片的雙色顯微鏡觀察與分析 （1）鐵譜顯微鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理鐵譜顯微鏡設(shè)有兩個獨立的光源L1和L2，光源L1為反射光源，透過紅色濾光片F(xiàn)1到達半透膜反光鏡M1，往下照射到譜片S上。光源L2為透射光，它通過綠色遮光片F(xiàn)2到達反光鏡M2，往上照射到譜片上。在它的光路中還裝有偏光裝置，反射光和透射光均可采用偏振光照明。 圖 5-14 鐵譜顯

21、微鏡的結(jié)構(gòu)原理圖（2）鐵譜顯微鏡的光源及其運用 白色反射光照明觀察：白色反射光用來觀測磨屑的形狀、顏色和大小。在白色反射光照射下，鋼、鐵和其它大多數(shù)游離金屬磨屑為白亮色；銅及銅合金呈黃色或黃褐色；軸承中廣泛使用的鉛錫合金極易被氧化，在低倍下呈黑色，高倍下可觀察到彩色氧化斑；有的鋼磨屑在形成過程中由于受到較重?zé)嵝?yīng)而出現(xiàn)回火色。白色反射光還用于鐵譜片的加熱分析，以判斷各種磨屑的成分。白色透射光照明觀察：無論磨屑是透明、半透明還是不透明的，都能用白色透射光 進行觀察與分析。由于游離金屬磨屑對白色透射光的消光率極大，亞微米級厚度的磨屑也不透光，故呈黑色。其它大多數(shù)成分和化合物顆粒都是透明或半透明的，

22、顯示的色調(diào)可以作為材料性質(zhì)的特征，如Fe2O3磨屑呈紅色，因為它允許紅光透過數(shù)微米厚度。白色透射光常用來判斷氧化物磨屑是否有游離金屬。 雙色照明觀察：雙色照明用于單獨用反射光或透射光難以對磨屑進行判別的場合，紅色光線由譜片表面反射至目鏡，而綠色光線由下方透射穿過譜片到達目鏡，利用這兩種光源便可對磨屑成份進行判別。金屬有吸收和反射光波的自由電子，因而譜片上的金屬磨屑便吸收綠光而反射紅光，呈紅色；氧化物和化合物由于是透明或半透明的，能透射綠光而呈綠色。如果化合物厚度達幾個微米，則部分吸收綠色或反射紅光而呈黃色到粉紅色。通過對磨屑顏色的觀察，便可初步判定磨屑的種類及其來源。 偏振光觀察：利用偏振光觀

23、察磨屑，對于鑒別氧化物、塑料及其它各種固 體污染物特別有效，而且簡便、快捷。使起偏片和檢偏片處于正交位置，用白色反射光或白色透射光照明時，背景光被吸收，視場呈暗黑色。在此方式下，金屬磨屑、體心立方晶系的非金屬晶粒及許多非晶物質(zhì)因無旋光效應(yīng)而呈黑色。其它所有晶系的非金屬晶粒及多晶團粒、塑料和生物材料 等，在光學(xué)上均為各向異性，有較強的旋光效應(yīng)，在正交偏振光的照射下，這些物質(zhì)的顆粒是可見的。當(dāng)轉(zhuǎn)動起偏片或檢偏片而改變偏振光的振動方向時，會引起這類顆粒的光強的變化，有助于對它們的鑒別。2 鐵譜片的掃描電鏡觀察與分析 利用掃描電鏡（SEM）不僅可以更細微地觀察磨屑的形貌，而且，用配有X射線能譜（EDX

24、）的掃描電鏡還可以分析磨屑的成分。但因SEM不能顯示磨屑的光學(xué)特性，而且分析程序比較復(fù)雜，所以只有在用鐵譜顯微鏡對譜片進行觀察分析后，才做必要的SEM觀察分析。鐵譜片的 SEM 觀察分析程序如下： (1) 先用光學(xué)顯微鏡觀察鐵譜片，找出需用SEM分析的磨屑，并用適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)拍照； (2) 用劃線刀在鐵譜片的上表面輕輕劃線，將要進行SEM分析的部分分割成能放入SEM樣品室的小片； (3) 用掃描電鏡配帶的鍍膜裝置將鐵譜片鍍膜，以使磨屑和基片成為導(dǎo)電體。一般情況下建議鍍金，因為金對磨屑成分可 能造成的干擾小。對于X射線分析，則推薦鍍碳，因為碳具有低的原子序數(shù)6，不會對X射線能譜造成影響，而金或其

