试谈油液监测与诊断技术

第四节 油液监测与诊断技术油液监测与诊断技术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、液压系统等诸方面，该技术取得了显著的效益，获得了广泛的应用，如表2-11 所示。表2-11 油液监测与诊断技术的应用应用监测设备航空发动机、液压系统、传动系统、雷达系统船舶柴油机、传动系统、起重设备、液压系统机车柴油机、传动系统、液压操作系统汽车发动机、传动系统、液压系统石化柴油机、发电机、压缩机、鼓风机、挤压机冶金传动系统、轧钢机、起重设备、传送机构机床传动装置、液压系统、加工中心电力气轮机、柴油机、蒸汽轮机、传动装置、变压器、液压系统油液监测与诊断技术通常包括油液理化性能分析技术、铁谱分析技术、光谱分析技术、颗粒计数技术等，实现对油样中所含磨粒的数量、大小、形态、成分等及其变化，油品的劣化变质程度等的分析。油液分析技术涉及的机理、分析内容及使用的仪器见表2-12 。表2-12 油液分析技术及仪器油液分析技术机理分析内容仪器油液理化指标及污染度检测油液物理、化学性能指标及其它综合指标的变化，反映油品的劣化变质程度。超过一定数值，润滑油成为废油，必须更换。粘度、酸碱值、闪点、水分、机械杂质、积炭、颗粒数及油液污染综合指标等振荡式粘度计、滴定仪、闪点计、红外光谱仪、颗粒计数器、污染监测仪等油液铁谱技术借助于高梯度、强磁场的铁谱仪将油液中的金属磨粒有序分离出来进行分析，从而监测设备运转状态、磨损趋势、判断磨损机理磨粒尺寸、磨粒数量、磨粒形貌、磨粒成分分析式铁谱仪直读式铁谱仪旋转式铁谱仪在线式铁谱仪油液光谱分通过测量物质燃烧发出的特定波长、一定强度的光，从而检测磨粒的元素成分及含量浓度，监测设备运转状态、磨损趋势，判断磨损部位金属磨粒元素成分及含量浓度值添加剂元素成分浓度杂质污染元素成分及浓度直读式发射光谱仪吸收式光谱仪一、润滑剂及其质量指标 在机器的摩擦副间加入某种介质，使其减少摩擦和磨损，这种介质称为润滑材料，即润滑剂。由于摩擦副的类型和工况条件不同，相应地对润滑材料的要求和选用也不同，只有按摩擦副对润滑材料性能的要求，合理地选用润滑材料，才能达到延长设备使用寿命，保证设备正常运转及提高企业经济效益的目的。（一）润滑剂的分类 润滑剂可分为液体润滑剂、半固体润滑剂、固体润滑剂和气体润滑剂四大类。 l液体润滑剂 例如润滑油、水、液态金属等。润滑油中矿物油来源充足、品种多，不易变质，加之一般矿物润滑油，含有极性物质，易形成吸附膜或油中加入添加剂后形成边界膜达到润滑目的，故应用最为广泛。2半固体润滑剂 例如润滑脂，它是用稠化剂和润滑油制成，是一种介乎液体和固体之间的润滑材料，在一定意义上兼有二者的优点。主要用于长期工作而不易经常更换润滑剂的摩擦部位以及因结构关系不能使用润滑油的机器设备。 3固休润滑剂 例如石墨、二硫化铝等，依靠这些物质在摩擦表面形成低剪切强度，并与摩擦表面有较强附着力的固体润滑膜达到润滑目的。 4气体润滑剂 例如空气、氮气等，多用于高温、高速、轻载场合，例如高速磨头的空气轴承。（二）润滑油性能指标 掌握润滑油的性能指标，能进一步熟知其适用场合，为不同工况条件选择合适的润滑油提供必要的依据。 1粘度 粘度是润滑油最重要的性能指标之一，是反映润滑油流动的粘性大小，决定润滑油油膜厚度的主要因素之一。润滑油的作用就在于使润滑油在机器作功运动的摩擦表面形成油膜，该油膜起到润滑、减震、冲洗、冷却等作用。润滑油的粘度随温度的变化而变化。一般地讲，同一润滑油，温度越高粘度越小，温度越低粘度越大。称润滑油的这种性能为“粘温性能”，常用粘度指数表示，粘度指数高说明油品粘度随温度的变化较小，粘温性较好。表示粘度的单位和测定粘度的方法很多，例如英美等国多采用赛氏和雷氏粘度，德国和西欧多采用恩氏粘度和运动粘度，我国主要采用运动粘度。国际标准化组织规定统一采用运动粘度。我国新的粘度牌号以N为标记，即N2、N3、N5、N7、N460、N680、N1000、N1500，共18级。