铁谱分析技术在大机油液监测中的应用毕业论文.doc

西南交通大学本科毕业设计 论文 第 I 页 铁谱分析技术在大机油液监铁谱分析技术在大机油液监 测中的应用毕业论文测中的应用毕业论文 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 油液分析技术概述 1 1 2 铁谱分析的发展 2 1 2 1 铁谱分析的由来 2 1 2 2 铁谱分析技术的发展过程 3 1 2 3 铁谱分析技术的发展趋势 4 1 2 4 铁谱分析技术的应用领域 4 1 3 论文研究内容 方法及意义 5 1 3 1 论文研究的内容和方法 5 1 3 2 论文研究的意义 6 第 2 章 铁谱分析技术 7 2 1 铁谱分析技术的基本原理和方法 7 2 1 1 铁谱分析技术的原理 7 2 1 2 铁谱分析技术的基本方法 7 2 2 铁谱分析技术的特点 8 2 3 铁谱仪的分类 9 2 3 1 直读式铁谱仪 10 2 3 2 分析式铁谱仪 12 第 3 章 铁谱取样及制作技术 14 3 1 铁谱取样技术 14 3 1 1 铁谱分析油样取样位置 15 3 1 2 铁谱分析油样取样工具 16 3 1 3 铁谱分析油样取样周期 16 3 1 4 取样方法及要求 17 3 1 5 大机的取样种类 取样部位及取样周期 17 3 2 铁谱油样处理 20 3 2 1 油样的加热与搅拌 20 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 II 页 3 2 2 油样的稀释 20 3 2 3 直读铁谱仪操作 21 3 2 4 分析式铁谱仪操作 22 3 2 5 铁谱显微镜的运用 23 第 4 章 铁谱分析技术的分析方法 25 4 1 定量分析 25 4 1 1 铁谱定量分析的定量指标 25 4 1 2 定量分析方法 25 4 2 定性分析 26 4 2 1 光学显微分析 26 4 2 2 铁谱片加热分析 27 4 2 3 定性分析方法的运用步骤 27 第 5 章 大型养路机械简介 28 5 1 养路机械的特点和分类 28 5 1 1 养路机械的特点 28 5 1 2 养路机械的分类 28 5 2 常见大型养路机械 28 5 2 1 MDZ 机组 28 5 2 2 大型道床清筛机械 29 5 2 3 钢轨打磨列车 30 5 3 大机磨损故障主要发生位置 33 第 6 章 大型养路机械油液铁谱分析判定 31 6 1 正常磨损期的磨粒 31 6 2 异常磨损期的磨粒 32 6 2 1 疲劳剥落磨粒 32 6 2 2 层状磨粒 33 6 2 3 球形磨粒 33 6 2 4 严重滑动磨粒 34 6 2 5 切削磨粒 35 6 2 6 腐蚀磨粒 36 6 3 铁的氧化物 36 6 3 1 红色氧化铁多晶体团粒 36 6 3 2 红色氧化铁磨粒 37 6 3 3 黑色氧化铁磨粒 37 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 III 页 6 4 有色金属磨粒 38 6 4 1 铝磨粒 38 6 4 2 铜合金磨粒 39 6 4 3 铅 锡合金 39 6 5 污染物 39 6 6 铁谱片加热分析法 40 6 7 小结 41 致谢 42 参考文献 43 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1 页 第 1 章 绪论 1 11 1 油液分析技术概述 油液分析技术 又称为设备磨损工况监测技术 是一种新型的设备维护技术 油液 润滑油和液压油 在设备中的各个运动部位循环流动时 设备的运行信息会 在油液中留下痕迹 通过对工作油液的合理采样并进行必要的分析处理 就能取得 关于该机械设备各摩擦副的磨损状况 磨损部位 磨损机理以及磨损程度方面的信 息 这些信息主要包括以下三个方面 1 油液中设备磨损颗粒的分布 2 油液本身的物理和化学性质的变化 3 油液中污染物质的构成以及分布 油品分析包括三个方面 油品状况 污染度 设备磨损状况 1 油品状况 通过检测对在用油品 我们可了解其状态 从而判定其是否可以 继续使用或者应该更换 2 污染度 从设备外部进入的灰尘 水以及其它污染物是设备发生故障和失效 的主要原因 污染度增加 意味着我们需要采取措施 保证设备的有效润滑 以避 免不必要的机械磨损 3 设备磨损状况 设备发生异常磨损后 其磨损颗粒成指数级上升 对这些磨 粒进行检测分析 有利于我们得出正确及时的保养和维修方案 以避免因个别部件 磨损严重而导致设备失效 如需尽量减少设备磨损 就必须使用合适 干净的油品 油样分析技术是在不停机 不解体的情况下对机械设备状态监测和故障诊断的 重要手段 特别是对于低速回转机械及往复机械 利用振动和噪声监测技术判断故 障较为困难时 油液分析技术更为有效 油样分析的主要技术和方法有以下几个方面 1 油样光谱分析技术 目前主要有原子吸收光谱分析技术 原子发射光谱分析 技术两种 油样光谱分析法是指用原子吸收或原子发射光谱分析润滑油中金属的成 分和含量 判断磨损的零件和磨损的严重程度的方法 油样光谱分析方法不但可以 定性地判断磨损的金属元素 而且可从金属元素含量的多少 定量地判断零件磨损 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2 页 的程度 2 铁谱分析技术 其基本的方法和原理是把铁质磨粒用磁性方法从油样中分离 出来 在显微镜下或用肉眼直接观察以进行定性及定量分析 这种方法不仅可以提 供磨粒的类别和数量的信息 而且还可进一步提供其形态 颜色和尺寸等直观特征 