设备故障诊断技术10 油液分析

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2010.042信号处理方法FFT分析小波分析形态学分析非线性时间序列分析-30-20-100102030010203040501001500102030403油液分析润滑油/液压油磨屑形貌/大小/数量/化学成分设备状态4油液分析油液分析的概述磨屑的形貌特征油液分析的常用方法应用分析5概述油液分析适用于不便于振动监测的设备，尤其是低速回转机械及往复机械液压油和润滑油广泛应用于机械设备，机器运行时，在油液中携带大量设备运行状态的信息。机械零件间摩擦磨损产生磨屑，其磨粒进入润滑油后，使油质劣化不同磨损阶段其磨屑颗粒的大小、多少以及其形貌都有明显的不同磨屑的化学成分的测定，有助于判别什么零件受到损伤6概述机器零件磨损发展过程与磨粒尺寸的关系：7概述分析磨屑大小及数量情况—分析零件磨损到什么阶段辨识磨屑的金属化学成分—分析那些零件受到磨损分析磨屑形貌—分析零件的故障机理8概述润滑油中20中元素的来源9获取磨屑的方法：光谱分析：磨屑的有效尺寸范围为0.1～10µm,对大于2µm的微粒，检测效率大为降低铁谱技术：有效的检测从1µm到上百微米量级的微粒磁塞技术：有效的检测上百微米甚至毫米级的颗粒概述10油液分析油液分析的概述磨屑的形貌特征油液分析的常用方法应用分析正常磨损颗粒粘着磨损颗粒腐蚀磨损颗粒疲劳磨损颗粒磨料磨损颗粒铁的氧化物颗粒11由于机械设备摩擦副两表面间存在以下不同的因素使得设备的磨损类型也不相同，从而磨损所产生的磨损颗粒也各不相同，都有不同的形貌特征。磨屑的形貌特征运动形式载荷类型磨损机理摩擦副材质表面形貌破坏形式12磨屑的形貌特征正常磨损颗粒机器在正常运转状态下由于滑动摩擦所产生的磨粒当摩擦副正常磨合时，其表面会形成一层光滑表层，称为剪切混合层，其厚度约为1μm剪切混合层在摩擦力的周期性反复作用下会因疲劳而产生小片剥落，形成正常的摩擦磨粒这个表层不断剥落又不断新生，形成了一个动的稳定的磨损表面磨粒的特点:▲磨粒呈薄片状，具有光滑的表面；▲其长轴尺寸范围从0.5～15μm，甚至更小；▲其厚度在0.15～1μm之间；▲长轴尺寸与厚度之比大约为3：1～10：1光滑表层剥落再生光滑表层剥落13磨屑的形貌特征疲劳磨损磨粒摩擦副两表面作相对运动，特别是滚动时，在交变接触应力的作用下，应力集中的区域会发生材料疲劳。由于产生机理不同，分为以下三种类型：疲劳剥块－－表面光滑有麻点，主要产生于滑滚复合磨损片状磨粒－－极薄，表面有孔洞、折皱、裂纹等缺陷球状磨粒－－球形，表面光滑，主要产生于滚动疲劳过程块状疲劳磨损磨粒14磨屑的形貌特征磨料磨损颗粒也称为切削磨损：由于硬质颗粒或硬凸起的切削作用而造成的摩擦副表面材料脱落的现象。磨料磨损颗粒的形态与机加工产生的切屑几乎完全一致，只是处于显微数量级，在高倍光学显微镜下有轻微金属光泽。非正常磨损所产生的磨粒，一旦出现就应该对其数量作仔细监测切屑磨损磨粒15磨屑的形貌特征粘着磨损磨粒负载或速度过高时，润滑油膜破裂，接触应力超过摩擦副表面材料的屈服强度，接触点发生形变直至固相焊合。在切应力作用下，接触点沿强度较弱处断开，摩擦副表面材料从一个表面转移到另一个表面。粘着磨损按严重程度可分为：擦伤、划伤和咬死。磨粒的特点:▲表面粗糙，可以看到滑动的条纹、严重拉毛、轮廓不规则▲有时呈现出不同程度的回火色，甚至会出现两种材料固相焊合现象。▲尺寸范围大于15μm▲长轴尺寸与厚度之比大约为6：1～10：116磨屑的形貌特征腐蚀磨损磨粒因表面与腐蚀性介质发生化学或电化学反应造成材料损失机械摩擦破坏了金属表面层氧化膜的保护作用腐蚀磨损是机械摩擦和化学腐蚀同时反复交替作用的结果磨粒的特点:▲极细和极均匀的亚微米级黄褐色颗粒▲没有金属光泽▲大多数腐蚀磨损磨粒的粒度小于光学显微镜分辨率▲不显示任何铁磁性17磨屑的形貌特征铁的氧化物颗粒铁的氧化物分为红色氧化物和黑色氧化物红色氧化物－－多晶体团粒的粒度较大，无清晰边缘，无光泽；在可见光和偏振光下均呈橙黄或桔红色，不表现磁性。