第4章 油样分析技术

故障诊断概论第四章油样分析技术第四章油样分析技术油样分析概述1油样光谱分析技术2油样铁谱分析技术324.1油样分析概述设备磨损和润滑机械设备的磨损：金属表面间的相对运动使摩擦副表面分子逐渐脱落，产生大量磨损颗粒，使零部件原有的尺寸、几何形状和表面质量发生变化。润滑油的作用：减少摩擦，防止磨损，延长机器的寿命。例如：滑动轴承工作时，轴瓦与转轴之间要求有一层很薄的油膜起润滑作用,否则会造成烧瓦。34.1油样分析概述润滑油分析设备磨损是零部件失效的重要原因，影响设备使用寿命。磨损颗粒携带了非常丰富的有关磨损状态的信息。机械设备在不同的磨损状态下，会产生各种不同数量、尺寸、形状和种类的磨粒。这些信息反映了不同的磨损形式和机理，以及磨损程度。油样分析基本原理：设备磨损过程中产生的磨粒会进入润滑油中，随其在机器中循环流动,通过对润滑油中的磨粒进行分析，可以判断机械设备的磨损部位、磨损程度和磨损状态。44.1油样分析概述油样分析技术定义：油样分析技术是一种磨损颗粒分析技术，它是根据润滑油中磨损颗粒的成分、数量、形貌和大小来分析设备的磨损部位、磨损类型和磨损程度，并对设备故障和寿命进行预测。油样分析的内容(1)油样成分分析：确定磨损部位；(2)磨粒浓度分析：判断机器磨损的严重程度；(3)磨粒形态分析：判断磨损机理，即磨粒产生的原因。54.1油样分析概述油样分析方法（1）光谱分析技术适用于10μm以下的磨粒分析；能鉴别磨粒的成分及数量；不能获得磨粒的形貌信息；（2）铁谱分析技术适用于100μm以下的磨粒分析；可对磨粒进行定性和定量分析；（3）磁塞检测法适用于100μm以上的磨粒分析；大功率柴油机拉缸前从润滑油中分离出的球形颗粒（扫描电子显微镜图像）：产生机理：金属表面粘着磨损，局部接触点瞬间高的闪温使材料处于熔融状态，在迅速冷却中重结晶形成。作为柴油机拉缸的重要判据。柴油机轴瓦产生的疲劳磨损颗粒：由表面接触疲劳形成，X射线能谱分析可见主要成分为铜合金柴油机中的滑动磨损颗粒：由表面擦伤形成，可见明显的擦痕8磨损的诊断磨损部位的判断依据：成分方法：光谱分析磨损程度的判断依据：颗粒的大小、密度。方法：铁谱分析设备磨损的诊断4.1油样分析概述第四章油样分析技术油样分析概述1油样光谱分析技术2油样铁谱分析技术3104.2油样光谱分析技术基本概念定义：油样光谱分析技术是根据润滑油中各种金属元素吸收或发射光谱的不同，分析润滑油中金属磨粒的成分和含量，判断零部件的磨损情况，进而对设备故障进行诊断和预测，为设备科学检修提供依据。分析内容：成分（磨损部位）、含量（磨损程度）对有色金属磨粒比较适用；分类：原子吸收光谱分析技术原子发射光谱分析技术（应用较广）114.2油样光谱分析技术发射光谱技术基本原理:根据原子物理学理论，原子在电弧等激发下，从基态跃迁到高能量的激发态；当由激发态回到基态时，以发射光子的形式将所吸收的能量辐射出去。不同元素的原子放出的光的波长不同，称为特征波长。经过分光系将辐射线按波长顺序排列，得到光谱；测量各特征波长的谱线和强度，可以判断某种元素的存在与否及其含量；进而判断产生这些元素的磨损部位和磨损程度。124.2油样光谱分析技术发射光谱技术分析仪器：光电直读光谱仪功能：利用原子发射光谱技术测定润滑油中各种金属元素的浓度。