3 油品理化分析方法 即测定油品的理化性能指标 根据油品的品质决定润滑 油或液压油是否继续使用 常规的理化分析主要项目有 运动粘度 水份 闪点 机械杂质 酸碱值等 4 颗粒计数器分析技术 对油样内的颗粒进行粒度测量 并按设定的粒度范围 进行计数 从而得到有关磨粒粒度分布方面的信息以判断机器磨损的状况 5 红外光谱分析技术 使用红外光谱对润滑油和液压油进行分子分析 可以获 得包括添加剂 污染等在内的分子类型信息 可以测量出油品的氧化 硝化 硫化 浓度水平 以及积炭浓度和流体污染 水和冷却剂泄漏 1 1 2 2 铁谱分析的发展 1 2 1 铁谱分析的由来 设备运行情况的好坏直接影响着生产的效益 任何机械系统中 伴随相接触的 零件间的相对运动 都会发生磨损 因此 机械零部件的磨损失效是最常见的 最 主要的失效形式 有 80 的机械设备失效是因磨损引起的 由于运动零部件表面的磨损 就会产生磨屑微粒 并且进入机械的润滑系统巾 大多数磨屑微粒在油液中呈悬浮状态 这些微小的磨损颗粒是表面磨损过程的产物 它们带来厂机械设备失效和故障的主要信息 20 世纪 70 年代初 美国麻省理工学院的 W W Seifert 博士和波音飞机公司的 Yc westcott 工程师合作 针对监测飞机机械磨损状况 避免空难事故的课题开展 研究 创造出能对 10 m 以上磨损颗粒进行观察的机械磨损检测技术 第一次把磨 损这一话题引入到微观领域 成功地预报了波音飞机的机械故障隐患 这项成果核 命名为 ferrography 80 年代初引入我国后 被译为 铁谱分析技术 沿用至今 铁谱分析技术应用于波音飞机故障预测 创造出可观的经济效益 迅速在世界 各国推广运用起来 我国参加了世界铁谱磨粒分析技术组织 国内成立了全国铁谱 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 3 页 分析技术委员会 许多企业应用铁谱磨拉分析技术方法 开展了机械设备故障早期 预测 成功地杜绝了很多起恶性故障 1 2 2 铁谱分析技术的发展过程 现代工业技术的迅猛发展促使大型设备不断滑现和完善 大型设备在润滑方面 出现的问题和造成的损失就越来越引起重视 当时的工程技术人员就开始研究润滑 的重要性和润滑油中发现的磨粒与磨损的关系 1941 年 美国西方铁路公司首先将 润滑泊化验手段用于监测火车机车润滑油状态 为杜绝恶性事故起到了好的效果 标志着磨粒分析技术的诞生 这一技术迅速推广到了军事方面 并得到长足的进步 与完善 第二次世界大战后 铁谱分析技术在民用和军用两个领域均得到发展和完善 随着大规模现代工业的发展和与之相配套酌设备维修体制的建立健全 润滑油油液 分析技术逐步受到广泛的关注 成为钢铁 能源 电力 船舶 设备制造 汽车工 业 航空运输等行业设备管理与维修的重要工具 欧洲各工业发达国家陆续在设备 管理中采用了这一技术 在美国除了民用企业对铁谱分析技术重视外 军事方面也 表现了很高的积极性 建立了 三军润滑袖 油液分析技术计划和相应机构 广泛 开展了利用铁谱磨检分析技术对设备故障预测与诊断的研究与应用 1972 年 第一 台民用铁谱仪在美国波音飞机公司诞生 使铁谱分析技术进入到了微观领域 将这 种分析技术扩展到事故前的设备磨损状态监侧与故障诊断这一新的领域 到了 20 世 纪 80 年代 世界各国的铁谱分析技术进入到了包括车用发动机 船用发动机 汽轮 机 各类齿轮箱 液压系统工况监侧等广大领域 这一技术自身在理论上 装备上 都得到革命性的进步 20 世纪 90 年代以后 发射光谱分析技术 红外光谱分析技 术等理化分析技术的出现 使铁谱分析技术反映的信息更系统 更全面 分析的速 度更快 精度更高 运用范围更广 产生的经济效益也越来越大 随着各种工业设 备和国防装备自动化程度的不断提高 现代社会对设备的运行可靠性和安全性提出 了越来越高的要求 以设备故障预测为目的的铁谱分析技术得到了更加广泛的应用 分析的仪器越来越精密 铁谱分析技术已经成为航天 航空 国防 电力 能源 冶金 矿山 铁路 公路运输 石油化工等部门机械设备管理的重要方法 在保障 设备运转安全性 工作可靠性 延长设备使用寿命和提高设备综合效益方面发挥了 显著作用 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 4 页 1 2 3 铁谱分析技术的发展趋势 计算机信息处理技术与人工智能理论的引入传统的人工定性铁谱分析一直存在 着对分析人员专业化程度要求高 定量化信息量少 精度低和分析数据及谱片管理 困难等缺点 随着计算机信息处理技术与人工智能理论的应用 必将克服上述缺点 使铁谱技术向高智能的自动识别与诊断方向发展 引入计算机信息处理技术与人工 智能理论 可以取得如下进展 1 利用计算机图像处理技术和图像分析系统 能够在预处理磨粒图像后提取磨 粒统计特性 单个磨粒的数字形状特性 从而为磨粒及其磨损机理的识别提供科学 依据 2 利用人工智能技术和专家系统原理 开发磨粒的计算机辅助识别专家系统 根据用户输人的磨粒特性 由推理机完成对磨粒的识别和磨损状态的判断 即实现 磨粒的智能识别与铁谱技术状态的智能诊断 3 利用计算机数据库技术开发铁谱分析信息管理系统 利用数据库存储和管理 以往磨粒及铁谱数据 目前 国内外铁谱研究者在将计算机信息处理技术运用于铁谱分析方面作了大 量工作 但达到高效实用的磨粒自动识别阶段还需要进行深人的研究 在这一方面 基于神经网络的磨粒自动识别和机械磨损故障诊断是一条新路 目前开发的系统有 待于进一步完善和实践的检验 此外 磨粒自动识别及诊断与数据库相结合 组成 