在使用中一定要注意牌号的种类，以避免差错。 运动粘度可用运动粘度测定仪测定。 2油性和极压性 油性和极压性是表示润滑油抵抗磨损能力的指标，油性表示油膜的吸附能力，极压性则表示在冲击载荷或高温重载荷作用时油膜不破裂的能力。 我国评定润滑油的极压性，主要在四球式摩擦试验机上进行。 3酸值 酸值是指中和每1克润滑油中的有机酸所消耗的氢氧化钾的毫克数，单位是KOHmgg。当所用油品的酸值超过标准时应换用新油。 4水分 润滑油的水分是指润滑油中含水量的重量百分比数。润滑油中水分的存在，破坏润滑油形成油膜、使润滑效果变差，并加速有机酸对金属的腐蚀作用，锈蚀设备，而且使添加剂分解沉淀。 测定水分可在水分测定器上进行。 5水溶性酸和碱 水溶性酸和碱是指溶于油品中的无机酸和碱，以及低分子有机酸和碱性氧化物，它们将强烈腐蚀设备，加速油品变质，降低油品的绝缘性能。 6机械杂质 机械杂质是指润滑油中各种沉淀物、胶状悬浮物、砂土、金属粒等杂质的重量百分比，它是反映油品纯洁度的指标。油品中机械杂质的存在会加剧机器零件的磨损，加速油品老化，严重时还会堵塞油路及滤清器。 7闪点 闪点是表示润滑油蒸发性的指标。在规定的条件下加热油品，当油蒸气与周围空气形成的一定浓度的混合气体时，同火焰接触时产生短暂闪火时的最低油温即为闪点。闪点是油品的安全性指标，油品的工作温度一般低于闪点2030为宜。 闪点的测试分为开口闪点与闭口闪点两种，蒸发性较大的轻质油品一般用闭口法测定，而重质油品则常用闭口法。 8凝点 在规定条件下使油品冷却到不流动时的最高温度即为凝点。凝点是反映油品低温流动性的重要指标。通常，油品工作温度一般应比凝点高1530为宜。 此外，还有灰分、残炭、腐蚀、抗氧化安定性、抗乳化度、抗泡沫性等性能指标。（三）润滑脂性能指标 润滑脂是由基础油加稠化剂制成的半液体润滑剂，它适用于下面几种情况：某些开放式润滑部位，起到润滑作用而又不会流失和滴落；在有尘埃、水分或有害气体侵蚀的情况下，要求有良好的密封性、防护性和防腐蚀性的场合；由于工作条件限制，而要求长期不换润滑剂的摩擦部位的润滑部位；摩擦部位的温度和速度变化范围较大的机械的润滑以及满足某些机械设备的封存、防腐、防锈上的需要。 润滑脂的性能指标有 1外观 良好的润滑脂，其颜色和稠度都应是均匀的，没有硬块颗粒，没有析油现象，表面没有干硬的皮层和稀软糊层。 2针入度 针入度是表示油脂稠度的指标。某润滑脂的针人度是指在25 温度下，重量为150g的标准圆锥体，在 5秒钟内沉入该润滑脂试样的深度（以 110mm为单位，表示时不标注）。脂的针入度越小，稠度就愈高，它不易进入摩擦副表面，而且内摩擦大、能耗高，但它的承载能力高，不易从摩擦面内被挤出来。 3滴点 它是决定润滑脂使用温度的指标。滴点测定仪的润滑脂被加热后，开始滴落时的温度称为润滑脂的滴点。润滑脂的使用温度一般应高于滴点2030，以保证可靠的润滑效果。 4抗腐蚀性 主要反映润滑脂对金属的腐蚀程度。除此之外，润滑脂还有胶体安定性、机械杂质、氧化安定性等性能指标。（四）液压油液压油的主要作用是传递液压能，其次是润滑、冷却、防锈、减震等作用，它的状态直接关系到液压机械运转的可靠性。反映液压油性能的主要指标及其测试方法与润滑油类似，不再重复。（五）添加剂 在很多情况下，基础油很难满足摩擦副对润滑剂提出的苛刻要求。因此，为了提高油品质量和满足使用性能还必须在润滑油品中加人少量一种或几种物质，以改善油品的某些性能，所添加的物质称为添加剂。一般极少量添加剂，就能显著改变油品的质量，这样就可避免润滑油复杂加工过程，又可解决一些加工精制仍不能满足的特殊要求，从而扩大优质润滑油产品的来源。 添加剂一般不单独作润滑材料。同一种添加剂，加到不同种类的基础油或不同类型的原油炼制的油，其效果也可能不完全相同，因此使用时必须通过试验，选择最佳品种和用量。 常用的润滑油添加剂包括清净分散剂、抗氧抗腐剂、油性添加剂、极压（抗磨）添加剂、增粘剂、降凝剂、抗泡沫剂、防锈剂等等。