黑色氧化物－－粗糙不平的岩石状，颜色为棕黑色，有明显的铁磁性。18油液分析油液分析的概述磨屑的形貌特征油液分析的常用方法应用分析正常磨损颗粒粘着磨损颗粒腐蚀磨损颗粒疲劳磨损颗粒磨料磨损颗粒铁的氧化物颗粒光谱分析铁谱分析颗粒计数分析19油液分析的常用方法机械设备油样数据分析铁谱分析理化分析光谱分析颗粒计数分析油液的黏度、酸度、碱度、水分、闪点等Fe、Al、Ni等元素成分直读铁谱分析铁谱大磨粒和小磨粒读数磨粒轮廓形状、边缘细节、长厚比等颗粒数量、质量、浓度信息融合故障诊断20油液分析的常用方法---光谱光谱分析原理基态：任何元素的原子都是由带正电荷的原子核和围绕着它运动的电子组成，每个电子处在一定的能级上，具有一定的能量。在正常情况下，原子处于稳定状态激发态：当原子收到热、电弧冲击等作用时，会吸收能量，外层电子会跃迁到更高的能级上，处于激发态。由于原子不稳定，在极短时间内，便又返回到基态，并发射出能量。基态激发态原子吸收能量原子发射能量E1E2吸收光谱分析：吸收特征波长光的强度来确定化学元素发射光谱分析：发出的特征谱线来确定元素种类21几种金属元素产生的原子吸收光谱波长元素和化学符号铜（Cu）铁（Fe）铬（Cr）镍（Ni）铅（Pb）锡（Sn）波长/Å324732703579341528332354元素和化学符号钠（Na）铝（Al）硅（Si）镁（Mg）银（Ag）波长/Å58903092251628523281油液分析的常用方法---吸收光谱波长铅硅锡镁铝铜钠22原子吸收光谱测定法将被抽样的油液进行稀释，然后喷射到火焰上，使金属元素的原子裂化，变为原子蒸汽。将一个已调整好的光源(由所要分析的元素制成)，当它点亮时，就发出该元素特征波长的光，使它的射线穿过火焰，射线中的一部分光被相应的元素原子所吸收，其吸收量正比于油样中该元素的浓度。油液分析的常用方法---吸收光谱23原子吸收光谱测定法透过火焰后的光线，经过波长选择器将其他波长的发射线分离掉，而只让被测元素所具有的特征波长光线通过.然后由光电倍增管和放大电路组成的光电探测器，把光信号转变为电信号，输入读出装置。油液分析的常用方法---吸收光谱24根据光吸收定律（朗伯－比尔定律），物质对光的吸收程度（吸光度）可表示为：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和元素浓度成正比油液分析的常用方法---吸收光谱I0It25优点√分析灵敏度高，精确度高；√不受周围环境干扰；√适用范围广，取样量少。缺点√测一个元素就要换一个灯，比较麻烦。油液分析的常用方法---吸收光谱26油液分析油液分析的概述磨屑的形貌特征油液分析的常用方法应用分析光谱分析铁谱分析颗粒计数分析吸收光谱分析发射光谱分析27原子发射光谱测定法（又称电火花法）利用电能或热能激发原子，当原子辐射出特征光谱时，经过分光系统直接测得各种金属元素的含量。油液分析的常用方法---发射光谱28优点√分析速度快，测量准确（误差在1×10-6以下）√不需要对油液进行稀释等预处理缺点√发射光谱仪检测的敏感性与微粒的大小尺寸成反比√价格昂贵油液分析的常用方法---发射光谱29光谱分析①吸收光谱：基态→激发态②发射光谱：基态←激发态√能测定化学元素√但不能检测到微粒的尺寸分布和形态油液分析的常用方法---光谱分析小结30油液分析油液分析的概述磨屑的形貌特征油液分析的常用方法应用分析光谱分析铁谱分析颗粒计数分析31铁谱分析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能探测到1~100um的磨损颗粒(一般金属零件表面在磨损过程中产生的颗粒范围)可以提供磨粒的数量、粒度分布、形态和成分等多各信息对较大尺寸的颗粒及含有铁的磨粒比发射光谱更敏感应用范围从最初的发动机扩展到液压系统、齿轮蜗轮传动箱、轴承等零部件应用非常广泛：冶金、矿山、机械、汽车、铁路、煤炭、化工、建筑等各个行业。