25、它原子序數(shù)更高的元素可能有能量峰值，從而與被分析的微粒中存在的元素相混淆。此外，如果希望在完成掃描電鏡分析后再進行鐵譜顯微鏡觀察，則也可嘗試鍍碳； (4) 在SEM上對制備好的鐵譜片進行觀察分析。先選定與鐵譜顯微鏡大致相同的放大倍數(shù)，以便較快地找到磨屑，然后再用所需的放大倍數(shù)觀察。因為多數(shù)磨屑的厚度都小于3mm，所以應(yīng)用盡可能低的電子束進行X 射線能譜分析，以避免接收到從玻璃基片發(fā)出的X射線，造成對成分分析的干擾。需要提請注意的是，準(zhǔn)備進行SEM分析的鐵譜片，應(yīng)徹底清洗油漬，否則，殘存的油漬在真空樣品室揮發(fā)將對SEM系統(tǒng)造成污染。3.鐵譜片的加熱分析法 有關(guān)磨屑成分的重要信息可以通過觀察磨屑在

26、加熱鐵譜片的過程中的變化來獲得。鐵系金屬磨屑可以按加熱時的回火色加以區(qū)分。當(dāng)鐵受熱在空氣中氧化時，開始在表面生成一層極薄的立方晶格的，它增長到一定厚度以后就會出現(xiàn)一定量的。當(dāng)加熱溫度高于200以后，表面氧化膜的進一步生長機理是電子穿透氧化膜和離子擴散通過氧化膜，而不是界面的氧化反應(yīng)。這種機理形成的氧化膜，無論厚度還是光學(xué)特性都是均勻的 。鐵系金屬的氧化膜增長速度受自身合金元素含量的控制，不同的鋼種和合金的抗氧化能力不同，因此加熱時生成的氧化膜厚度不同。在白光照射下，一部分光從空氣 / 氧化膜界面反射，另一部分光從氧化膜 / 金屬界面反射，兩束從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、產(chǎn)生的顏色不同，隨著氧化膜由薄到厚，回火色的變化規(guī)律大致為：亮棕色 草黃色 烤藍色 淡藍色 灰白色（失去金屬光澤），這就是利用回火色對磨屑成分進行鑒別的依據(jù)，如表5-1所示。 潤滑油中還經(jīng)常含有銅、鉛-錫合金等有色金屬磨屑以及鋁、鉻、銀、鈦、鎘、鎂、鉬、鋅等白色金屬的磨屑。其中銅因具有特定的紅黃色而易被識別，鉛-錫合金因其熔點低、易氧化和腐蝕，表面總有一層氧化膜，在白光照射下呈黑色。對各種白色金屬磨屑可以利用鐵譜片加熱法配合以酸堿浸蝕法加以鑒別。鐵譜片上存在的有機化合物和無機化合物也可用加熱分析法予以區(qū)分。它們在加熱前在偏振光下觀察有 相同的表現(xiàn)，加熱后，有機化合物根據(jù)其構(gòu)成的不同會炭化、萎縮

28、或蒸發(fā)（汽化），加熱到 540 時 會加重這種反應(yīng)。因此，加熱后觀察，有機化合物的亮度大為減弱；而無機化合物因具有很強的化學(xué) 穩(wěn)定性而幾乎不受加熱的影響。各種磨屑在鐵譜片上的沉積特性及其形成機理如表 5-2 所示。 美國Foxboro公司的 Dianel.P.Anderson 編著的磨粒圖譜( Wear Particle Atlas )和英國國家煤炭局科技發(fā)展總部(HQTD)編撰的類似的資料，都是大量實驗研究成果的總結(jié)，對鐵譜技術(shù)的定性分析研究起了很好的指導(dǎo)作用，目前國內(nèi)幾乎還都是基于上述兩本圖譜進行鐵譜定性分析的。 鐵譜分析的定量指標(biāo)定量分析是鐵譜分析技術(shù)的一個重要方面。但至今尚沒有一個統(tǒng)一