完整的高智能自动识别诊断管理系统是铁谱技术的发展方向和目标 1 2 4 铁谱分析技术的应用领域 铁谱分析技术在上述部门得到应用和推广 涉及的领域主要是以下几个方面 1 机械设备状态监测与故障预测和故障诊断 铁谱分析技术主要用于机械设备状态监测与故障诊断 已被广泛应用于交通运 输 冶金 机械制造 采矿及军工等各个领域中机械设备工况监侧与故障诊断 成 为机械设备实现从定期拆卸维修转变到预防维修的技术保障 铁谱分析技术的发展 和普及丰富了原来主要以振动监测为主的设备故障诊断及早期预报技术 2 摩擦副磨损机理研究 金属的磨损是一个复杂的过程 不仅与材料性能有关 而且还与接触条件 润 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 5 页 滑条件 滑动速度 温度和环境等条件有关 由于磨损磨屑的形貌特征与摩擦磨损 机理密切相关 因此将磨损磨屑从油样中分离出来并加以详细分析 铁谱分析技术 已成为机械摩擦磨损与润滑领域重要的研究工具之一 美国的 P Sun 教授 1973 年发 表的金属磨损的新理论描述 磨屑的脱层理论的实验手段之一就是铁谱技术 铁谱 技术已被公认为用于研究材料磨损基本过程的一个重要工具 3 油液污染程度分析 4 润滑油品技术研究及润滑材料的改进与开发 润滑油的铁谱分析与检测发观 不同的润滑油经表面摩擦作用便产生不同的摩 擦聚合物 摩擦聚合物微粒的形态可以表明润滑油添加剂的类型和它的作用方式 采用铁谱分析技术可以获得有关润滑油及添加剂对摩擦磨损影响的各种结果 从而 有助于润滑剂配方的选择及添加荆的确定 通过铁谱分析 还可对润滑油的老化及 变质作出评定 由于该技术能够评定润滑油的性能 因此石油公司和润滑油添加剂 生产厂也成为铁谱分析技术的用户 5 生物工程及医学领域 铁谱分析技术已成功地用于人工关节及人体关节润滑液中磨损颖粒的分析 成 为关节炎 关节及退化关节诊断和人体移植关节磨损研究的辅助手段 特别是对人 体关节润滑荆中粒子的分析 包括对非金属材质磨屑的分离处理 国外已建立了整 套专门的方法 出现了所谓的 医学铁谱技术 铁谱技术还可与磁流体共同用于人 体血液中细胞的分离 制谱和分析 6 新机器样机的检测和鉴定 频繁的产品更新换代 要求机器从设计到工业应用之间的间隔不断缩短 也要 求样机实验时间相应缩短 通过铁谱技术可以在不拆卸机器的情况下 通过润滑油 中磨屑的情况获得摩擦副相应零部件的运转 磨损等情况 为新机器的检测及鉴定 提供可靠的技术保障 促进了现代机械设计方法的形成 1 3 论文研究内容 方法及意义 1 3 1 论文研究的内容和方法 通过查阅铁谱分析技术相关文献资料 筛选与课题相关的各种规程守则 灵活 运用专业知识 结合实习中得到的现场资料 分析单位对于大型养路机械各个部位 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 6 页 油样的实验数据 再综合路局前辈们的实践经验 做出基本可以用于现场的大型线 路机械油样铁谱分析判定标准 研究的内容包括 1 较深入的了解铁谱分析技术的相关原理 进行铁谱分析的各种方法 2 进一步熟悉铁谱仪的操作规程 润滑油取样规范 3 根据分析铁谱检测数据 对比铁谱判断标准得出结论 1 3 2 论文研究的意义 在机械运转过程中 摩擦 磨损是极为普遍的现象 磨损是大多数机械部件 工作效率降低 丧失准确度乃至报废的主要原因 通过铁谱分析技术对大机设备进 行磨损监测 可以发现故障隐患 及时进行纠正 最大限度地避免突发事故或恶性 事故的发生 同时 通过监测机械磨损状态 可以采取针对性的措施 尽量减少无 用的摩擦消耗 预防过量磨损 从而提高大机使用效率及使用时间 减少机械维修 次数及费用 这样既能取得更好地经济效益 又节省了能源和材料 多年来 以油液状态监测为核心的大型养路机械状态监测与维修 对在用设备 润滑 磨损状态的连续监控 设备的故障检修以及指导冬检工作进行合理的状态面 取得了较为明显的经济效益和社会效益 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 7 页 第 2 章 铁谱分析技术 2 1 铁谱分析技术的基本原理和方法 2 1 1 铁谱分析技术的原理 利用高梯度磁场的作用将机器摩擦副产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来 并使其按照尺寸大小依次沉积在一显微基片上而制成铁谱片 然后置于铁谱显微镜 或扫描电子显微镜下进行观察 或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内 通过光 学方法进行定量检测 以获得摩擦副磨损过程的各类信息 从而分析机器的磨损机 理和判断磨损的状态 铁谱技术对磨粒的识别与分析主要分为定性分析和定量分析两种方式 所谓定 性铁谱分析主要是对磨损颗粒的形态 形状及表面形貌 尺寸进行观察 从对磨粒 形态特征 颜色 尺寸大小和差异程度以及材质成分组成的分析 来判断机器零部 件的磨损类型 部位 严重程度及磨损机理 定量铁谱分析则是借助铁谱片 或铁 谱沉淀管 上磨粒的百分覆盖面积来确定不同尺寸磨粒的相对含量 从而定量地给出 机器磨损速度估计 2 1 2 铁谱分析技术的基本方法 铁谱磨粒分析技术的基本方法是预先在设备的润滑系统和液压系统的重要部位 设置若干袖取样油点 定期采集样品袖 然后对样品袖进行一系列技术处理 将悬 浮在袖液中的磨损微粒分离出来制成铁谱基片 放到显微镜下观察 分析辨认其性 质和状态 必要时还可放到电子显微镜下通过能谱来确认这些微粒的成分 