油液检测技术基础-磨粒分析

油液检测技术基础-----------磨粒分析斯派超公司工程师：石立杰[e-mail],010-678572422内容油液检测与设备状态监控技术概览磨粒的产生及特征磨粒分析技术简介3第一部分油液检测与设备状态监控技术概览4典型的设备维护方案被动式(出故障后维修)维修费用停机时间失效分析预见式(尽早发现故障)有计划的定时的协调一致的可预见的主动式（消除隐患，做到不维修!)主动地消除缺陷设备的防御性设计(墨菲法则)问题溯源世界级(设备资产优化)愿景一致优化整合联合文化转型关注与高效的维护和维修关注于消除安全隐患设备维护人员的演变…5轴承系统故障统计分析CommonCausesofBearingFailure数据来源:ConocoPhillips润滑油手册0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%OtherCorrosionLackofLubricationOverloadMisAssemblyMis-AlignmentDirtPercentage4%5%8%10%12%14%47%6预防性维护相关技术预防性维护技术油液检测振动检测热红外成像检测发动机电路评估超声检测机械对正检测7油液检测的内容和目的磨粒污染物润滑状态更换滤芯？滤油、换油？更换零部件？8油液检测技术识别出的典型故障异常磨损早期预警密封圈破损、损坏油液过滤器堵塞Inefficientairfilters错误的换油、补油时间或周期润滑状态9状态检测=趋势分析定期监测设备油液是提高设备可靠性的有效手段对检测结果进行趋势分析：结果Vs时间基于趋势分析结果制定维护计划（措施）：报警：发现严重故障(隐患),尽快应对预警:：异常出现,对异常进行验证和应对正常：无需采取措施设备运行时间或公里数正常范围建议应对必须应对报警限监测结果明显上升趋势10油液监测项目的选择往复式设备内燃机的油液污染及磨损形式最为复杂;需采用尽可能多的检测手段光谱分析一般仅能分析非常小尺寸（10um）的磨粒，单纯的元素光谱分析无法全面反映设备状态旋转式设备（更加关注固体磨粒：数量、特征）颗粒计数：洁净度等级磨粒分析(铁谱,扫描电镜,等.)：磨粒识别及形貌分析11对油液的人工感官检测乳化现象（存在游离水）油液中有大尺寸金属颗粒（反光）油液颜色不溶解固体沉淀物燃油稀释（气味）12油液检测的典型应用柴油发动机齿轮系统液压系统元素分析磨粒，污染物及添加剂齿轮箱磨损会产生各种磨粒，但其浓度水平所表征出的设备状态多种多样。与颗粒计数保持一致，互相验证。同时，也是污染控制和润滑性能控制的有效手段.颗粒计数定量分析及趋势分析铁谱分析跟踪大尺寸铁质颗粒，失效分析红外光谱氧化度，硝化度氧化度,润滑性能的衰变氧化度,润滑性能的衰变粘度污染程度来自残炭或者燃油的污染el油品各种物理化学变化的直接表征油品各种物理化学变化的直接表征总酸值TAN污染及衰变污染及衰变总碱值TBN储备碱度,抗污染性水分油液验证油液验证如果水分超标，要通过颗粒计数进行核查燃油稀释大型柴油机的通病残炭可表征燃烧效率,气油比优化13各种典型设备的油液监测项目及其频率R=日常巡检E=异常分析*=RFS系统定性定量分析大尺寸磨粒（必要）X=无检测意义14第二部分磨粒的生成及特征15磨损形式分类高速轻载重载低速极低速超载流体动力润滑：流体力学层流理论油膜厚度远大于（几倍）工件表面粗糙度的几倍混合润滑：层流油膜被破坏油膜厚度与工件表面粗糙度相当边界润滑：边界油膜润滑（油膜）失效16柴油发动机中的磨粒来源1.鼓风机转子（Al,Si）2.凸轮轴承（Cu,Pb,Sn,Zn）3.上连杆轴承（Cu,Pb,Sn）4.连杆轴承及主轴承（Pb,Sn,Cu）5.活塞环及压缩机（Cr,Fe）6.活塞（Sn,Fe）7.缸套（Fe,Si）8.凸轮推杆（Fe,Cr）17汽轮机中的磨粒来源1.轴瓦及滚珠(Fe,Cr),轴承套(Ag,Cu,Zn,Pb)2.