二、油液性能分析 对机械设备的润滑系统进行定期的油样理化性能测试分析，可以动态监测使用过程中润滑油质量变化情况，从而保证机械设备处于良好的润滑状态。同时也可以随机监测润滑油的质量指标变化情况，从而确定最合理的最经济有效的换油周期。 润滑油在使用过程中的变质和油品质量劣化，主要包括两方面。一是由于氧化、凝聚、水解、分解作用使油品产生永久性变质。可采用测量润滑油油样粘度变化、含水量、机械杂质、酸值及闪点变化等理化指标来分析判断。如果油品劣化程度超过一定限度（按质换油标准），则及时换油。表2-13 、2-14 给出了部分油品的质量界限值。二是润滑油中添加剂的消耗和变质。使用过程中，添加剂及其反应物也会发生变化。因此，必须定期对使用中的润滑油取油样进行添加剂含量的测定。发现添加剂含量减少，及时补充，以保持润滑油的特殊润滑性能。表2-13 液压油质量界限项目理化性能极限指标高粘度指数液压油低温液压油抗磨液压油普通液压油运动粘度(40)10m/s10%10%10%15%10%15%酸值增加mgKOH/g0.3水分%0.1闪点(开口) -60（不变）固体颗粒污染等级20/1620/1620/1620/16表2-14 汽轮机油换油界限指标界限酸值1.5（mgKOH/g）或0.2（mgKOH/g）而且有清洗不掉的低分子有机酸粘度新油粘度的25%抗乳化性能显著恶化，8分钟内分油少于95ml杂质含有磨损杂质除采用对使用中的润滑油主要理化指标变化现场作出快速鉴定外，近来国内外还出现用油液的综合质量对油液现场作出快速鉴定的技术及相应仪器。例如通过测定油液的透明度、介电常数的变化、污染度等参数来评定油液质量。三、油液监测与诊断技术 运用油液监测与诊断技术，在设备不停机、不解体的情况下监测工况，诊断设备的异常、异常部位、异常程度及原因，从而预报设备可能发生的故障，是提高设备管理水平、改善维护保养的一个重要手段，也是保证设备正常运转、创造经济效益的有效途径。该技术还可用于研究设备中摩擦副磨损机理和润滑机理，磨损失效过程和失效类型，用于进行润滑油品性能分析，新油品性能分析，确定油液污染程度以及油品合适的使用期限，用来确定合理的磨合工艺规范等。在对机械设备进行状态监测和故障诊断时，特别是利用振动和噪声监测诊断低速回转机械及往复机械的故障较为困难时，运用油液监测与诊断技术则较有效。油液监测与诊断采用的具体技术包括光谱技术、铁谱技术、颗粒计数技术、磁塞技术等，它们在技术原理、仪器工作原理及结构、检测油样的制备、数据处理、结果分析和应用范围等方面各具特点，选用时应予以注意。表2-15 为常用的几种油液分析方法的性能比较。（一）油液监测与诊断技术的实施步骤 1选择对生产、产品质量、经济效益影响较大的设备为监测对象，在深入了解该设备有关情况（功能、结构、运转现状、润滑材料及润滑系统现状等）的基础上，选择并制订合理的油液监测方案及技术。表2-15 油液分析技术的性能比较项目铁谱分析光谱分析颗粒计数磁塞磨粒浓度好（铁磨粒）很好好好（铁磨粒）磨粒形貌很好好尺寸分布好很好元素成分好很好 好磨粒尺寸范围（m） 10.11018025400局限性局限于铁磨粒及顺磁性磨粒，元素成分的识别有局限性不能识别磨粒的形貌、尺寸等不能识别磨粒的元素成分和形貌等局限于铁磨粒，不能做磨粒识别检测用时间长极短短长评价磨损机理分析及早期失效的预报效果很好磨损趋势监测效果好用作辅助分析、污染度分析可用于检测不正常磨损分析方式实验室分析、现场及在线分析实验室分析、现场分析实验室分析、现场分析在线分析 2选取油样，这是实施技术的重要环节。原始油样是测定磨损微粒、进而数据处理和分析、最后判断故障的基础，所取的油样中必须含有表征设备主要磨损部位信息的有代表性的磨粒，能正确反映磨损真实情况；要合理地确定取样间隔时间，表2-16 给出一组取样间隔时间参考值。应严格按规定的技术规范选取原始油样。表2-16 取样间隔时间参考值（h）监测机械类型跑合阶段正常磨损阶段失效前夕阶段地面液压系统8020080煤矿井下液压系统205020地面传动装置3010030煤矿井下传动装置3010030重型燃气轮机250500柴油机200蒸汽轮机250500飞机燃气轮机50 3制备检测油样，按照所选用的油液监测技术及仪器所规定的制备方法和步骤，认真制备。 