29、的定量指標(biāo)。由于DL反映了大顆粒的數(shù)量，而DS則反映了小顆粒的數(shù)量，故有人直接用DL和DS作為鐵譜定量指標(biāo)，還有人用DL(DL Ds)、(DL Ds)Ds作為定量指標(biāo)。 較為常用的定量指標(biāo)是 Is (DLDs)(DLDs)，稱為磨損烈度，因為IS既反映在了總的磨損濃度(DLDS)，又表征了大顆粒與小顆粒的濃度差 (DL DS)。 鐵譜分析的特點 （1）鐵譜技術(shù)的主要優(yōu)點 具有較高的檢測效率和較寬的磨屑尺寸檢測范圍，可同時給出磨損機理、磨損部位以及磨損程度等方面的信息； 定性分析與定量分析相結(jié)合，提高了診斷結(jié)論的可靠性； 可對磨損故障作出早期診斷，能準(zhǔn)確地檢測出系統(tǒng)中一些不正常磨損的輕微征兆，如

30、早期的疲勞磨損、粘著、擦傷和腐蝕磨損等。（2）鐵譜技術(shù)的局限性非實時監(jiān)測：監(jiān)測周期較長，使其對發(fā)展很快的突發(fā)性故障不能進行有效的監(jiān)測，對某些要求高可靠性運轉(zhuǎn)的機器，如航空發(fā)動機的監(jiān)測，鐵譜技術(shù)也存在明顯的不足；過份依賴人的經(jīng)驗：鐵譜技術(shù)操作環(huán)節(jié)較多，影響因素較為復(fù)雜，采樣、制譜、觀測與分析、及結(jié)論，四個環(huán)節(jié)中的每一步成敗都取決于操作人員的經(jīng)驗與熟練程度，對處于同一狀態(tài)的設(shè)備，不同的操作人員，可能得出完全不同的診斷結(jié)論。對采樣要求較苛刻：鐵譜分析的成功與否，首先取決于能否從潤滑系統(tǒng)中取到有代表性的油樣，它檢測的是幾微米至幾百微米的顆粒，而且顆粒越大，其攜帶的信息也越重要。但是，這些大顆粒生成后會

31、很快沉淀，過濾器優(yōu)先濾掉的也是大顆粒；此外，大顆粒對潤滑油流速、管壁等影響也較大。因此，取到一個有代表性的、適于鐵譜分析要求的油樣，有時需經(jīng)過多次試驗比較才能確定 ；對非鐵磁性磨損顆粒的檢測效果欠佳：對于非鐵磁性的有色金屬合金磨損顆粒，應(yīng)用鐵譜分析方法存在兩個困難： 首先是因為有色合金顆粒一般硬度較低，在很多異常磨損 情況下，所生成的顆粒尺寸往往達到毫米級，這些顆粒極 易沉積，采樣時就難以取到；其次是，鐵譜方法對油樣中非鐵磁性顆粒的沉積效率也較低，且難以準(zhǔn)確定量。在復(fù)雜的摩擦系統(tǒng)中，諸如銅、鋁和巴氏合金等材質(zhì)摩擦副大量存在，對其監(jiān)測同樣十分重要。鐵譜技術(shù)的這一局限性影響了其對有色合 金摩擦副的

32、監(jiān)測效果。 鐵譜技術(shù)的應(yīng)用 摩擦磨損機理的研究、潤滑劑性能的評價和選用、新型機器及部件的摩擦學(xué)設(shè)計、機械設(shè)備運行狀況的診斷監(jiān)測、鐵譜技術(shù)的應(yīng)用都是基于其對磨屑形貌、大小、成分、數(shù)量等的檢測識別，有關(guān)這方面的應(yīng)用實例不勝枚舉，下面是兩個實例：（1） 齒輪磨損的監(jiān)測診斷鐵譜技術(shù)是監(jiān)測診斷齒輪磨損的有效工具。某化學(xué)公司在處理齒輪箱的油樣時，在雙色照明觀察譜片的入口處，發(fā)現(xiàn)有大量的反射紅色的微粒。多數(shù)微粒的大小為8-30m，呈薄片狀，表面沒有氧化或擦傷。掃描電鏡觀察，磨屑表面十分光滑，經(jīng)測試，其表面積與厚度之比約為10：1，這與齒面疲勞磨損的微粒特征相符，說明該齒輪已發(fā)生了不正常磨損。開箱檢查，發(fā)現(xiàn)齒