组成：(1)激发光源：采用电弧，激发原子并产生光辐射；(2)分光系统：光栅分光，形成按波长顺序排列的光谱；(3)检测系统：检测光谱中谱线的波长和强度。光电直读光谱仪134.2油样光谱分析技术(1)激发：石墨电极通15KV高压电金属元素受激发放出射线光线经光纤传至入射狭缝发射光谱仪工作原理144.2油样光谱分析技术(2)分光：光线经光栅后被分为不同波长的谱线；各元素特征谱线照射到对应的出射狭缝；光电倍增管：将光信号变为电信号；发射光谱仪工作原理154.2油样光谱分析技术(3)检测：经积分电路处理，形成与光强度成正比的电压；由电压计算出元素的浓度每个元素对应一个通道，包括一个狭缝、光电倍增管和积分电路；发射光谱仪工作原理164.2油样光谱分析技术光谱分析技术的特点优点:油样无需处理，分析速度快，短时间内便可测定十几种到数十种元素的含量值；结果准确度高，重复性好。缺点价格较贵，生产现场难以推广；对润滑油中的大颗粒不敏感，不能获得磨屑存在形式(如形态，大小等)，故在判断磨损类型和预报灾变发生的能力方面存在不足。第四章油样分析技术油样分析概述1油样光谱分析技术2油样铁谱分析技术3184.3油样铁谱分析技术铁谱分析技术（Ferrography）20世纪70年代出现的一种新的机械磨损观测方法。1970年提出原理，1971年研制出铁谱仪和铁谱显微镜；检测磨粒范围广，应用广泛。铁谱技术定义利用高梯度强磁场将润滑油中所含的磨损微粒分离出来，按其粒度大小依次排列沉淀到玻璃基片上或玻璃管中，并通过对微粒形态、大小、成分以及粒度分布的定性和定量观测，获得机器磨损过程的各种信息，从而分析设备的磨损机理、判断设备的磨损状态。194.3油样铁谱分析技术铁谱技术的工作内容油样的采集和处理；分离磨粒，制备铁谱片；磨粒的识别与分析。铁谱仪(Ferrograph)：实现铁谱技术的基本工具，分类如下；分析式铁谱仪直读式铁谱仪旋转式铁谱仪在线式铁谱仪204.3油样铁谱分析技术直读式铁谱仪功能：定量测量润滑油中铁磁磨粒的浓度。通常可以获得两组读数：大磨粒：5微米(DL)小磨粒：1-2微米(DS)它是一个趋势监测仪器，通过对定期采集的油样进行检查，实现设备的状态监测。它是一个便携式测试仪器，容易使用，可以由非技术人员操作。214.3油样铁谱分析技术直读式铁谱仪-工作原理224.3油样铁谱分析技术直读式铁谱仪-磨粒沉积规律大磨粒沉积在入口处，小磨粒沉积在离入口处较远；234.3油样铁谱分析技术直读式铁谱仪-测量过程光电探头安装位置：入口处及离入口处5mm位置；光电探头输出电压：与磨粒的体积有关，反映磨粒的浓度244.3油样铁谱分析技术铁谱定量分析DL、DS两个光密度分别代表大、小磨粒的相对数量；正常磨损过程中，DL和DS的差值较小，DL略大一点；异常磨损过程中，DL和DS的差值显著增大。铁谱定量参数：表示磨损变化程度。磨损程度：（DL-DS）总磨损量：（DL+DS）磨损烈度：ID=(DL+DS)×(DL-DS)=DL2-DS2根据定量参数曲线的变化，可以监测设备的早期磨损；长期监测某一特定设备，可以定出定量参数的基准线，从而提高状态监测的有效性。254.3油样铁谱分析技术分析式铁谱仪的组成组成：铁谱仪、铁谱显微镜和光密度读数器。