学习情境一：设备状态监测与故障诊断

1、四川机电职业技术学院学习情境一：设备状态监测与故障诊断设备状态监测与故障诊断模块五：油液分析技术油液分析技术油液分析技术油液分析技术人在感觉自己的身体不适时，往往会到人在感觉自己的身体不适时，往往会到医院进行体检，体检项目中有一项验血，就医院进行体检，体检项目中有一项验血，就是通过分析血液的成分，以查验身体情况。是通过分析血液的成分，以查验身体情况。设备状态监测与故障诊断中其中一个重要的设备状态监测与故障诊断中其中一个重要的内容内容油液分析，就与人体检时验血类似。油液分析，就与人体检时验血类似。 所谓油液分析，是指通过对从运行设备中所谓油液分析，是指通过对从运行设备中所取得的有代表性的润滑油样

2、的检测和分析，获所取得的有代表性的润滑油样的检测和分析，获得有关设备在用润滑油性能指标变化、油中磨损得有关设备在用润滑油性能指标变化、油中磨损产物、污染和变质产物的宏观或微观物态特征信产物、污染和变质产物的宏观或微观物态特征信息，并由此评判设备润滑与磨损状况或诊断相关息，并由此评判设备润滑与磨损状况或诊断相关故障的技术过程。油液分析主要包括对润滑油状故障的技术过程。油液分析主要包括对润滑油状况（性质）的分析和对油中磨损颗粒的分析。况（性质）的分析和对油中磨损颗粒的分析。四川机电职业技术学院一、油液分析技术的意义一、油液分析技术的意义 机械设备中的润滑剂在使用过程中，受设备工况条件机械设备中的润

3、滑剂在使用过程中，受设备工况条件变化、环境和相关机械子系统的影响，难以避免的外来物变化、环境和相关机械子系统的影响，难以避免的外来物质污染和系统自身结构在微观或宏观上变化等诸多因素的质污染和系统自身结构在微观或宏观上变化等诸多因素的影响，不但在数量上会有损耗，而且在组成成分和结构上影响，不但在数量上会有损耗，而且在组成成分和结构上也会发生变化，从而导致品质下降，直至最终丧失应有的也会发生变化，从而导致品质下降，直至最终丧失应有的润滑效能，如果不能得到及时的补充或更换，设备相关摩润滑效能，如果不能得到及时的补充或更换，设备相关摩擦副将由于得不到有效的保护而发生损伤甚至失效；如果擦副将由于得不到有

4、效的保护而发生损伤甚至失效；如果能通过及时检测设备在用润滑剂的品质和污染物指标的变能通过及时检测设备在用润滑剂的品质和污染物指标的变化，适时掌握设备润滑剂的劣化、污染程度以及设备中关化，适时掌握设备润滑剂的劣化、污染程度以及设备中关键摩擦副的磨损情况，确定合理的换油周期及维护措施，键摩擦副的磨损情况，确定合理的换油周期及维护措施，可有效防止设备中关键摩擦副的损伤，延长设备的使用寿可有效防止设备中关键摩擦副的损伤，延长设备的使用寿命，提高设备工作的可靠性。命，提高设备工作的可靠性。二、油液分析方法概二、油液分析方法概述述油液本身的物理化学性能分油液本身的物理化学性能分析。例如，油的黏度、酸值、油

5、性、析。例如，油的黏度、酸值、油性、闪点、凝点、抗氧化稳定性、防锈闪点、凝点、抗氧化稳定性、防锈性等。其中黏度和酸值对设备的正性等。其中黏度和酸值对设备的正常运行尤为重要。常运行尤为重要。 油液的污染分析。油液中污染物油液的污染分析。油液中污染物的数量、成分、尺寸、形状、分布反的数量、成分、尺寸、形状、分布反映了不同磨损失效类型和故障特征。映了不同磨损失效类型和故障特征。小小的磨粒（从几个微米到几百微米）小小的磨粒（从几个微米到几百微米）是液压设备故障诊断的重要信息源。是液压设备故障诊断的重要信息源。采样采样-采集能正确反映当前液压设备中元部采集能正确反映当前液压设备中元部件运行状态的、有代表

