油样分析

第五章 油样分析,第五章 油样分析,第一节 概述第二节 光谱分析第三节 铁谱分析,第一节 概 述,油样分析技术是借助对机械系统有代表性油样的分析来实现机器状态监测和故障诊断的，它是近十几年迅速发展起来的用于机械设备状态监测的新技术，尤其在发动机、齿轮传动、轴承系统、液压系统等方面，该技术取得了显著的效益，获得了广泛的应用。,在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。,第一节 概 述,壳牌石油公司对机械故障作了分类统计：柴油机中，30%的故障是由于污染造成的，其中50%是由于磨损造成的。对于齿轮来说，75%的故障是由于润滑不当、外来污染、腐蚀、轴承失效、维修不足和连续或短暂的超负荷运转造成的；其中51%的故障是与磨损有关，49%的故障是与过载有关。对于滚动轴承来说，40%的故障是由于润滑不当造成的，其中有10%的故障是在轴承正常疲劳寿命期内发生的。,目前在工业发达的国家中，油液分析技术正在或已经成为机械设备状态监测及故障诊断的不可缺少的方法之一，占有重要的地位。,第一节 概 述,机械在运行过程中，其磨损产物(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,1、油样分析的含义,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。,第一节 概 述,通过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）。 油样分析的对象可以是新油也可以是在用油或用过的旧油，从现代诊断技术的观点出发则主要是对在用油的分析，其目的首先是判断油液本身是否合乎使用要求，预测出磨损的发展趋势，从而确定合理的换油时间，更重要的是通过油液带来的种种信息判断机器的工作状态是否正常。,1、油样分析的含义,第一节 概 述,2、油样分析技术,油样分析技术的内容非常广泛，包括油品理化性能指标化验、油样污染度评定 (以颗粒计数为代表)、以及油样铁谱和光谱分析技术等。 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。,光谱：10m、铁谱：1100m、磁塞：1001000m,第一节 概 述,常采用的三种油样分析技术的机理、分析内容及使用的仪器见表5-2。油样分析技术及仪器,第一节 概 述,3、油样分析技术的应用,第一节 概 述,4、油样分析工作步骤,采样、检测、诊断、预测和处理五个步骤。,油样必须具有代表性，能够反映当前机械的运行状态。,由于油液中的各种组分、磨损颗粒及污染杂质在整个系统的油液中的分布是不均匀的，它们以不连续的分散相存在，特别是润滑油中的磨损颗粒，它的浓度和尺寸分布是随机器的运行工况及其它多方面的影响而变化的，这就给取出具有代表性的油样带来了困难。,在机器的润滑系统中，最常用的两个取样点是润滑油油箱和回油管处，回油管取样比在油箱中取样有较大的优越性 。,第二节 光 谱 分 析,一光谱分析原理,原子是由原子核和电子组成，每个电子都处在一定的能级上，具有一定的能量，正常状态下，原子处在稳定状态，它的能量最低，这种状态称基态。当物质受到外界能量(电能、热能或光能)的作用时，核外电子就跃迁到高能级，处于高能态(激发态)电子是不稳定的，激发态原子可存在的时间约 10-8秒，它从高能态跃迁到基态，或较低能态时，把多余的能量以光的形式释放出来，原子能级跃迁图见图5-1。,因为每一种元素的基态是不相同的，激发态也是不一样的，所以发射的光子是不一致的，也就是波长不相同。,通过光谱分析，就能检测出油样中所含金属元素的种类及其浓度，以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判断。,依据波长可以决定元素类型，这就是光谱的定性分析。另一方面谱线的强度是由发射该谱线的光子数目来决定的，光子数目多则强度大，反之则弱。光子的数目由处于基态的原子数目所决定，而基态原子数目又取决于某元素含量多少，这样，根据谱线强度就可以得到某元素的含量，光谱的定量分析。,油样光谱分析，是利用原子的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含量的分析。是根据各原子都有自己特定的谱线进行的。,一光谱分析原理,第二节 光 谱 分 析,油样光谱分析包括原子吸收式光谱分析和原子发射式光谱分析两大类。,油样光谱分析的特点,1、检出限低，灵敏度高。火焰原子吸收法的检出限可达10-9级。2、准确度高。火焰原子吸收法测定中等和高含量元素的相对标准差可达1%，石墨炉原子吸收法的准确度一般约为3%5%。3、分析速度快。例如用PE5000型自动原子吸收光谱仪在35min内能连续的测定50个试样中的6种元素。4、试样用量小。无火焰原子吸收光谱法分析仅需试样溶液5100L或5100mg。