铁谱仪：分离磨粒，制作铁谱片；铁谱显微镜：对铁谱片进行观察和分析；光密度读数器：定量分析；264.3油样铁谱分析技术分析式铁谱仪-工作原理稀释油样，注入试管；微量泵：将油样输送到玻璃基片的上方；磁铁装置：玻璃基片倾斜安装，形成一个高梯度磁场；油样流经梯度磁场时，磨粒按尺寸大小有序地沉积在玻璃基片上；对基片进行固化和清洗，制成可供观察和分析的铁谱片。274.3油样铁谱分析技术分析式铁谱仪-磁铁装置铁谱仪的核心元件，由五块磁材料构成的U型装置。284.3油样铁谱分析技术铁谱片U形栅栏：引导油液沿基片中心线流动；大尺寸磨粒沉积在入口端，小尺寸磨粒沉积在出口端；磨粒在垂直于油液流动方向排成链状；磨粒在铁谱片上的沉积规律294.3油样铁谱分析技术铁谱的定性分析定义：使用铁谱显微镜对铁谱片上沉积的颗粒进行形状、尺寸大小和成分的分析，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。定性分析方法：铁谱显微镜法：加热分析法:对铁谱片进行加热处理，借助磨粒的回火颜色的不同来识别磨粒的材料成分。304.3油样铁谱分析技术磨粒的识别正常磨粒正常磨粒是正常磨损的结果，源于剪切混合层部分脱落。磨粒由扁平的小片组成，通常为5微米或更小，有时可能达到15微米，这取决于设备的应用情况。在磨粒表面几乎没有可见的纹理，小片的厚度应该是1微米或更小。314.3油样铁谱分析技术磨粒的识别切削磨粒形状似车床加工产生的切屑，尺寸在微米级；产生原因：摩擦副中较硬一方的刃边穿入较软一方产生磨屑，或润滑系统中存在污染颗粒。324.3油样铁谱分析技术磨粒的识别球形磨粒产生于滚动轴承疲劳裂纹，它可对轴承故障进行早期报警，它在实际的散裂发生前是可以检测到的。滚动轴承疲劳不是球形颗粒的唯一根源，焊接等工序也能产生球形颗粒。但球体的尺寸不同，滚动疲劳几乎不产生大于5微米直径的球体，而焊接和摩擦产生的经常是大于10微米直径的球体。334.3油样铁谱分析技术磨粒的识别剧烈滑动磨粒剧烈磨损颗粒在其表面存在平行的条痕，这些条痕相互平行并与颗粒的长轴平行是其识别特征。它们一般长度大于15微米，厚度在5-30微米之间。剧烈滑动颗粒有时呈现回火的颜色，它在热处理后可能改变颗粒的外貌。344.3油样铁谱分析技术铁谱图像处理系统铁谱图像的采集和管理；铁谱图像的识别与分析；354.3油样铁谱分析技术分析式铁谱仪的特点提供的信息丰富，可做精密分析；谱片可以保存，供以后分析；制谱过程较慢，30分钟一个谱片，且须在实验室进行；直读式铁谱仪的特点结构简单、价格便宜（约为分析式的1/4）；制谱与读谱过程合二为一，分析过程简便快捷；信息量有限，只提供磨屑体积信息，无形貌和来源信息；适合于快速分析和初步诊断。364.3油样铁谱分析技术铁谱分析技术的特点检测磨粒尺寸范围宽，能及时判断机器的磨损变化；铁谱仪比光谱仪价格便宜，可适用于不同设备；获得的信息全面，包括成分分析、定性分析和定量分析；缺点：对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低；规范性较差，分析结果依赖于操作经验；图为釆用铁谱技术监测一齿轮箱磨损状态的结果图。图(a)、(b)和(c)分别为大、小磨粒铁谱读数DL、DS和磨损烈度指数IS与齿轮工作时间的关系曲线。从图中可以看出，在齿轮箱磨合时表现出较高的磨损率，随着齿轮箱磨合过程结束，磨损率下降并趋于稳定，在齿轮箱进入破坏性磨损期时其磨损率又迅速增大。4.3油样铁谱分析技术