4将检测油样送入监测仪器，定性、定量测定有关参数。 5进行检测数据处理与分析，视所选用的监测技术的不同，可以采用趋势法、类比法等处理数据和结果分析，进一步可应用数理统计、模糊数学等知识建立相应的计算机数据处理系统。 6根据数据处理分析的结果，判断设备的异常、异常部位、异常程度及原因，预报可能出现的问题以及发生异常的时间、范围和后果。7提出改进设备异常状况的措施（包括处理异常的时间、内容、费用，具体修理方案和实施）。（二）铁谱技术及仪器油品铁谱分析技术利用高梯度的强磁场的作用，将润滑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，从而判断机械设备的磨损状况，预报零部件的失效。铁谱技术的主要内容包括油品取样技术、铁谱仪及制谱技术、磨粒分析技术等。根据分离、检测磨粒的不同方法，铁谱仪主要分为分析式铁谱仪、直读式铁谱仪、旋转式铁谱仪等。1铁谱技术的特点 铁谱技术与其它技术相比，具有独特的优势，主要是 （1）应用铁谱技术能分离出润滑油中所含较宽尺寸范围的磨屑，故应用范围广。 （2）铁谱技术利用铁谱仪将磨屑重叠地沉积在基片或沉淀管中，进而对磨屑进行定性观察分析和定量测量，综合判断机械的磨损程度，同时还可对磨屑的组成元素进行分析，以判断磨屑产生地，即磨损发生的部位。 铁谱技术的缺点在于：对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低，例如在对含有多种材质摩擦副的机器（例如发动机）进行监测诊断时，往往感到不力；分析结果较多依赖操作人员的经验；不能理想地适应大规模设备群的故障诊断。2分析式铁谱仪 分析式铁谱是种常用的、重要的铁谱仪器，主要由铁谱制谱仪、铁谱显微镜和铁谱读数器组成。铁谱制谱仪主要用途是分离油样中磨损微粒并制成铁谱谱片，它由微量泵、磁铁装置、玻璃基片、特种胶管及支架等部件组成。分析式铁谱仪的工作原理如图2-27 所示。从设备润滑系统或液压系统取的原始油样经制备后，由微量泵输送到与磁场装置呈一定倾斜角度的玻璃基片上（亦称铁谱基片）。油样由上端以约15m/h的流速流过高梯度强磁场区，从基片下端流入回油管，然后排入储油杯中。在随油样流下的过程中，可磁化的磨屑在高梯度强磁场作用下，由大到小依序沉积在玻璃基片的不同位置上，沿磁力线方向（与油流方向垂直）排列成链状，经清洗残油和固定颗粒的处理之后，制成铁谱片。在铁谱显微镜下，对铁诺基片上沉积磨粒进行有关大小、形态、成分、数量方面的定性和定量分析后，就可以对被监测的设备的摩擦磨损状态作出判断。目前国内使用的分析式铁谱仪系统主要是：美国标准石油公司（Standard Oil Company）生产的双联式铁谱仪，我国北京科学仪器厂生产的FTP-l型分析式铁谱仪和重庆光学仪器厂生产的TPF-l型分析式铁谱仪。a）制谱仪的工作原理 b）铁谱片图2-27 分析式铁谱仪的工作原理 通过对磨粒色泽和化学辨色，可以识别出铁磁材料、有色金属和一些非金属物质；通过铁谱读数器可直接得到被测部位的磨粒覆盖面积百分数，这样分析式铁谱仪就具有定性和定量分析两种功能。3直读式铁谱仪 直读式铁谱仪主要用来直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分布，只能作定量分析，能够方便、迅速而较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量，因而能对设备状态作出初步的诊断，是目前设备监测和故障诊断的较好手段之一。如果不仅要了解磨损微粒的数量及分布情况，而且要观察分析磨粒的形态、表面形貌和成分等因素，作出较准确的诊断，就需使用分析式铁谱仪。 目前国内使用的直读式铁谱仪有美国SOHIO公司生产的DR型铁谱仪、北京科学仪器厂生产的ZTP型直读武铁谱仪和重庆光学仪器厂生产的TPD型直读式铁谱仪。