找出故 障特征粒 并把这些特征拉的资料输入计算机存储 经过长期分析积累 建立起特 征微粒资料数据库 同时将设备中各种易磨损零件的材质成分的详细资料也输入计 算机 建立材料信息数据库 这两种数据库经过不断完善 比较 建成模式识别基 准库 当把最新制成的铁谱基片资料输入计算机 与已有的识别基准进行比较 就 可得到设备中各零件的磨损情报 专家根据计算机提供的情报 及时向维修工和设 备使用者通报受检设备的最新状况 没有问题则可大胆使用 不必定期计划检修 造成浪费 如有问题则可有准备 有计划地对有问题的部位进行有的放矢的检修 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 8 页 将事故消灭在萌芽状态 由此将产生可观的经济效益 维修工人形象地称之为给设 备 化验肝功 现代设备上应用这项技术 可以为事前预知故障提供科学依据 节 约大笔维修费用 节约大量时间 2 2 铁谱分析技术的特点 多年来的工业应用表明 铁谱技术具有以下基本特点 1 具有较宽的磨粒尺寸检测范围和较高的检测效率 机械设备摩擦副磨损状态的发展与磨损颗粒的尺寸和数量变化有密切的关系 因而 有效地检测几微米到上百微米的磨粒的数量变化具有特别的意义 目前 国 内外对润滑油中磨粒监测分析方法主要有光谱分析法 磁塞检测法和铁谱分析法等 图 2 2 为三种油样分析方法对磨粒尺寸敏感范围的比较 图 2 1 三种油样分析方法对磨粒尺寸敏感范围的比较 如图 2 2 所示 光谱分析检测磨粒的有效尺寸范围是 8 m 一般在 2 m 时检 测效率达到最高 但大多数机器失效期的磨粒特征尺寸在 20 200 m 之间 这一尺 寸范围对于磨损状态的识别和故障原因的诊断具有特殊的意义 这一尺寸范围大大 超过光谱分析法分析尺寸的有效范围 因而不可避免地导致许多重要信息的遗漏 这是光谱法的不足之处 铁谱分析对铁质磨粒进行定性及定量分析 其分析磨粒尺 寸的范围约从 0 1 至数百微米 它包含了诊断具有特殊意义的 20 200 m 尺寸范围 磁塞检测法只能有效地检测出上百微米至毫米级的磨粒 2 能同时进行磨粒的定性检测和定量分析 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 9 页 与润滑油磨粒其他分析技术相比 铁谱技术较光谱方法 磁塞方法的一个最大 优点就是能够同时实现对磨粒的定性观测 观察磨粒的形态 尺寸 颜色 表面特 征 磨粒材质成分等 和定量分析 测量磨粒量 磨损烈度等 这不仅给分析机械 设备磨损状态 故障原因和研究设备失效机理等提供了更全面而宝贵的信息 而且 大大提高了机械设备状态监测的可靠性 3 能够准确监测机器中一些不正常磨损的轻微征兆 具有磨损故障早期诊断的 效果 铁谱技术的另一特点就是 它能准确地监测出机械系统中一些不正常磨损的轻 微征兆 如早期的疲劳磨损 粘着 擦伤与腐蚀磨损等 从而为设备状态监测人员 提供宝贵的信息 避免机械事故的发生 4 成本低 可靠性高 铁谱分析的经济成本与其他技术相比较低 同时研究 表明铁谱分析的技术可靠性高 然而铁谱分析技术也有其不可避免的缺点 1 对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低 故在对如柴油机这种含有多种材质 摩擦副的设备进行故障断时 往往感到有所欠缺 2 油样需经过处理 分析时间较长 不能理想地适应较大规模的设备状态监测 工作 3 分析结果对操作人员的经验有较大的依赖性 若缺乏经验 往往会造成误诊 或漏诊 2 3 铁谱仪的分类 实现铁谱技术工作的基本工具主要由铁谱仪 Ferrograph 铁谱显微 Ferroscope 和铁谱读数仪 Ferrogram Reader 组成 其中不过铁谱仪是核心工具 20 多年来 国 内外已开发出的铁谱仪种类很多 人们提出了不向的分类方法 由于磁铁装置是铁 谱仪的核心部件 所以若按磁铁的工作原理 以及磁场是否连续可调 来分 可分为 永磁式铁谱仪和电磁式铁谱仪 根据机器状态监测需要来分 又可分为离线铁谱仪 和在线铁谱仪 若按实现铁谱定量与定性分析功能需要来分 又可分为分析式铁谱 仪 直读式铁谱仪 双联铁谱仪等 上述三种铁谱仪部属于离线铁谱仪 此外 若 根据铁谱片的制作原理不同分类 义可分为旋转式铁讲仪和固定式铁谱仪 综上所 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 10 页 述 各种铁谱仪分类如下 在线铁 单道铁谱仪 谱仪 分析式铁谱仪 永磁式 固定式铁谱仪 复式铁谱仪 铁谱仪 直读式铁谱仪 双联式铁谱仪 铁 离线铁 谱仪 旋转式铁谱仪 谱 气动式铁谱仪 仪 单通道在线铁谱仪 在线铁 多通道在线铁谱仪 谱仪 智能在线铁谱仪 电磁式 铁谱仪 离线铁 单通道铁谱仪 谱仪 复式铁谱仪 图 2 2 铁谱仪分类 2 3 1 直读式铁谱仪 直读式铁谱仪 Direct Reading Ferrogragh 与分析式铁谱仪非常相似 它 们都是利用高梯度强磁场的原理来收集润滑油样中的铁质磨粒 而不同之处在于分 析式铁谱仪能在显微镜下观察研究磨粒的形貌 而直读式铁谱仅仅能测定磨粒的数 量及其近似的尺寸分布 直读式铁谱仪的原理如图 2 3 所示 其核心部分仍是一块高梯度强磁铁 磁铁 以一定角度 与油样流动方向相反 倾斜设置 在其磁场狭缝处平行放置一透明玻 璃制成的沉积管 被分析油样在虹吸作用下 由试管进入毛细管 再因自身重力流 入沉积管 即进入磁场 为了直接测出油样中大磨粒 5 m 和小磨粒 1 2 m 的浓 度 在相应的两个测点处利用光导纤维引入两束稳定光源 