6、性的油样件运行状态的、有代表性的油样检测检测-对油样进行分析，测定油样中磨屑的对油样进行分析，测定油样中磨屑的数量、大小及成分等；数量、大小及成分等；诊断诊断-初步回答设备的磨损状态属于正常还初步回答设备的磨损状态属于正常还是异常，如果是异常磨损还要确定属于哪些元部是异常，如果是异常磨损还要确定属于哪些元部件磨损和何种磨损类型；件磨损和何种磨损类型；预测预测-估计处于异常磨损状态的元部件的剩估计处于异常磨损状态的元部件的剩余寿命和今后可能发生的磨损类型；表性的油样余寿命和今后可能发生的磨损类型；表性的油样处理处理-根据预测的情况确定维修方式、时间根据预测的情况确定维修方式、时间和部位。和部位。

7、四川机电职业技术学院三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介m磁塞分析法是最早的油样分析法，将磁塞分析法是最早的油样分析法，将磁塞插入被检测油路中，收集分离出的铁磁塞插入被检测油路中，收集分离出的铁磁性磨粒，然后将磁塞芯子取下洗去油液磁性磨粒，然后将磁塞芯子取下洗去油液，置于读数显微镜下观察磨损颗粒的大小，置于读数显微镜下观察磨损颗粒的大小、数量和形状，从而判断机器零件的磨损、数量和形状，从而判断机器零件的磨损状态。状态。 磁塞分析具有设备简单、成本低廉、磁塞分析具有设备简单、成本低廉、分析技术简便，一般维修人员都能很快掌分析技术简便，一般维修人员都能很快掌握，

8、能比较准确获得零件磨损和故障信息握，能比较准确获得零件磨损和故障信息等优点，因此它是一种简便而行之有效的等优点，因此它是一种简便而行之有效的方法。但是它只适用于对带磁性的材料进方法。但是它只适用于对带磁性的材料进行分析，其残渣尺寸大于行分析，其残渣尺寸大于50 。四川机电职业技术学院其原理是以污染的油液通过滤膜，由其原理是以污染的油液通过滤膜，由于污染颗粒滞留于膜上的过滤微孔被堵塞于污染颗粒滞留于膜上的过滤微孔被堵塞，这样就减慢了过滤速度，以专门的装置，这样就减慢了过滤速度，以专门的装置使油液在一定的压力下，将规定了的使油液在一定的压力下，将规定了的3个个不同容积的液量通过滤膜，测定相应的流不

9、同容积的液量通过滤膜，测定相应的流过时间过时间 ，则淤积指数，则淤积指数S为为 （51） 此法可用来测定此法可用来测定5以下的颗粒数量或以下的颗粒数量或胶质状态物质。胶质状态物质。三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介123ttt、321(2 )/Sttt四川机电职业技术学院该技术的基本原理是将油样经滤膜该技术的基本原理是将油样经滤膜过滤，然后将带污染颗粒的滤膜烘干，过滤，然后将带污染颗粒的滤膜烘干，放在普通显微镜下统计不同尺寸范围的放在普通显微镜下统计不同尺寸范围的污染颗粒数目和尺寸。污染颗粒数目和尺寸。该技术的优点是能直接观察和拍摄该技术的优点是能直接观察

10、和拍摄磨损微粒的形状、尺寸和分布情况，从磨损微粒的形状、尺寸和分布情况，从而定性了解磨损类型和磨损微粒来源，而定性了解磨损类型和磨损微粒来源，而且装备简单、费用低廉、应用广泛。而且装备简单、费用低廉、应用广泛。但该技术操作较费时，人工计数误差较但该技术操作较费时，人工计数误差较大，再现性较差，对操作人员技术熟练大，再现性较差，对操作人员技术熟练程度要求苛刻。程度要求苛刻。此法不需从样液中将固体颗粒此法不需从样液中将固体颗粒分离出来，而是利用液体中的颗分离出来，而是利用液体中的颗粒对光的消光、遮光作用（对不粒对光的消光、遮光作用（对不透明颗粒）或散射作用（对透明透明颗粒）或散射作用（对透明颗粒）