直读式铁谱仪的工作原理如图2-28a 所示。取自机器的油样，经浓度及粘度稀释后，在虹吸作用下流经位于磁铁上方的玻璃沉淀管，油样中可磁化微粒在高梯度磁场作用下，依其粒度顺序排列在沉积管内壁不同位置上。在沉积管人口处，即在l2mm位置上沉积着大于5m的大磨粒，而在5mm之后的位置沉积着只有l2m的小磨粒（见图2-28b ）。 光导纤维将光线引至与上述两个位置相对应的固定测点上，并由两只光敏探头接收穿过磨粒层的光信号，经电子线路放大，AD转换处理最终在DL和 Ds两个数显屏上直接显示出磨粒沉积的覆盖值。4旋转式铁谱仪 分析式铁谱仪、直读武铁谱仪应用较广泛，分析技术较成熟，尤其是分析式铁谱仪同时具有定量和定性分析双重功能。但是这些铁谱仪对污染严重的油样（例如煤矿机械或工程机械内的润滑油等）的定量和定性分析效果不好，主要是制谱过程中，润滑油中的污染物会滞留在铁谱片上，如果滞留数量较多，将影响对磨粒的观测。a）直读式铁谱仪的原理 b）沉积管内的磨粒排序图2-28 直读式铁谱仪的工作原理旋转式铁谱仪克服了上述缺点，同时又保留了分析铁谱可以分析观察磨粒形貌、尺寸大小、材质成分等优点。为避免由于磁力线垂直于基片而造成铁磁性磨屑堆积重叠的缺点，旋转式铁谱仪重新设计了磁场，它是利用永久磁铁、极靴和磁轭共同构成闭合磁路，以极靴上的3个环形气隙（0.5mm的窄缝）作为工作磁场。工作位置的磁力线平行于玻璃基片，当含有铁磁磨屑的润滑油流过玻璃基片时，铁磁磨屑在磁场力的作用下，滞留于基片上，而且沿磁力线方向（径向方向）排列。旋转式铁谱仪的制谱原理如图2-29 所示。制谱时，油样2由定量移液管1在定位漏斗的限位帮助下，被滴注到固定于磁头4上端面的玻璃基片3上。磁头、基片在电机5的带动下旋转，由于离心作用，油样沿基片四周流动。油作中铁谱性及顺磁性磨属在磁场力、离心力、液体的粘滞阻力、重力作用下，按磁力线方向（径向）沉积在基片上，残油从基片边缘甩出，经收集由导油管排人贮残油杯。基本经清洗、固定和甩干处理后，便制成了谱片。 图2-29 旋转式铁谱仪的工作原理旋转式铁谱仪制出的铁谱片，磨屑排列为3个同心圆环，内环为大颗粒，大多数为l50m，最大可达几百微米，中环为 l20m，外环10rn。对于工业上磨损严重并有大量大颗粒及污染物的油样，采用旋转式铁谱仪可以不稀释油样一次制出，对于磨屑比较少的油样则可以增加制谱油样量。制出的谱片还可以在图象分析仪上进行尺寸分布的分析。5磨粒分析 运转中的设备的液压系统、润滑系统的油液必然受到污染，其污染物主要来源于三个方面：机械零部件在磨损过程中生成的磨损微粒；外界灰尘或水等物质侵人油液中；油液中添加剂反应后的余物。实践证明，磨损微粒是最常见、危害最严重的污染物。一方面，这些磨损微粒由各种金属、非金属材料组成，对油液起氧化、催化作用，加速油液劣化；另方面，材质较硬。又随油液流人各磨擦表面，划伤、研伤零件表面，造成间隙增大、精度下降、振动和噪声产生。在液压系统中，甚至堵塞油路、研伤高精度问芯配合面，造成更大事故。磨损颗粒的数量、尺寸大小、尺寸分布、成分和形貌特征都直接与机械零件的磨损状态密切相关，它们是机械设备状态监测、故障诊断以及初期预报的重要依据。 铁谱技术的特点在于它不但能定量测量润滑油系统内大、小磨粒的相对浓度，而且能直接考察磨粒的形态、大小和成分，后者更是它的独到之处。因此，在铁谱片上从数以百万计的千姿百态微观物质中准确地识别各类磨粒，便是每个运用铁谱技术开展设备故障诊断工作的人员所必须掌握的一门独特技术。为此，国外在总结了十几年实践经验的基础上，编辑并发表了几百张典型磨粒图谱。近几年来，我国也在一些专业领域中陆续编辑了有关轴承、齿轮、柴油机、液压系统等特定零件、系统和设备的磨粒图谱，这些都为运用铁谱技术定性分析提供了宝贵的参考资料。（1）钢铁磨损微粒的识别 实验研究表明，由于磨损机理不同，其摩擦副表面会产生出不同形态及尺寸特征的磨屑。钢或合金钢材质组成的摩擦副，在运转时磨损产生的微粒可分为以下几类。 