行星轮系(Fe,Ni,Cr)3.齿轮(Fe,Ni,Cr)4.主轴(Fe,Ni,Cr,Mo)5.子驱动系统：齿轮(Fe,Ni,Cr),键(Fe,Cr)6.轴承(Fe,Cr),齿轮(Fe,Ni,Cr)7.油泵(Fe,Ni),(Cu,Si)LYCOMINGAOT1500汽轮机18接触磨损机械零部件工作过程中产生的表面应力与其承受的载荷或相对运动速度有关，应力集中或应力破坏产生接触磨损许多接触磨损磨粒表面有明显的条纹（接触产生）当磨粒尺寸大于15um时，出现严重接触磨损接触磨损造成的零件失效缺油造成的严重接触磨损严重接触磨损19工件表面的磨合Ridgesonthewearsurfaceareflattenedandformcorniceswhichbreakawayandformlongflatparticles加工后的工件表面磨削表面的形貌特征，弹性形变20三体磨损磨粒“软”表面“硬”表面硬质磨粒污染切削磨损三体磨损理论：磨粒对机械零部件表面造成的二次“伤害”21硬质磨粒导致的工件表面缺陷22疲劳磨损机械零部件表面产生的微观裂纹在剪切角上延伸致表面以下（最终造成断裂）机械零部件表面的剪切应力破坏产生的磨损颗粒23工件表面的疲劳过程滚珠与轴瓦间的循环交变载荷导致轴承疲劳磨损。轴瓦的底部产生较高的应力，当剪切应力大于工件材料的断裂应力时，产生疲劳磨损磨粒工件表面的微观裂纹在外力作用下不断生长，直至工件表面出现破损（磨粒产生），破损的工件表面出现应力集中现象，导致工件表面进一步失效。RepairedSpall(填充在破损区域的微小磨粒)，会加速微观裂纹的延伸。2324滚动接触疲劳循环应力作用下工件表面破损产生接触疲劳磨损磨粒初始阶段，接触疲劳磨损磨粒的尺寸大约是10um、平板状、MD/T=10/1接触疲劳磨损磨粒表面光滑、轮廓成无规则几何形状25滚动接触疲劳磨损磨粒特征不规则形状，表面光滑不规则形状，表面光滑薄片状磨粒，厚度小于1um薄片状磨粒，有孔放大放大26球状磨粒球状颗粒来自于经过焊接或者磨削加工的工件表面，这些球状磨粒的尺寸远大于轴承疲劳失效（因润滑不良或过载引起的）时产生可磨粒。27齿轮系统的接触疲劳磨损啮合线啮合线啮合圆啮合圆胶合/划伤接触面积增大点蚀疲劳齿轮系统的接触疲劳磨损同时包含滚动接触疲劳和滑动接触疲劳两部分。两个相互配合的齿轮在啮合线上接触时，属于滚动接触疲劳。在齿顶或齿根接触时属于滑动接触疲劳。28齿轮系统的接触疲劳磨损磨粒无规则形状，表面光滑疲劳磨损磨粒啮合线部分产生的磨粒(滚动接触)齿根/齿顶部分产生的磨粒(胶合)胶合磨损磨粒呈现明显腐蚀现象29磨损颗粒Vs磨损类型30磨粒分类磨粒类型产生原因磨粒形貌特征工件表面特征溯源分析一般接触磨损（正常）一般接触磨损（表面脱落）平板状；主尺寸0.5到5µm；厚度0.15到1µm；MD/T=10/1；平整、光亮平滑、光亮正常工作磨损，长时间工作行成严重接触磨损(粘连的磨粒)油膜失效,重载,类似粗糙的焊接颗粒,边界润滑、混合润滑短粗状；主尺寸15到100µm；厚度0.15到1µm；MD/T=10/1;表面有明显的划伤条纹、轮廓分明、边缘呈锯齿状明显划痕、胶合、麻点过载、添加剂失效（损耗严重）、错误用油接触磨损磨粒氧化产生的红色磨损颗粒(Fe2O3)水污染造成的表面腐蚀破裂平板状；主尺寸：5到50µm；颜色呈橘黄色或棕色麻点、页状剥落水污染接触磨损磨粒氧化产生的黑色磨损颗粒(Fe3O4)接触磨损磨粒高温下氧化乱石状/矮胖；主尺寸5to50µm；MD/T=10/1；黑色卵石状颗粒麻点、划痕、回火蓝乏（缺）油黑色铁质接触磨损磨粒部分氧化的铁质磨粒尺寸不一（与磨损模式相关）；表面呈黑色或灰色麻点、划痕、回火蓝磨粒磨损(切削)高硬度磨粒污染(三体磨损)长条状；宽：2到5µm；长：25到100µm划痕、沟槽油液中有灰尘或沙粒污染、过滤不良表面接触(二体磨损)长条状；宽：0.25到5µm；长：5到25µm划痕、沟槽油液中有灰尘或沙粒污染、对准（装配）超差31磨粒类型磨粒类型产生原因磨粒形貌特征工件表面特征溯源分析疲劳磨损交变载荷滚动接触,表面疲劳疲劳磨损磨粒,主尺寸10到100µm,主尺寸/厚度：10/1平板状薄片，主尺寸20到50µm,主尺寸/厚度：30/1碎片点蚀,压痕起霜油液污染,工件表面缺陷，交变载荷大于设计值滚动接触疲劳磨损0.5到5um球状磨粒球状磨粒气蚀、放电、直流焊接5-15um球状磨粒点蚀,刻痕接地不良焊接缺陷腐蚀磨粒氧化、酸性侵蚀直径为0.1-1um的沉淀物点蚀,挖痕，抛光油液老化、密封失效32磨粒尺寸与磨损程度磨粒尺寸（um）磨粒浓度0.11101001,000严重磨损失效磨损升级严重磨损开始磨损开始一般而言，大尺寸磨粒的出现表征出严重磨损的开始或升级某些失效形式仅仅产生大尺寸颗粒33磨粒在闭环润滑系统中的变化简化的油路过滤系统采样阀机械设备油箱油泵磨粒在下列情况小会消失：过滤沉淀破碎溶解嵌塞、粘连磁力分离34磨粒在闭环润滑系统中的变化微小、溶解的磨粒大尺寸磨粒(指数上升)工作时间浓度(PPM)动态平衡状态“浓度与磨粒消失速度呈反比”35磨粒的产生过程（理想状态下）与检测工作时间浓度（PPM）磨粒分析仪分析结果光谱仪分析结果正常磨损异常磨损磨合期少数的尺寸颗粒的存在即可表征出设备的故障（隐患）对某些特定设备而言，如：军用飞机的轴承系统。10-20um的磨粒可等代表了设备异常磨损的开始这些大尺寸磨粒可能在无法显现在光谱仪的检测结果中36案例分析-涡轮机的磨损趋势02040608010012010Jan.11-Mar25-Mar31-Mar7-Apr铁(大尺寸颗粒)铜(大尺寸颗粒)铅(大尺寸颗粒)锡(大尺寸颗粒)铁(微小颗粒)锡(微小颗粒)37金属磨粒及其来源分析发动机轴承齿轮传动系统液压冷却系统压缩机涡轮机铁,Fe缸套,活塞环,配气机构,主轴,推杆,齿轮,垫片,螺母,连杆,机体,油泵滚动接触磨损,滚珠,滚道及保持架,轴颈轴承:轴颈主轴,轴瓦,锁定装臵大齿轮,小齿轮硬化处理的齿面,键齿轮,轴承,制动系统,离合器,泵,动力输出(PTO)泵,马达,叶片,泵的箱体,液压杆及缸壁,伺服阀,活塞回转式螺杆,转子,旋叶,连接杆,摇臂,轴承,压缩缸,机体,轴承,滚珠,油泵,活塞环减速箱,主轴,轴承,管道，油箱铜,Cu配气机构,连杆销,减震机构,冷却芯,止推垫圈,调速器,连杆轴承,滚动装臵轴承:轴承支架,轴颈轴承:轴颈轴承垫,挡油环,锁定装臵惰轴承,止推垫片离合器,换向盘,轴承液压泵止推盘,惰齿轮,液压缸,液压泵,冷却系统冷却管,障板管,冷却板轴承,气缸,抗磨板,止推盘,轴承，油泵,冷却系统,温控装臵,分离器滤芯轴承，管道，冷却系统锡,Sn配气装臵,连杆销,减震机构,冷却芯,止推盘,调速器,连杆轴承，滚动装臵轴承:轴承支架,轴颈轴承:轴颈轴承垫,惰齿轮离合器,换向盘,轴承止推垫,减震装臵,轴承,分离器滤芯轴承，管道，冷却系统铝,Al发动机机体,活塞,鼓风机,油泵，减震,轴承，油冷系统滚动装臵轴承:轴承支架,锁定装臵惰齿轮,止推支架,润滑脂污染惰齿轮,离合器油泵,马达活塞,油冷.润滑脂污染冷却管,障板管,冷却板机体,轴承,压缩缸,抗磨板,止推盘,轴承,油泵,油冷轴承、管道,冷却系统，EHC系统38金属磨粒及其来源分析（续）发动机轴承齿轮传动系统液压冷却系统压缩机涡轮机铬,Cr活塞环,缸套,排气阀,冷却液滚动装臵,轴承（镀铬）轴承,主轴涂层轴承,水处理系统缸壁,连杆,滑阀机体,压缩缸,止推盘,抗磨板,轴承,油泵,油冷系统主轴涂层,轴承铅,Sn主轴承,连杆轴承,燃油污染滚动装臵轴承:轴承支架,轴颈轴承:轴颈轴承垫轴承,齿轮箱体内壁涂料轴承轴承,轴承硅,Si发动机机体,灰尘污染,添加剂元素，滚动装臵轴承惰齿轮,止推盘,密封圈，添加剂制动片,离合器,灰尘污染密封圈,液压泵,马达活塞，油冷系统灰尘,密封圈,轴承,制冷器灰尘,密封圈,添加剂银,Ag轴承,等轴承,油冷系统