11、的原理，自动地对样液中颗粒）的原理，自动地对样液中的颗粒尺寸进行测定和计数。的颗粒尺寸进行测定和计数。 这是一种对液体中颗粒进这是一种对液体中颗粒进行宏观统计的测定方法。这类行宏观统计的测定方法。这类方法只给出全部颗粒的整体数方法只给出全部颗粒的整体数量概念，而不是对单个颗粒进量概念，而不是对单个颗粒进行测定。行测定。 重量分析是将油样用滤膜过滤，烘重量分析是将油样用滤膜过滤，烘干后称重，用铝膜过滤前后的重量之差干后称重，用铝膜过滤前后的重量之差作为油样中的污染微粒重量。这种方法作为油样中的污染微粒重量。这种方法主要用于油液中含磨损微粒浓度较大时主要用于油液中含磨损微粒浓度较大时的油液分析，所

12、需装备简单；但当外部的油液分析，所需装备简单；但当外部环境、过来方法、油样稀释液种类、冲环境、过来方法、油样稀释液种类、冲洗条件、烘干条件稍有变化时，就会发洗条件、烘干条件稍有变化时，就会发生较大偏差，测试精度较低，因此只能生较大偏差，测试精度较低，因此只能用于润滑状态的粗略判断。用于润滑状态的粗略判断。四川机电职业技术学院四、铁谱分析技术四、铁谱分析技术铁谱分析技术是一种利用高梯度强铁谱分析技术是一种利用高梯度强磁场作用，将机器摩擦副产生的磨粒从润磁场作用，将机器摩擦副产生的磨粒从润滑剂中分离出来并按尺寸有序排列，用各滑剂中分离出来并按尺寸有序排列，用各种手段观察、测量，以获得有关磨损过程种

13、手段观察、测量，以获得有关磨损过程的各种信息，进而判明机器磨损机理及其的各种信息，进而判明机器磨损机理及其状态的一种分析技术。状态的一种分析技术。（1）应用铁谱技术能分离）应用铁谱技术能分离出润滑油中所含较宽尺寸范围出润滑油中所含较宽尺寸范围的磨屑，故应用范围广。的磨屑，故应用范围广。（2）铁谱技术利用铁谱仪）铁谱技术利用铁谱仪将磨屑重叠地沉积在基片或沉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淀管中，进而对磨屑进行定性观察分析和定量测量，综合判观察分析和定量测量，综合判断机械的磨损程度。同时还可断机械的磨损程度。同时还可对磨屑的组成元素进行分析，对磨屑的组成元素进行分析，以判断磨屑

14、的产生地，即磨损以判断磨屑的产生地，即磨损发生的部位。发生的部位。四川机电职业技术学院铁谱技术的缺点在于：对润滑油中非铁系颗粒的检测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。设备群的故障诊断。图5-2 直读式铁谱仪工作原理图1油样 2毛细管3沉淀管 4磁场装置 5光源 6光导纤维 7光敏探头 8虹吸泵

15、 9废油 10信号转换器 11数字显示屏分析式铁谱分析式铁谱仪主要由铁谱制仪主要由铁谱制谱仪、铁谱显微谱仪、铁谱显微镜和铁谱读数器镜和铁谱读数器组成。铁谱制谱组成。铁谱制谱仪主要用途是分仪主要用途是分离油样中磨损微离油样中磨损微粒并制成铁谱谱粒并制成铁谱谱片，它由微量泵、片，它由微量泵、磁铁装置、玻璃磁铁装置、玻璃基片、特种胶管基片、特种胶管及支架等部件组及支架等部件组成。成。从设备润滑系统或液压系统取的原始油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样经制备后，由微量泵输送到与磁场装置呈一定倾斜角的玻璃基片（也叫做铁谱基片）一定倾斜角的玻璃基片（也叫做铁谱基片）