1）正常磨损微粒 正常磨损微粒是指设备在正常运行状态下，由于滑动磨损所产生的磨损微粒。 当摩擦副磨合时，磨损表面上会形成一层厚度大约为1m的光滑表层-剪切混合层，形成稳定的剪切混合层后机器就处于正常磨损状态。在运行时，由于摩擦力的周期性作用，因疲劳而产生小片剥落，这一层不断剥落又不断产生，从而形成一个稳定的磨损状态。这时的磨屑是一些具有光滑表面的“鳞片”状颗粒，其尺寸范围是长轴尺寸从0.5m到15m，甚至更小，厚度在0.151m之间。较大的磨屑，其长轴尺寸与厚度的比例约为10:1，长轴仅为0.5m的小磨屑，长轴尺寸与厚度的比例约为3:l。 2）严重滑动磨损微粒 当滑动表面由于载荷或速度过大时，造成磨损表面接触应力迅速增大，这时开始发生严重滑动磨损。这时剪切混合层变得很不稳定，出现大颗粒脱落。如果表面应力继续增加，就会造成整个表面发生剥落，出现破坏性磨屑，磨损速度将迅速加快。大磨屑与小磨屑间数量比，决定于表面应力超过极限值的程度，应力值越高，大磨屑物比例就越高。 严重滑动磨损磨屑尺寸在20m以上，长轴尺寸与厚度的比约为10:1，微粒表面有划痕，有直的棱边。随着磨损程度的加重，表面的划痕和直边也更显著。 3）切削磨损微粒 切削磨损微粒类似车床切削加工产生的切屑，这种磨粒形态一般有环状、螺旋状、曲线状等。产生切削磨损微粒的原因大约有两种：一是摩擦副中较硬的一方由于安装不良或出现裂纹，造成硬的刃边，穿入较软的一方产生磨屑。这种磨屑通常都比较粗大，平均宽度为25m，长度为25100m。另一种是润滑系统中的外来污染颗粒或是系统内的零件磨损微粒，均可嵌入摩擦副中软的摩擦表面，在摩擦过程中产生切削磨损微粒。这种情况下产生的磨屑粒度与污染颗粒的粒度成正比，磨屑厚度可小到0.25m，长度可达5m。 切削磨损微粒是非正常磨损微粒，它们的存在和数量多少要仔细监测。如果系统中大多数切削磨损微粒的长度为几个m，厚度小于lm，可以判断润滑系统中有粒状污染物存在；如果系统中长度大于 50m的大切削微粒快速增加，零件即将可能发生失效。 4）滚动疲劳磨损微粒 这种微粒通常产生于滚动轴承的疲劳过程中，它包括三种不同形态：疲劳剥离磨屑，球状磨屑和层状磨屑。 a疲劳剥离磨屑是在点蚀时从摩擦副表面以鳞片形式分离出的扁平形微粒，表面光治，有不规则的周边。磨属的最大粒度可达100m，其长轴尺寸与厚度之比约为10:1。如果系统中大于 10m的疲劳剥离微粒有明显的增加，这就是轴承失效的预兆，可对轴承的疲劳磨损进行初期预报。 b球状磨屑是在轴承疲劳裂纹中产生的，它的出现，表示轴承已经出现故障，所以球状微粒是滚动轴承疲劳磨损的重要标志。一般说来，球状磨屑都比较小，大量的磨屑直径小于3m，而其它原因例如液压系统中的气穴腐蚀、焊接和磨削加工过程中产生的球形金属微粒的直径往往大于 10m，两者粒度大小的差别可作为区分依据。 c层状磨屑是第三种滚动疲劳磨屑。其粒度在2050m范围内，长轴尺寸与厚度之比为30:l。这种层状磨屑被认为是因磨损微粒粘附于滚动元件的表面之后，又通过滚动接触碾压而成的。它的特征是呈片状，四周不规则，表面上有空洞。 层状磨屑在轴承的整个使用期内都会产生，特别是当疲劳剥落发生时，这种层状磨屑会大大增加，同时伴有大量球状磨屑产生。因此，如果系统中发现有大量层状磨属和球状磨屑存在，而且数量还在增加，就应当预报滚动轴承已存在导致疲劳剥离的显微疲劳裂纹了。 5）滚动-滑动复合磨损微粒 滚动-滑动复合磨损也属疲劳磨损，它是齿轮副、凸轮副等摩擦副的主要损坏原因。齿轮的齿面在啮合过程中，相对滚动和滑动同时并存，所以齿轮的磨损形式包括滚动疲劳磨损和粘着磨损两种。在节线处的磨损类型主要是疲劳及胶合和擦伤。疲劳磨屑与滚动轴承所产生的磨屑有许多共同之处，它们通常均具有光滑的表面和不规则的外形，磨屑的长轴与厚度之比为4:1到10:1（由齿轮设计决定）。滚动-滑动复合磨损微粒的特点是磨屑较厚（几个微米），长轴与厚度比例较高。 齿轮胶合时，因载荷和速度过高，摩擦过热使油膜破坏，致使处于啮合的齿轮发生粘着。