5、应用范围广。可测定的元素达70多种，不仅可以测定金属元素，也可以用间接原子吸收法测定非金属和有机化合物。6、仪器操作较简便。,1、多元素同时测定尚有困难，只有原子发射光谱可同时进行多元素测定；2、有相当一些元素的测定灵敏度还不能令人满意；3、对复杂试样，干扰还比较严重。,原子光谱法的不足之处：,第二节 光 谱 分 析,二发射式光谱分析,Atomic Emission Spectroscopy(Spectrometry) ，AES,分析步骤：,根据待测物质的原子或离子受激发后所发射特征光谱的波长及其强度来测定物质中元素组成（定性）和含量（定量）的分析方法。,原子发射光谱分析仪器的主要作用是把不同波长的辐射按波长顺序进行空间排列，获得光谱。在现代发射光谱分析中常用的光谱仪有棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪和光电直读摄谱仪。特点：可对多种元素进行定性和定量分析，有些仪器可同时测定20多种元素。,第二节 光 谱 分 析,图5-2是美国Baird公司生产的FAS-2C型直读式发射光谱仪的原理图。,光电直读光谱仪工作原理：,电极产生的电火花作为光源，激发油中金属元素辐射发光，将辐射出的线光谱通过出射狭缝引出，由光电倍增管将其转变成为电能，向积分电容器充电，通过测量输出电压达到检测油样内金属含量浓度的目的。,光电直读光谱仪,第二节 光 谱 分 析,三、原子吸收光谱技术,原子吸收光谱是根据气态原子对辐射能的吸收程度确定样品中分析物的浓度。 是基于原子对光的吸收现象。,强度与被测元素浓度成反比，通过分光器将其它发射线谱分离，检测系统测量特征谱线减弱后的光强度。根据光吸收定律可求待测元素的含量和浓度。,工作原理：通过火焰、石墨炉等将待测元素在高温或是化学反应作用下变成原子蒸气，由光源灯辐射出待测元索的特征光，在通过待测元素的原子蒸气时发生光谱吸收。透射光的,第二节 光 谱 分 析,光源(发射特征谱线)原子化器(试样转化为原子蒸气)分光系统(分离特征谱线)检测系统(信号转换、放大)显示(吸光度，根据吸光度可在标准谱中查出金属元素浓度),分析流程,1、灵敏度高，检出限低。2、分析精度高，功能强。3、选择性好。4、操作简便，分析速度快。5、适用范围广。6、分析不同元素，必须使用不同元素灯。7、对于复杂样品需要进行化学预处理。,原子吸收光谱法特点：,PekinElmer原子吸收光谱仪,第二节 光 谱 分 析,四、X射线荧光光谱仪,利用能量足够高的X射线(或电子)照射试样，激发出来的光叫X射线荧光。利用分光计分析X射线荧光光谱，鉴定样品的化学成分称为X射线荧光分析。,当样品中元素的原子受到高能X射线（一次射线）照射时，即发射出具有一定特征的X射线谱（二次射线，亦称为X射线荧光），特征谱线的波长只与元素的原子序数有关，而与激发X射线的能量无关。谱线的强度则与元素含量的多少有关，所以测定谱线的波长，就可知道试样中包含有何种元素（定性分析），测定谱线的强度，就可知道该元素的含量（定量分析）。,基本原理：,第二节 光 谱 分 析,根据分光方式的不同，X射线荧光分析可分为能量色散和波长色散两类。,波长色散型光谱仪原理,射线荧光光谱仪的原理如图。X射线在伦琴管内产生，并照射到试样上。试样元素二次发射到分析晶体上，,又被分析晶体衍射到一个盖格探测器，最终通过记录器及计数器输出。分析晶体的平面可以转动，以适应不同波长辐射的衍射角度。,第二节 光 谱 分 析,第三节 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 。 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，广泛应用于冶金、矿山、机械、汽车、铁路、船舶、煤炭、化工、建筑等行业。,油液铁谱分析技术利用高梯度强磁场的作用，将油样中所含的机械磨损微粒有序地分离出来，并借助不同的仪器对磨屑进行有关形状、大小、成分、数量及粒度分布等方面的定性和定量观测，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，预测零部件的寿命。,铁谱技术分析的主要工作流程：,铁谱分析技术中主要使用的仪器是铁谱仪，根据其工作方式的不同，铁谱仪分为分析式、直读式、旋转式等。近年来又研究成功了在线式铁谱仪。,(1)磨粒的浓度和颗粒的大小，它们反映了机器磨损的严重程度。 (2)磨粒的形貌，它反映了磨粒产生的原因和机理（如疲劳、剥落、腐蚀等） 。 (3)磨粒的成份，它反映了磨粒产生的部位，即发生磨损的零件。,测定的内容:,一、分析式铁谱仪（Analytical Ferro graph）,BY11-FTP-X2型 分析式铁谱仪系统,分析式铁谱仪一般是指包括制谱仪、光密度（铁谱片）读数器以及双色显微镜在内的成套测试系统。