第五章-机械故障诊断的油样分析技术(CUMT)

第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院5第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院6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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院8第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院9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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院12铁谱片第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院14第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院15(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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院16第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院17(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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院21第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院22第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院23第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院24(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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院26第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院27第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院28•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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院31旋转式铁谱仪(RPD－RotaryParticleDepositor)的结构如图所示，其工作原理为：(1)结构和工作原理第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院33第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院34第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院35第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院36(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；第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院37•⑥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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院384.在线式铁谱仪通过传感器电容的变化感知磨粒第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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；第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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.结论第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院45第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院46(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。第五章机械故障诊断的油样分析技术中国矿业大学机电学院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。第五章机械故