16、上。油样沿倾斜底片向下流动，经过高梯度上。油样沿倾斜底片向下流动，经过高梯度强磁场区，从基片下端流入回油管，然后排强磁场区，从基片下端流入回油管，然后排入废油容器中。在随油样流下的过程中，可入废油容器中。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，由大到磁化的磨屑在高梯度强磁场作用下，由大到小依次均匀地沉积在玻璃基片的不同位置上，小依次均匀地沉积在玻璃基片的不同位置上，用清洗液冲洗基片上的残余油液，用固定液用清洗液冲洗基片上的残余油液，用固定液使微粒牢固贴附在基片上，从而制成铁谱片。使微粒牢固贴附在基片上，从而制成铁谱片。在铁谱显微镜下，对铁谱基片上沉积磨粒进在铁谱显微镜下，对铁谱

17、基片上沉积磨粒进行有关大小、形态、成分、数量方面的定性行有关大小、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和定量分析后，就可以对被监测的设备的摩擦磨损状态做出判断。擦磨损状态做出判断。四川机电职业技术学院直读式铁谱仪主要用来直接测定油样中磨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，能够方便、快速而较准粒的浓度和尺寸分布，能够方便、快速而较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量。如果不确地测定油样内大小磨粒的相对数量。如果不仅要了解磨损微粒的数量及分布情况，而且要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，观察分析磨粒的形态

18、、表面形貌和成分等因素，做出较准确的诊断，就需使用分析式铁谱仪。做出较准确的诊断，就需使用分析式铁谱仪。直读式铁谱仪的工作原理如图直读式铁谱仪的工作原理如图5-2所示。取所示。取自机器的油样，经浓度及黏度稀释后，在虹吸自机器的油样，经浓度及黏度稀释后，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。在沉积管顺序排列在沉积管内壁不同位置上。在沉积管入口处，即在位置上沉积着大于入口处，即在位置上沉积着大于微米的大磨粒，而在大于的位置沉积着微米的大磨粒

19、，而在大于的位置沉积着只有微米的小磨粒。只有微米的小磨粒。四川机电职业技术学院以上铁谱仪对污染严重的油样（例如煤以上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。留数量较多，将影响对磨粒的观测。 旋转式铁谱仪克服了上述缺点，旋转式铁谱仪克服了上述缺点，同时又保留了分析式铁谱仪可以分析观察磨同时又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

20、优点。为避粒形貌、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，以极靴上的个环形气隙作构成闭合磁路，以极靴上的个环形气隙作为工作磁场。工作位置的磁力线平行于玻璃为工作磁场。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

21、（径向方向）排基片上，而且沿磁力线方向（径向方向）排列。列。旋转式铁谱仪的制谱原理旋转式铁谱仪的制谱原理如图如图5-3所示。制谱时，油样所示。制谱时，油样由定量移液管在定位漏斗由定量移液管在定位漏斗的限位帮助下，被滴注到固定的限位帮助下，被滴注到固定于磁头上端面的玻璃基片于磁头上端面的玻璃基片上。磁头、基片在电动机的上。磁头、基片在电动机的带动下旋转，由于离心作用，带动下旋转，由于离心作用，油样沿基片四周流动。油样中油样沿基片四周流动。油样中铁磁性及顺磁性磨屑在磁场力、铁磁性及顺磁性磨屑在磁场力、离心力、液体的粘滞阻力、重离心力、液体的粘滞阻力、重力作用下，按磁力线方向（径力作用下，按磁力线方