,图5-5 分析式铁谱仪的原理1-油样；2-微量泵；3-磁铁；4-铁谱片；5-废油,1、工作原理,制谱仪的基本组成：磁铁装置、微量泵、玻璃基片、特种胶管和支架等。,微量泵将油样从试管中抽出，并流出至玻璃基片上。在玻璃基片下面的有一高强度、高梯度的磁铁，油样中的铁磁性颗粒随油样沿基片流动的过程中受重力、浮力以及磁力的综合作用而有规律地沉积在基片上，由于磁力线与油液流动方向垂直，所以磨屑在基片上排列成与流动方向垂直的链状谱。,1、工作原理,铁谱片,在紧靠近入口处下方，沉积了尺寸大于5m的磨粒；在距铁谱片出口端50mm处沉积的磨粒，尺寸多为12m；而在靠近铁谱片出口端，磨粒尺寸更小，甚至不连续的链线状沉积。有色金属磨粒和非金属磨粒不按这种规律沉积，具有随机性，但在铁谱片上有各自的排列特点。,铁谱显微镜是分析式铁谱仪配套使用的专用分析仪器。由双色显微镜和铁谱片读数器组成。利用铁谱显微镜（扫描电子显微镜）观测铁谱片上的磨粒，可以得到有关形态、大小、成份及粒度分布的结果。油样中的铁磁性磨粒，按尺寸大小依次有序沉积。,2、铁谱显微镜（Ferro scope）,铁谱片加热法是由铁谱技术发展起来的判断磨屑成分的简易实用方法。原理：厚度不同的氧化层颜色不同。 具体操作是把铁谱片加热到330C，保持90秒，冷却后放在铁谱显微镜下进行观察。此时，不同合金成份的游离金属磨粒会呈现不同的回火色。如：铸铁呈草黄色；低碳钢呈烧蓝色；铝屑呈白色等。,应用广泛的图像分析仪器。该仪器能够对铁谱片上一矩形区域内的沉积磨屑进行统计分析。其计算机系统可对不同粒度的磨屑进行精确的计算。,3、图像分析仪（Quantimet）,4、铁谱加热法（HFA）,5、性能特点,（1）提供的信息较丰富。有关磨粒的形态、大小、成份及粒度分布全部信息，可作定性和定量分析。（2）分析式铁谱仪制成的谱片可以长期保存，供以后观察分析用；,缺点：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。,YTF-6型双联分析式铁谱仪,应用：常用作油样的精密分析。,二、直读式铁谱仪,用两束光线(相距5mm)穿过磁铁照射到沉积管上。第一道光束接近沉积管的入口端，几乎全部大磨粒(5m)和部分小磨粒沉积的位置。第2道光的位置是小磨粒(12m)的沉积处。光电探头接受的光强衰减量反映2个位置处的磨粒浓度。光电传感器的信号经过放大和转换后以数字形式显示出来。从而达到直接测量油样中大、小磨粒浓度的目的。,1、工作原理：玻璃沉积管装在倾斜的永久磁铁狭缝上，利用虹吸原理使油样经过毛细管缓慢地流入沉积管，油液在管内流动时，受重力、浮力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。,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。读取一个反映油样里残渣含量的读数十分简便，只需要约5分钟 ；（3）目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，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，且随机因素干扰影响大；（4）只能提供关于磨屑体积(浓度、尺寸分布)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。,三、旋转式铁谱仪(RPD- Rotary particle Depositor),传统分析式铁谱仪的两个固有缺陷：,（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。,英国在1984年研制出一种利用磁场力和离心力共同作用使磨粒沉降的旋转式铁谱仪。旋转式铁谱仪保留了分析式铁谱仪可以分析观察磨粒形貌、尺寸大小、材质成分等优点，同时又避免了分析式铁谱仪制片时间长、操作费用高、谱片入口区磨粒堆集严重、油样需高度稀释、谱片上有大量污染物和大颗粒被压碎或不能通过的缺点。,1、工作原理,驱动轴带动磁铁和固定在其上方的圆形基片一起旋转，待测油样由输入管流出至基片的中心后随基片一起旋转，油样和非磁性杂质由于离心力的作用而被甩出基片经排油管排出，这样可消除非铁磁性污染物对分析和测量的影响。整个旋转部分罩在真空排出罩中，铁磁性磨屑和附着铁磁性物质的磨屑被磁化后，同时受到重力、浮力以及磁力和离心力的综合作用，而有规律地沉积在基片上。,第三节 故障诊断神经网络,2、旋转式铁谱仪的磁场装置原理,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。,英国斯旺西大学摩擦学中心研制的303型RPD的谱片中：内圈磨屑尺寸为11000m；中圈为1 50m；外圈为1 10m。