摩擦表面被拉毛，这就更进一步导致了磨损的加剧。胶合区域一般发生在节线与齿顶或节线与齿根之间，这一现象一旦发生就会很快影响到每一个轮齿，产生大量的磨屑。这种磨屑都具有被拉毛的表面和不规则的轮廓，在一些大磨屑上具有明显的表面划痕。由于胶合的热效应，通常有大量氧化物存在，表面出现局部氧化的迹象，在白光照射下呈棕色或蓝色的回火色，其氧化程度决定于润滑剂的组成和胶合的程度。胶合产生的大磨损微粒比例并不十分高。 以上介绍的5种主要磨屑，是钢铁磨损微粒的主要形式，其中后4种都与钢铁部件的失效相联系，通过对谱片上磨屑形状、大小的识别就可以了解到，机械的磨损原因和所处状态。不同的机械设备对部件精度要求不同，预报失效的磨屑粒度也不相同。一般机械通常出现小于5m的小片形磨属表明机器处于正常磨损状态，当大于5m的切削形、螺旋形、图形和弯曲形微粒大量出现时，则是严重磨损的征兆。（2）有色金属磨粒 除钢铁磨屑外，一些系统内含有色金属的部件，必须对有色金属磨屑进行识别。在铁谱片上有色金属微粒不按磁场方向排列，以不规则方式沉淀，大多数偏离铁磁性微粒链，或处在相邻两链之间，它们的尺寸沿谱片的分布与铁磁性微粒有根本的区别。 1）白色有色金属 使用x射线能谱法可以准确无误地确定磨屑成分，在铁谱显微镜下不易简单地辨识白色的有色金属微粒，但用温化学分析和铁谱片加热处理方法还是能区分例如铝、银、铬、镐、镁、铝、钛和锌等。 2）铜合金 铜合金有特殊的红黄色，因而易于识别。但注意与其它金属微粒的回火色相混淆，例如钢铁微粒在磁力线上可与铜合金区分。其它金属如钛、巴氏合金等呈棕色，颜色不如铜合金均匀。 3）铝、锡合金 由于铝、锡合金有良好的塑性，在摩擦过程中擦伤后辗成片而不是大片剥落，同时磨屑往往是已经氧化了的，所以在铁谱片上经常可以看到许多游离的铝、锡合金磨屑。例如，如果轴承润滑不良，或者在设备起动和停车时，轴承的油膜被破坏产生氧化磨损，这时就会产生被氧化了的铝、锡合金磨屑。 铝、锡合金的另一种磨损是腐蚀磨损。例如柴油机燃料中的硫形成硫酸，汽油发动机中油氧化形成的有机酸都会腐蚀铝、锡轴承合金，造成极细的腐蚀磨损微粒，往往在铁谱片的出口端大量沉积。（3）铁的氧化物的辨别 铁谱片上出现铁的红色氧化物，表明润滑系统中有水分存在；如果铁谱片上出现黑色氧化物，说明系统润滑不良，在磨屑生成过程中曾经有过高热阶段。 1）铁的红色氧化物磨屑有两类。一类是多晶体，在白色反射光下呈桔黄色，在反射偏振光下呈饱和的桔红色，如果铁谱片上有大量此类磨屑存在（特别是大磨屑存在），说明油样中必定有水。另一类是扁平的滑动磨损微粒，在白色反射光下呈灰色，在白色透射光下呈无光的红一棕色，因反光程度高，容易与金属磨属相混淆，如果仔细观察则会发现，这种磨屑在双色照明下不如金属颗粒明亮，在断面薄处有透射光。铁谱片中有此类磨屑出现，说明润滑不良，应采取相应对策。 2）铁的黑色氧化物 铁的黑色氧化物微粒外缘为表面粗糙不平的堆积物，因含有Fe3O4，-Fe2O3，FeO等混合物质，具有铁磁性，在铁谱片上以铁磁性微粒的方式沉积。当铁谱显微镜的分辨率接近低限时，有蓝色和桔黄色小斑点。铁谱片上存在大量黑色铁的氧化物微粒时，说明润滑严重不良。 3）深色金属氧化物 局部氧化了的铁性磨屑属于这类深色金属氧化物，这些微粒是润滑不良的反应，说明在其生成过程中被过热氧化。大块的深色金属氧化物的出现，是部件毁灭性失效的征兆，而小量的较小的深色金属氧化物与正常摩擦磨损微粒一起沉积时，还不是发生毁灭性失效的表征。（4）润滑剂的变质产物的识别 1）摩擦聚合物 润滑剂在临界接触区受到超高的压力作用下，其分子发生聚合反应而生成大块凝聚物。油样中存在摩擦聚合物的特征是细碎的金属磨损颗粒嵌在无定形的透明或半透明的基体中，这种基体就是由上述凝聚物构成的。 油样中存在摩擦聚合物可能表示有问题，这要取决于环境。若油的使用合适，油中适当会有一些摩擦聚合物可以防止胶合磨损。但摩擦聚合物过量对机器有害，它会使润滑油粘度增加，堵塞油过滤器，使大的污染颗粒和磨属进人机器的摩擦表面，造成更大的磨损。