这两点相当于分析式铁 谱仪中铁谱片入口区和 50mm 的位置 光束穿过磨粒沉积层和沉积管 射入与其相对 的两个光电池 光电池将光信号转换为电信号 再经电子线路进行放大和 A D 转换 最终在两个数显屏上以数字形式显示出来 由于穿过磨粒沉积层的光信号的衰减量 与磨粒沉积量在一定的条件下成正比关系 所以经过电路的处理后 可以在数显屏 上直接读出与磨粒沉积量成线性关系的读数 DL 大磨粒直读数 和 DS 小磨粒直读数 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 11 页 这样 就达到了直接测读被分析油样中大磨粒和小磨粒浓度的目的 图 2 3 直读式铁谱仪的原理图 图 2 4 DR III 型直读式铁谱仪 磨粒在沉积管中的沉积规律 与分析式铁谱仪的磨粒沉积规律相似 油样中的 磨粒在高梯度强磁场作用下 克服油的粘滞阻力 依其自身粒度由大至小依序沉积 在沉积管内壁上 所不同的是 在直读式铁谱仪中 油样和磨粒通过的一个截面为 圆形的玻璃管 磨粒的初始高度是不能忽略的因素 处于较高层的大磨粒与较低层 的小磨粒有可能沉积在同一位置上 如图 2 5 所示 因此 在直读式铁谱仪中 DL 值表征的是大磨粒和部分小磨粒浓度之和 而 DS值反映的是小磨粒浓度 图 2 5 磨粒在沉积管上的沉积状态示意图 油样中那些密度与液体相差不大的污染物颗粒被冲出沉积管 那些密度大于油 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 12 页 液的如铜 铝有色金属颗粒 除了其中有的因与钢对磨发生金属转移后 增加了磁 性而被磁场吸留在沉积管内之外 大部分也在油样流速最高的沉积管中心轴附近而 被冲出沉积管 因此 直读式铁谱仪几乎不能沉积下非铁磁性磨粒 它只对铁磁性 磨粒具有较高的灵敏度 大量的统计性实验也表明 直读铁谱读数与光谱分析的铁含 量测量值其趋势有着较好的吻合 2 3 2 分析式铁谱仪 分析式铁谱仪 Analytical Ferrograoph 是最先开发出来的铁谱技术仪器 实际亡 它包含丁铁谱技术的全部基本原理 分析式铁谱仪的用途是用来分离机器润滑油样 中的磨粒 并能使其磨粒依照尺寸大小有序地沉积在一显微镜玻璃基片上 而制成 铁谱片 Ferrogram 然后利用铁谱显微镜等观测和分析仪器 实现列这些磨粒的定性 定 量铁谱分析 分析式铁谱仪的结构与工作原形简图如图 2 6 所示 图 2 6 分析式铁谱仪工作原理简图 它将从机器设备润滑系统中取得的分析油样经稀释处理后取样到玻璃管中 经 低稳定速率的微量系将分析油样输送到安放在磁场装置上方的玻璃基片上端 玻璃 基片的安装与水平面成 定倾斜角 约 1 3 这样使油流入向形成一个逐步增 强的高梯度磁场 同时又便于油液沿倾斜基片向下流动 分析油样中可磁化的金金 属磨粒在流经高梯度强磁场时 在高梯度磁力 液体粘性阻力和重力的联合作用下 能按磨粒尺寸大小有序地沉积在玻璃基片上 并沿垂直与油样流动方向形成链状排 列 利用铁谱显微镜观测铁谱片上的磨粒 就可以得到有关其形态 大小 成分及 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 13 页 粒度分布的分析结果 这些结果传递出机械摩擦副磨损状态的重要信息 成为进行 摩擦学研究 机械磨损状态监测和故障诊断的依据 另外 利用光密度测量原理 可以得到分别表征大磨粒 5 m 和小磨粒 1 2 m 浓度的大磨粒覆盖面积百分比 AL和小磨粒覆盖面积百分比 AS值 但是经多年的实际应用考验 AL和 AS因离散过大 而被弃之不用 磨粒在铁谱片上的沉积规律 铁谱片如图 2 7 所示 铁谱片长度 60mm 宽度 24mm 厚度 0 12 0 17mm 为了标示磨粒沉积的位置 以油样流出铁谱基片的端边 为坐标原点 油样开始进入铁谱基片的落点为 55 56mm 称之为入口区 图 2 7 磨粒在铁谱片上的沉积 铁谱仪中高梯度强磁场的磁力线与油样流动方向垂直 因此 油样中的铁磁性 磨粒沿磁力线方向沉积排列成相互平行但垂直于铁谱片长轴方向的链状 称之为沉 积链 油样在不浸润的限流带间流经磁场时 其中的磨粒便依其大小 先后沉积在 铁谱基片上 入口区沉积大于 5 m 的磨粒 50mm 处沉积 1 2 m 的磨粒 50mm 以 下的区域便是亚微米级的磨粒了 磁力线方向 油样流动方 向 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 14 页 第 3 章 铁谱取样及制作技术 3 1 铁谱取样技术 机器的润滑系统中采集铁谱分析油样 是铁谱技术的第一步关键性工作 内于 油样是铁谱技术获得机器磨损状态和机械故障信息的唯一来源 因此 必须首先认 真研究和确定油样的止确采集和处理方法 目的是使采集的油样能够携带正确的和 最大限量的磨粒信息 根据铁谱分析要求 在从机器润滑系统中采集油样时 必须取出含有代表性的 磨粒信息的油样 然而 由于在机器润滑系统中磨粒存留的状况受机器运转请况及 其它多方面因素的影响 所以润滑油中的磨粒浓度和尺寸分布是随机变化的 另一 方面 又由于磨粒物质在润滑油中是以不连续的分散相存在的 所以在整个润滑系 统中的磨粒不可能均勺分布 鉴于以上两点 就给取出含有代表性磨粒的油样增加 了困难 为了解决好这个问题 只有通过严格的取样操作程序来保证 在介绍铁谱取样技术之前 先来了解一下机器润滑系统中的磨粒浓度平衡问题 一部机器在正常运转期内和润滑处于正常状念下 由于工作时机器系统个的磨粒总 是不断地产生又不断被排除 