33、面已嚴重磨損，由此說明了鐵譜監(jiān)測的有效性。（2） 液壓系統(tǒng)的監(jiān)測診斷鐵譜技術(shù)也是監(jiān)測診斷液壓系統(tǒng)的有效工具。1978年，美國俄克拉荷馬(OKLAHOMA)州立大學(xué)開始進行應(yīng)用鐵譜技術(shù)監(jiān)測診斷液壓系統(tǒng)的研究，他們通過對6臺液壓系統(tǒng)裝置長達4年的實驗研究，證明了鐵譜技術(shù)的有效性。研究結(jié)果表明，將鐵譜技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)，能早期發(fā)現(xiàn)可能引起嚴重故障的隱患，提高系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)可靠性。圖5-15所示是一臺W613型鏟車液壓系統(tǒng)從正常磨損至失效的光密度讀數(shù)變化曲線。由圖可以看出，在1000h以后，IS值和DL +DS值都急劇增加，說明系統(tǒng)已處于劇烈磨損階段。從1408h起，系統(tǒng)已處于破壞性磨損工況，油樣中發(fā)現(xiàn)幾

34、個尺寸在100-175m的大磨屑，這標(biāo)志著系統(tǒng)即將損壞，必需及時進行維修。 磨粒種類及特征18.3 油樣光譜分析技術(shù) 光譜原理：任何元素的原子，都是由帶正電荷的原子核和圍繞其運轉(zhuǎn)的電子組成。正常情況下，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)即基態(tài)，若基態(tài)吸收了一定外來能量，則外層電子躍遷到更高的能量級，原子處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，短時內(nèi)會發(fā)射出能量而躍遷 到基態(tài)。原子發(fā)射或吸收的能量，以光的形式存在，具有特定的波長。由于原子結(jié)構(gòu)不同，每種元素都有其特征譜線。根據(jù)元素的特征譜線可以對元素進行定性分析；根據(jù)特征譜線強度的變化可對元素進行定量分析。依靠測定原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時發(fā)出的特征譜線以確定

35、元素種類的分析為發(fā)射光譜分析，依靠測定原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時吸收特征波長光的強度以確定元素濃度的分析為吸收光譜分析 。 油樣光譜分析的簡單原理油樣光譜分析，就是利用油樣中所含金屬元素原子的光學(xué)電子在原子內(nèi)能級間躍遷產(chǎn)生的特征譜線來檢測該種元素的存在與否，而特征譜線的強度則與該種金屬元素的含量多少有關(guān)，這樣，通過光譜分析，就能檢測出油樣中所含金屬元素的種類及其濃度，以此推斷產(chǎn)生這些元素的磨損發(fā)生部位及其嚴重程度，并依此對相應(yīng)零部件的工況作出判斷。 油樣光譜分析的特點油樣光譜分析包括：原子吸收光譜分析和原子發(fā)射光譜分析。原子光譜分析法的優(yōu)點為： 檢出限低，靈敏度高。火焰原子吸收法的檢出限可達10

36、9 級，石墨爐原子吸收法的檢出限可達10101014g，各種原子光譜分析法的檢出限如表5-3所示； 準(zhǔn)確度高?；鹧嬖游辗y定中等和高含量元素的相對標(biāo)準(zhǔn)差可達1%，石墨爐原子吸收法的準(zhǔn)確度一般約為3% 5% ； 分析速度快。用 PE5000 型自動原子吸收光譜儀在35分鐘內(nèi)能連續(xù)地測定50個試樣中的6種元素； 試樣用量小。無火焰原子吸收光譜法分析僅需試樣溶液 5100 L 或 5 100 mg； 應(yīng)用范圍廣?？蓽y定的元素達70多種，不僅可以測定金屬元素，也可以用間接原子吸收法測定非金屬和有機化合 物； 儀器操作較簡便。 原子光譜法的不足之處在于：多元素同時測定尚有困難，只有原子發(fā)射光譜可同時

37、進行多元素測定； 有相當(dāng)一些元素的測定靈敏度還不能令人滿意； 對復(fù)雜試樣，干擾還比較嚴重。 光譜分析用于機械設(shè)備的故障診斷與工況監(jiān)測，還有下列不足之處： 光譜分析只能提供關(guān)于元素及其含量的信息，而不能提供關(guān)于磨屑形貌的信息。據(jù)油樣光譜分析的結(jié)果直接對摩擦副的狀態(tài)作出判斷有很大的困難； 只能用以分析含量較低且顆粒尺寸很小(10m)的磨屑，而異常磨損狀態(tài)下所產(chǎn)生的磨屑粒度一般較大，故一般只能用于故障的早期 監(jiān)測與預(yù)防； 光譜分析的成本高，光譜儀約為50萬人民幣，為分析式鐵譜儀的十幾倍； 光譜儀對工作環(huán)境要求苛刻，只能在專門建造的實驗室內(nèi)工作。 油樣光譜分析的磨損界限光譜分析的磨損界限因油樣來源的不同