在一种通常不产生摩擦聚合物的油样中见到摩擦聚合物，意味着已出现过载现象。 2）润滑剂变质产生的腐蚀磨属是非常细小的微粒，其尺寸在亚微米级，腐蚀磨屑沉积的部位是在铁谱片的出口处。 3）二硫化钼 二硫化钼是一种有效的固体润滑剂，铁谱上的二硫化钼往往表现多层剪切面，而且有带直角的直线棱边，具有金属光泽，颜色为灰紫色。二硫化钼具有反磁性，往往被磁场排斥。 4）污染颗粒 污染颗粒包括新油中的污染、道路尘埃、煤尘、石棉屑、过滤器材料等，必要时可参考标准图谱识别。五、光谱技术及仪器油液分析的光谱技术是机械设备状态监测、故障诊断中应用最早的最成功的现代技术之一，它可以有效地监测机械设备润滑、液压系统中油液所含磨损颗粒的成份及其含量的变化，同时也可以准确地检测油液中添加剂的状况及油液污染变质的程度。润滑油液中各磨损元素的浓度与零部件的磨损状态有关，故可根据光谱监测结果来判断零部件磨损状态及发展趋势，从而达到诊断机器故障的目的。因此，光谱技术已成为机械设备油液监测的重要方法之一。光谱技术的局限性在于不能识别磨粒的形貌、尺寸，不能判断磨损类型。用于油液监测与诊断的光谱技术目前主要是原子发射光谱技术和原子吸收光谱技术。（一）原子发射光谱技术和仪器 各种元素都是由原子组成的，原子又由原子核及绕核旋转的电子组成，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，这种状态称为基态，当物质受到外界能量（电能、热能等）作用时，校外电子就跃迁到高能级，处于高能态的原子很不稳定，被称为激发态。激发态原子可存在时间约10s，当它从高能态跃迁至基态或较低能级时，多余的能量便以光的形式释放出来，若使辐射光通过棱镜或光栅，就能得到按一定波长顺序排列的图谱，即光谱。 气体的原子或离子，受激发后辐射的光谱，是一些单一波长的光，即线光谱。利用物质受电能或热能激发后辐射出的特征线光谱来判断物质组成的技术，就是原子发射光谱技术。根据特征谱线是否出现来判断某物质是否存在，根据特征谱线的强弱来判断该物质含量的多少。 采用光电直读光谱仪测定润滑油中各种金属元素的浓度，其工作原理是：用电极产生的电火花作光源，激发油中金属元素辐射发光，将辐射出的线光谱由出射狭缝引出，由光电倍增管将光能变成电能，再向积分电容器充电，通过测量积分电容器上的电压达到测量试油内金属含量浓度的目的，如果测量和数据处理由微机控制，则速度更快。 图2-30 是美国Baird公司MOA型直读式发射光谱仪的原理图。它是目前较为先进的润滑油分析发射光谱仪。仪器工作原理是：激发光源采用电弧，一极是石墨棒，另一极是缓慢旋转的石墨圆盘。石墨圆盘的下半都浸入盛在油盘样的被分析油样中，当它旋转时，便把油样带到两极之间。电弧穿透油膜使油样中微量金属元素受激发发出特征辐射线，经光栅分光，各元素的特征辐射照到相应的位置上，由光电倍增管接受辐射信号，再经电子线路的信号处理，便可直接检出和测定油样中各元素的含量（ppm）。该仪器分析容量大，精度高，分析可靠，分析速度快。仪器操作简单，原始油样不须处理即可直接送检，环境条件要求低。特别适合大规模含有多种材质摩擦副（例如，内燃机发动机、飞机发动机等）的设备群体监测。图2-30 直读式发射光谱仪的工作原理（二）原子吸收光谱技术和仪器 原子吸收光谱技术是将待测元素的化合物（或溶液）在高温下进行试样原子化，使其变为原子蒸气。当锐线光源（单色光或称特征辐射线）发射出的一束光，穿出一定厚度的原子蒸气时，光的一部分被原子蒸气中待测元素的基态原子吸收。透过光经单色器将其它发射线分离掉，检测系统测量特征辐射线减弱后的光强度。根据光吸收定律就能求得待测元素的含量。图2-31 是原子吸收光谱仪工作原理图。润滑油试样经过预处理后送入仪器，由雾化器将试液喷成雾状，与燃料气及助燃气一起进入燃烧器的光焰中。在高温下，试样经去溶剂化作用。挥发及离解，润滑油中的待测物质（例如铁元素）转变为原子蒸气。由待测含量的物质（例如铁）相同元素做成的空心阴极灯辐射出一