Removal 所以机器润滑油中磨粒浓度达到某一下衡 值 简称平衡浓度 也就意味着润滑油中的磨物产生速率与磨粒的排除速率相等 对于每一组给定的运转参数 润滑油中的磨粒浓度最终将达到一个平衡值 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 15 页 图 3 1 典型机器润滑系统模型 3 1 1 铁谱分析油样取样位置 油样中的磨粒平衡浓度是机器摩擦副表顶磨损率的度量 特别是大尺寸的磨粒 更能反映摩擦副表面磨损发展变化的特征 摩擦副表面在摩擦过程中不断产生磨粒 进人润滑油后 而磨粒又因过滤 沉降 附着 磨碎 氧化腐蚀 磁性分离 随润 滑油泄漏等原因而不断损失 被排除 所以上述平衡是一种动态平衡 动态平衡的 平衡点依取样位置和取样条件的不同而不同 为使所取油样能携带尽可能多关于识 别和诊断对象磨损状态和故障的作息 以及从各个油样所得的结果之间具有可比性 必须预先对取样位置 取样条件和取样方法做仔细的研究和严格的规定 在机器润滑系统中采集铁谱分析油样时 常用的两个取样位置是润滑油箱和润 滑油回油管路 为使所取油样具有充分代表性 以反映实际机器的磨损情况 取样 点一般应选在过滤器之前 并能够流经机器系统全部摩擦副磨损表面的位置 1 油箱取样 从机器润滑系统的油箱中取样 是 种静态或接近静态的取样方法 采用这种 方法取样时 必须考虑磨粒的沉降效应 这就涉及到需确定合理的取样位置 建议从油箱中取样时按以下方法实施 1 尽可能在机械系统运转状态下取样 如不可能实现 则应在停机后尽可能短 的时间内取样 若在停机两小时后才取样 则因大磨粒的下沉而大大降低油样的磨 粒浓度 2 考虑到大磨粒首先沉降 必要时可将取样管接近油箱底部取样 但这时要避 免吸入沉积在油箱底部的大磨粒和其它杂质 通常规定取样管距箱底沉淀物之间距 离为 25 左右处为宜 3 如果系统中装有固定取样管路 如油箱上装入的导管 则在每次取样前必须 用洁净油冲洗取样管 以去掉上次取样时所有的残留油液 通常放入的冲洗油量应 为取样导管内存油量的两倍 2 回油管路取样 在机器润滑系统的回油管路上取样为动态取样入法 它是指从流动的液体中取 样 机器润滑系统的回油管上取样时 为使所取得的油样能代表整个机器系统 反 映实际磨损工况 则取样点 图 3 1 中的 A 点 的位置选择原则如下 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 16 页 1 该处的油液应能流经机器系统全部摩擦副的磨损表面 从而使所取的油样能 够反映整个机器系统的磨损状态 2 取样点应选择在过滤器之前 从而使所取的油样的磨粒浓度更反映机器润滑 系统油液磨粒浓度的实际情况 即油样更具有代表性 3 取样点最好选择在紊流断面位置处 这样可得到更好的结果 3 1 2 铁谱分析油样取样工具 取样所需的工具和材料为取样泵 吸油管 取样瓶 取样箱等 由检测中心定 期提供 各队技术员负责保管 收取铁谱分析油样的取样瓶 应为人色透明的清洁玻璃瓶 取样瓶的旋盖内应 加有不与油质发生作用的聚四氟乙烯内盖 以保证密封 为了便于分析前初步观察 油样的状态 最好取样瓶的侧壁为平面 取样瓶不能用塑料瓶 因为塑料与润滑油接触可能产生或分解出塑料颗粒 凝 胶体和腐蚀性液体 同时 油样在塑料瓶中久放还会使塑料瓶发粘 使油液中的磨 粒易粘附在油样瓶的内壁上 使油样的代表性降低 取样瓶的容积一般应大于 15m1 以保证足够量的油样能存入油样瓶内 存入的 油样量不应超过油样瓶容积的 3 4 留有 l 4 以上的容积空间以便油样处理时 可以振荡油样使油样中的磨粒呈均匀分布状态 3 1 3 铁谱分析油样取样周期 铁谱分析油样的取样时间间隔上要根据被监测的机械设备摩擦副的特件 机器 的使用情况以及对机器工况监测和故障诊断准确性的要求程度而定 经验表明 不 同的机器设备 不同的运行期 不同的磨损状态都应有不同的最佳取样时间间隔 铁谱分析人员应根据被监测的机器设备的实际情况来确定最佳的取样间隔时间 时 间间隔太短会使分析的数据变化甚微 造成人力物力浪费 间隔时间太长 又常使 分析准确度降低 北京机械段大型养路机械车润滑油的取样分定期取样和追加取样 1 定期取样 由检测中心制定定期取样计划 现场技术员按取样通知单组织实施 2 追加取样 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 17 页 检测中心分析诊断时 如果发现某车某部位的油样出现异常 需进行追加取样 现场技术员在接到检测中心的通知后 负责追加取样的工作 现场若发现机械车出现异常情况 经现场技术员确认后领取取样工具采集油样 追加采集的油样 在采样后尽快送至检测中心 便于及时进行检测分析 3 1 4 取样方法及要求 1 使用专用取样工具抽取油样 吸油管为一次性使用 不得重复使用 根据相 应油标尺的长度 要长短适合 避免浪费 取样时吸油管插入油面高度的一半进行 取样 以确保油样具有代表性 2 发动机 变扭器取样前应起车 保持发动机转速 1000 1500 转 分至少 5 分 钟后进行动态取样 其它部位应在作业后 1 个小时内取样 3 取样量应为取样瓶总容量的 2 3 为宜 4 取样过程中 必须避免油样受到外界污染 必须保证取样器 取样瓶 吸油 管的清洁 5 取完油样后把取样瓶表面擦拭干净 在取样瓶瓶盖上用记号笔认真填写标识 标识与取样瓶要一一对应 绝对不能混淆 6 油样标识应填写机械车的编号 取样部位 取样日期等内容 3 1 5 大机的取样种类 取样部位及取样周期 1 D08 32 08 32 捣固车 D09 