32铁谱分析----工作原理将带有铁磁性磨屑的润滑油流过一高磁场强度的磁场，利用磁场力使铁磁性磨屑从润滑油中分离出来，且按磨屑颗粒大小沉淀在玻璃基片上制成谱片，采用铁谱显微镜和电子显微镜观察。铁谱仪：从设备润滑油样中有效分离出磨屑制备铁谱片或完成磨屑的定量分析铁谱显微镜：进行铁谱片上的定性观察、检测分析33顺链排列者为铁屑物质，随机的白块为非铁磁物，如铜铁谱分析----工作原理34顺链排列者为铁屑物质，随机的白块为非铁磁物，如铜铁谱分析----工作原理35详细了解被测设备的情况：结构、润滑方式、摩擦副材料、维修历史取样（尽量在不停机状态下取样）①取样部位:循环油路→宜在过滤器之前非循环油路→稍大于油箱一半深处②取样间隔:根据机器的重要性、使用周期、负载特性③取样容器:尽量用玻璃瓶④取样规范:固定采样位置、时间、油样不受污染油液处理：沉淀一段时间，稀释，加热，摇匀制铁谱片，用铁谱显微镜观察分析铁谱分析----工作程序36使用铁谱显微镜对铁谱片上的沉积颗粒进行形状、尺寸大小、形貌的分析，建立磨损状态类型与磨损颗粒形态的相互关系，判别摩擦副的磨损状态，以确定故障情况和磨损部位。铁谱分析----定性分析37铁谱分析----定量分析用一个或几个参数值来描述设备磨损特征和磨损状态的方法。由于铁谱分析技术影响因素较多，至今尚无统一的定量指标。定量分析的理论依据：磨损颗粒的最大尺寸与磨损方式有关，如果测量出铁谱片上大颗粒的尺寸以及它们在颗粒总数中所占的比例，就可以推断出机器的磨损方式和程度磨屑颗粒总数与机械的磨损率密切相关，机械磨损率的改变，必然导致润滑油中磨屑生成和沉积的平衡浓度改变。38较为常用的定量指标：Is=(DL+DS)(DL-DS)其中，Is称为磨损烈度指数，既反映了总的磨损浓度DL+DS，又表征了大颗粒与小颗粒的浓度差DL-DS铁谱分析----定量分析39铁谱分析----优缺点优点：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。缺点：操作环节较多，检测周期较长，影响因素复杂，检测与诊断的正确性取决于操作人员的经验与熟练程度。对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳，这一局限影响了其对有色金属摩擦副的检测效果。40油液分析油液分析的概述磨屑的形貌特征油液分析的常用方法应用分析光谱分析铁谱分析颗粒计数分析41颗粒计数分析油液污染度评定是测定单位容积油液中污染物的数量，以此来反映系统设备、或零件所受污染物的严重程度。颗粒计数是对油液中的各种金属和非金属污染物颗粒按尺寸分组计数，表征油液中颗粒的大小与分布情况。802.111.调理2.A/D1.显示2.报警3.报表采集模块终端传输方式1.无线2.有线油液监测分支油液循环分支RS232/4850t)(tx电压信号油液转接头传感器废弃油流量控制器42颗粒计数分析传感器43颗粒计数分析传感器电磁型磨粒监测传感器•当金属颗粒通过传感器中部的线圈时，会产生磁场扰动•磁场变化的幅值被转换为电压值。•信号的幅值与铁磁性颗粒的质量成正比例，而与非铁磁性颗粒的表面积成正比。非铁磁性颗粒的信号的相位与铁磁性颗粒的相位相反。光电型磨粒监测传感器•油液通过传感器时，油液内的颗粒将一部分激光束遮住•光强检测器检测出光强的减少量后，发出一个与颗粒尺寸成比例的电压脉冲，脉冲的宽度与磨粒的大小有关。此脉冲再转变成为每毫升油液内颗粒总数和尺寸值。44颗粒计数分析评定标准宏观的总体表示法•单位体积或单位重量的油液中包含的污染颗粒的重量(单位为mg/l或mg/kl)或体积(单位为ml/k1)微观的分散表示法•单位体积的油液中以某尺