,3、性能特点,除具有分析式铁谱仪的全部优点外，还具有下列优点： 操作简便，不需专门技术；对不同粘度的润滑油可选用不同的转速，使用范围更广；仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染；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；分析油样的效率高；(制谱:1min VS 30min)制片成本低；沉积区面积大：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。,四、在线式铁谱仪,在线铁谱仪可以直接安装在机器的循环润滑油路上，在现场实现在线检测并实时显示润滑油中的磨粒浓度，以监测机器的状态。,由一个装在油循环旁路中的传感器和一个磨损分析仪组成。传感器由从油中分离磨粒和控制油流的硬件组成；磨损分析仪有电子控制与显示单元，并有可调浓度的报警器，报警器可以在磨粒浓度超过预定极限时发出警报信号。,传感器中有一高梯度磁场，用来截获磨损颗粒，由于磨粒的沉淀具有按尺寸分布的特点，传感器中的有表面效应的敏感元件可以定量测定沉淀的大、小磨粒的数量。磨损分析仪把传感器传送的测量值与通过的油样体积进行比较计算，测定出磨料浓度和大于5m的微粒的读数百分比。每次测量完毕系统通过冲洗敏感元件并重新开始下一次自动循环测量过程。测量时间间隔取决于磨损颗粒的密度，密度越高，测量间隔越短，循环越快，一般测量间隔从30s到30min不等。,四、在线式铁谱仪,五、铁谱分析方法,1、铁谱的定量分析,铁谱技术的定量分析是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。,（1）定量铁谱的理论依据,磨损颗粒的最大尺寸与磨损方式有关，如果测量或计算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，就可以推断抽取油样时机器所处的磨损方式和程度，这是定量铁谱的第一个理论依据。 第二，机械的磨损率是磨损工况的重要指标，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，因此可以把铁谱片上磨屑的总数作为定量铁谱分析的另一个指标。,定量分析的指标通常有：总磨损量、磨损严重度、磨损烈度（严重度指数）、磨粒浓度、大磨粒百分比和累计值曲线等。,铁谱技术的定量分析最简单的方法是密度计法，光密度计是用光敏元件测定铁谱片上光亮度的仪器。铁谱片上的光亮度就与透光面积成正比，即与磨屑的覆盖面积成正比，那么用光亮度值就可以推算铁谱片上磨屑量的多少。,（2）铁谱定量分析方法,若设清洁的玻璃谱片上的光亮度为I0（此时磨屑覆盖面积为0），带有磨屑沉积的谱片光亮度为IP，那么此时磨屑沉积的光密度Di定义为：,A0铁谱显微镜上光密度孔径面积；AP光密度孔径被颗粒遮盖的面积。,设DL代表大颗粒（5m）的光密度（磨粒数量），DS代表小颗粒的光密度（1 2m）。则：,总磨损量： Q=DL+DS,磨损度(严重度)： DLDS,磨损烈度： IS=DL2DS2,磨粒浓度： WPC=DL+DS,大磨粒百分比： (DLDS)/(DL+DS) 或 DL/(DL+DS),累计总磨损： (DL+DS),累计磨损度： (DLDS),（2）铁谱定量分析方法,分别以DL、 DS和I0为纵坐标，以运转时间为横坐标作出曲线，根据曲线急剧上升情况来判断磨损的状态。累计值曲线：分别以累计总磨损(DL+DS)和累计磨损度(DLDS)为纵坐标，以运转时间为横坐标画出两条曲线，正常磨损应为两条逐渐分开的曲线。如果两条曲线在某点突然相互靠拢，说明机械发生了异常磨损。根据曲线突然互相靠近的一点作为磨损严重程度的特征。以累积值DL作为取样时间函数，绘成曲线。如果读数增加，所得曲线的斜率也增加，则表明异常磨损的开始。,（2）铁谱定量分析方法,齿轮箱磨损状态监测的应用,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。图中可见，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。,飞机发动机磨损状态监测的应用,图为采用累积总磨损(DL+DS)、总磨损烈度(DL-DS)值的“趋势分析”来预报发动机的磨损状态的实例。监测表明，当累积总磨损值和累积磨损烈度值的曲线随时间而呈稳定升高时，表明发动机工作正常，处于正常的磨损状态。,飞机发动机磨损状态监测的应用,如果这两条曲线的斜率在某一时间迅速增加，即两条曲线出现相互靠近趋势时(如图所示)，则表明发动机已发生严重磨损。当两曲线出现交叉时，表明发动机已开始损坏。通过对两曲线的变化趋势分析，已成功进行了多台飞机发动机磨损状态及工况的分析与诊断工作。,柴油机的磨损状态监测及工况诊断,柴油机磨损烈度曲线,2、形貌分析,形貌分析是通过对磨粒形态的观察分析，来判断磨损的类型，建立磨损状态类型与磨损颗粒形态的相互关系，判别摩擦副的磨损程度以确定失效情况和磨损部位。,钢或合金钢材质组成的摩擦副发生磨损产生的