32 09 32CSM 捣固车 CD08 475 08 475 4S 道 岔捣固车 取样种类取样部位取样周期 发动机机油发动机油标尺处1 个月 变扭器液力油变扭器油标尺处2 个月 液压油液压油箱加油口处3 个月 1 轴齿轮油1 轴齿轮箱加油口处3 个月 2 轴齿轮油2 轴齿轮箱加油口处3 个月 3 4 轴齿轮油3 4 轴齿轮箱加油口处3 个月 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 18 页 减速箱齿轮油减速齿轮箱加油口处3 个月 分动箱齿轮油分动齿轮箱加油口处3 个月 2 WD 320 DGS 62N 稳定车 取样种类取样部位取样周期 发动机机油发动机油标尺处1 个月 变扭器液力油液力油油标尺处2 个月 液压油液压油箱加油口处3 个月 1 轴齿轮油1 轴齿轮箱油标尺处3 个月 2 轴齿轮油2 轴齿轮箱油标尺处3 个月 3 轴齿轮油3 轴齿轮箱油标尺处3 个月 4 轴齿轮油4 轴齿轮箱油标尺处3 个月 1 激振器润滑油1 激振器加油口3 个月 2 激振器润滑油2 激振器加油口3 个月 分动箱齿轮油分动齿轮箱加油口处3 个月 3 SRM80 RM80 大型清筛机 取 样 种 类取 样 部 位取 样 周 期 前发动机机油前发动机油标尺处1 个月 后发动机机油后发动机油标尺处1 个月 前主传动箱前主传动箱加油口处3 个月 后主传动箱后主传动箱加油口处3 个月 液压系统液压油箱加油口处3 个月 振动筛振动轴箱齿轮油振动筛振动轴箱加油口处4 个月 挖掘链齿轮油挖掘链齿轮箱加油口处4 个月 1 轴齿轮油1 轴齿轮箱加油口处3 个月 2 轴齿轮油2 轴齿轮箱加油口处3 个月 3 轴齿轮油3 轴齿轮箱加油口处3 个月 4 轴齿轮油4 轴齿轮箱加油口处3 个月 4 SPZ 200 SSP 103 配碴整形车 取样种类取样部位取样周期 发动机机油发动机油标尺处1 个月 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 19 页 液压油液压油箱加油口处3 个月 前轴齿轮油前轴齿轮箱油标尺处3 个月 后轴齿轮油后轴齿轮箱油标尺处3 个月 5 GTC 3 钢轨探伤车 取 样 种 类取 样 部 位取 样 周 期 发动机机油发动机油标尺处1 个月 发电机组发动机油发电机组发动机油标尺处1 个月 变扭器液力油变扭器油标尺处2 个月 液压油液压油箱加油口处3 个月 1 轴齿轮油1 轴齿轮箱加油口处3 个月 2 轴齿轮油2 轴齿轮箱加油口处3 个月 3 轴齿轮油3 轴齿轮箱加油口处3 个月 4 轴齿轮油4 轴齿轮箱加油口处3 个月 6 URR48 4 钢轨打磨车 取 样 种 类取 样 部 位取 样 周 期 1 号发动机机油1 号发动机油标尺处1 个月 2 号发动机机油2 号发动机油标尺处1 个月 2 号发动机机油2 号发动机油标尺处1 个月 发电机组发动机油发电机组发动机油标尺处1 个月 1 号变扭器液力油1 号变扭器油加油口处2 个月 2 号变扭器液力油2 号变扭器油加油口处2 个月 3 号变扭器液力油3 号变扭器油加油口处2 个月 1 号变速箱齿轮油1 号变速箱加油口处2 个月 2 号变速箱齿轮油2 号变速箱加油口处2 个月 3 号变速箱齿轮油3 号变速箱加油口处2 个月 1 号液压油箱1 号液压油箱加油口处3 个月 2 号液压油箱2 号液压油箱加油口处3 个月 3 号液压油箱3 号液压油箱加油口处3 个月 1 轴齿轮油1 轴齿轮箱加油口处3 个月 2 轴齿轮油2 轴齿轮箱加油口处3 个月 3 轴齿轮油3 轴齿轮箱加油口处3 个月 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 20 页 4 轴齿轮油4 轴齿轮箱加油口处3 个月 5 轴齿轮油5 轴齿轮箱加油口处3 个月 6 轴齿轮油6 轴齿轮箱加油口处3 个月 3 2 铁谱油样处理 从润滑系统中取出的油样 放入取样瓶中一经存放 油样中的磨粒在重力作用 下会开始沉降 其中部分磨粒还会粘附到取样瓶壁面上 这时 直接从取样瓶中取 出油样进行铁谱分析 不能完全反映油样其实情况 亦即机器磨损状态的实际情况 因而 在从取样瓶中取出少量油样进行铁谱分析之前 必须使磨粒重新均匀悬浮在 油样内 为此需对油样进行加热处理 另一方面 由于油样的粘度将直接影响磨粒 在铁谱片上的沉积位置和分布 所以在进行油样铁潜分析之前 还必须对油样进行 稀释处理 使分析油样有合适的粘度和一定的流动性 防止磨粒在铁谱片上重叠沉 积 3 2 1 油样的加热与搅拌 油样的加热与搅拌处理的目的是为了使取样瓶中的磨粒重新均勾悬浮在油样内 使即将进行分析的油样更具有代表性 在从取样瓶中取分析油样前 进行油样加热 与搅拌处理程序如下 1 将油样瓶放入烘箱 或用其他加热方法 将油样加热到 65 5 保温约 30 分钟 使瓶内液体充分形成对流 2 将油样瓶从烘箱中取出 随即用于振荡或用机械振动机构振荡至少 5 分钟 使油样中的磨粒完全分散 呈均匀悬浮状态 3 用刚清洗过的吸液管迅速取出所需量的分析油样 然后立即准备进行铁谱分 析 按照上述程序从取样瓶中抽取铁谱分析油样时 抽取油样量的计量方法一般有 两种 秤重法和体积计量法 前者是采用天平称重 后者用吸液管 成医用针管 抽 取 根据使用经验 用秤重法稍优 3 2 2 油样的稀释 在进行油样铁谱分析之前 还必须对分析油样进行稀释处理 稀释处理包括粘 度稀释和浓度稀释 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 21 页 油样的粘度稀释 是指在原润滑油样或经浓度稀释处理后的油样中加入一定比 例的有机溶剂 或更低粘度的纯净油品 以降低分析油样的粘度 因为油样的粘性阻 力直接影响着磨粒在铁谱仪中的沉积效应 所以油样通过粘度稀释后 将能加快磨 粒在磁场作用下的沉积过程和油液的流动性 粘度稀释溶剂一般采用四氯乙烯 油 样与溶剂的体积稀释比为 对直读铁谱仪的分析油样一般为 1 1 对于 些粘度较 高的油样 可根据情况适当加大稀释溶剂的用量 油样的浓度稀释 是指在润滑油样中加入一定比例的与原油样同一牌号的 油 以降低油样中所含磨粒的浓度 油样磨粒浓空稀释直接影响着铁谱技术定量测 量和定性分析的准确性 其原因是如下两方面 1 当油样中磨粒浓度含量过高时 在其磁性沉积过程中会造成磨粒在沉淀管入 口处产生大量的磨粒 堆积 现象 这种 堆积 现象的发生 使得测量磨粒数据 误差增加 同时还使对单个磨粒的观察分析无法进行 因加使得机器磨损过程中产 生出来的许多重要信息无法准确地获得 2 根据铁谱仪的光学设计原理 在一定的条件下 铁谱仪给出的读数与磨粒的 遮光量是成线性关系的 也就是说铁谱读数与实际磨粒浓度间的关系是线性相关的 但是 一旦当磨粒发生 堆积 出于 堆积 效应的影响 便导致铁谱读数与实际 磨粒浓度间的关系在铁谱片整个里程内是非线性的 大量试验表明 直读铁谱分析油样较为理想的磨粒浓度应控制在 5 DL 100 5 DS 70 3 2 3 直读铁谱仪操作 1 准备工作 1 打开仪器电源开关 预热半小时 2 将待测油样置于烘箱内加热至65 5 恒温保存半小时 2 实验操作 一般油样的实验方法 1 将沉淀管妥善装入夹槽内 管径略大端与进油口相连 2 取出已加热油样 充分振荡 用移液管分别量取1ml油样 1 ml四氯乙烯 注 入试管后 充分振荡 油液混匀后 置于试管支承板上 3 将沉淀管的毛细管端插人油样试管底部 并用弹簧夹固定 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 22 页 4 按Prime键沿顺时针缓慢旋转虹吸泵手柄一周 5 观察油样流动情况读数变化 待油样流完 读数基本稳定后再记数据 6 再次顺时针缓慢旋 转虹吸泵手柄 使废油排出 不透明油样的实验方法 1 将沉淀管妥善装入夹槽内 管径略大端与进油口相连 2 取出已加热油样 充分振荡 用移液管分别量取 1 ml 油样 1 ml四氯乙 烯 注入试管后 充分振荡 油液混匀后 置于试管支承板上 3 另取一试管 注入8 9 ml四氯乙烯溶液 置于试管支承板上 4 将沉淀管的毛细管端插入四氯乙烯试管底部 并用弹簧夹固定 5 按Prime 键 当Ds Zero灯灭后 沿顺时针缓慢旋转虹吸泵手柄一周 观察 四氯乙烯的流动情况 6 当RUN 灯亮后 立即用手捏住毛细管出口端 迅速将毛细管从四氯乙烯试 管中换到油样试管中 而后松开手 观察油样的流动情况 7 待油样流完后 再立即将毛细管插回到四氯乙烯试管中 待四氯乙烯基本流 完 读数稳定后 记录数据 8 再次顺时针缓慢旋转手柄 排出废液 3 注意事项 1 实验室应保持良好通风 2 每次实验完成后 应检查虹吸泵手柄上的白线是否朝上 3 2 4 分析式铁谱仪操作 1 将仪器的电源开关打开并预热半小时 2 检查仪器板面上的废液 WasteFull 及固定剂 FixerLow 显示灯是否亮 如果显示灯亮 倒掉废液 补足固定剂后装上 3 把准备测试的油样放入烘箱加热到 65 5 并保温半小时 4 安装谱片 5 从烘箱内取出已加热好的油样并将油样瓶充分振荡 6 从油样瓶中取出 3ml 油样注入试管 再取 1ml 四氯乙烯 即 3ml 油样 1ml 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 23 页 四氯乙烯 7 将试管内的油液充分混匀后放到试管架上 8 将 FMIII 管的一端插入试管底部后拧紧螺母 另一端插入排油臂内 9 按仪器面板上的自动键 AUTO 键 10 注意观察油样流到铁谱片不能是滴落状的 如果是 可适当调节 FMIII 管与 谱片的距离 一般为 1mm 左右 11 注意观察油样在谱片上流动是否有溢限流槽 如有溢出及时采取措施 12 待固定剂流完 谱片凉干后 将谱片从仪器上取出 13 如果利用半自动制作谱片 按仪器面板上的 SEMI AUTO 键 14 待油样流完后 用手按住 FIXER 键 15 待固定剂冲洗干净谱片后 放开 FIXER 键 16 待谱片凉干后 将谱片从仪器上取下 3 2 5 铁谱显微镜的运用 1 观察磨粒形貌 观察磨粒形貌以分析磨粒表面状态 如光滑 划痕 皱折 空洞等 和鉴别磨粒 的轮廓 其操作步骤如下 1 把铁谱片置于显微镜的载物台上 2 按下电源总开关 再分别按下反射和透射光源开关 3 在透射光路中插入绿色滤片 4 把 lOX 物镜转入光路中 并对准铁谱片上的磨粒链 5 调节载物台升降旋钮 使铁谱片上的磨粒链聚焦 在目镜中成像 6 利用载物台的移动手轮 沿铁谱片全长范围内粗略观察磨粒沉积情况并记录 需要进一步观察的谱片位置 7 对铁谱片的入口端和距出口端50mm范围内的磨粒依次用低倍物镜到高倍物镜 作仔细观察 8 在显微观察磨粒过程中 视具体情况 可采用反射光 透射光 双色光或偏 振光等光源对磨粒作分析 2 铁谱显微镜光源的运用 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 24 页 由上可知 铁谱显微镜是兼有反射照明和透射照明两种照明系统 常用以下几 种照明方式 1 白反射光 用于观察磨粒的轮廓和表面状态 尤其适用于对游离金属磨粒的分析