22、向（径向）沉积在基片上，残油从基向）沉积在基片上，残油从基片边缘甩出，经收集由导油管片边缘甩出，经收集由导油管排入贮残油杯。基片经清洗、排入贮残油杯。基片经清洗、固定和甩干处理后，便制成了固定和甩干处理后，便制成了谱片。谱片。四川机电职业技术学院五、元素光谱技术五、元素光谱技术 元素光谱分析是一种通过检测油液元素光谱分析是一种通过检测油液中的元素原子（离子或分子）在受中的元素原子（离子或分子）在受外界能量激发条件下以特定波长的外界能量激发条件下以特定波长的光的形式释放出的能量强度，来确光的形式释放出的能量强度，来确定油液中金属元素浓度，进而判明定油液中金属元素浓度，进而判明机器相关摩擦副的磨损

23、状况、油液机器相关摩擦副的磨损状况、油液中污染成分的来源以及污染水平或中污染成分的来源以及污染水平或相关润滑油添加剂损耗程度的技术。相关润滑油添加剂损耗程度的技术。四川机电职业技术学院物质的原子是由原子核和在物质的原子是由原子核和在一定轨道上绕其旋转的核外电子一定轨道上绕其旋转的核外电子组成的。当外来能量加到原子上组成的。当外来能量加到原子上时，核外电子便吸收能量并从较时，核外电子便吸收能量并从较低能级跃迁到高能级的轨道上。低能级跃迁到高能级的轨道上。此时，原子的能量状态是不稳定此时，原子的能量状态是不稳定的，电子会自动从高能级跃迁回的，电子会自动从高能级跃迁回原始能级，同时以发射光子的形原始

24、能级，同时以发射光子的形式把它们所吸收的能量辐射出去，式把它们所吸收的能量辐射出去，所辐射的能量与光子的频率成正所辐射的能量与光子的频率成正比关系。比关系。由于不同元素原子核外电子轨道所具有的能级不由于不同元素原子核外电子轨道所具有的能级不同，因此受激发后放出的光辐射都是具有与该元素相同，因此受激发后放出的光辐射都是具有与该元素相对应的特征波长。发射光谱仪就是利用这个原理，采对应的特征波长。发射光谱仪就是利用这个原理，采用各种激发源使被分析物质的原子处于激发态，再经用各种激发源使被分析物质的原子处于激发态，再经分光系统，将受激后的辐射线按频率分开。根据不同分光系统，将受激后的辐射线按频率分开。

25、根据不同波长上的谱线就能知道是什么元素，根据谱线的强弱波长上的谱线就能知道是什么元素，根据谱线的强弱判断出元素的含量。判断出元素的含量。原子吸收光谱技术是将待测元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。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。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透过光经单色器

26、将其它发射线分离掉，检测系统测量特征辐射线减弱掉，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后的光强度。根据光吸收定律就能求得待测元素的含量。求得待测元素的含量。六、实训六、实训炼钢转炉倾动机构油液分析炼钢转炉倾动机构油液分析20吨炼钢转炉倾动机构磨损故障诊断吨炼钢转炉倾动机构磨损故障诊断 ：炼钢转炉倾动机构主要用来控制实现炼钢转炉在添炼钢转炉倾动机构主要用来控制实现炼钢转炉在添料、混料、出渣和出钢水等一系列工艺过程中所必须的料、混料、出渣和出钢水等一系列工艺过程中所必须的运动。该机构的结构原理如图运动。该机构的结构原理如图5-4所示，其中主减速器齿所示，其中主减速器齿轮和滚柱轴

27、承采用强制压力循环润滑油。由于主要摩擦轮和滚柱轴承采用强制压力循环润滑油。由于主要摩擦副处于低速重载工况，故规定使用的循环油为含极压添副处于低速重载工况，故规定使用的循环油为含极压添加剂的齿轮油。某钢厂一台加剂的齿轮油。某钢厂一台20吨炼钢转炉倾动机构在循吨炼钢转炉倾动机构在循环润滑系统换油后不久，在润滑系统中发现有大尺寸的环润滑系统换油后不久，在润滑系统中发现有大尺寸的片状金属颗粒。为确定故障根源，制定合理的维修计划，片状金属颗粒。为确定故障根源，制定合理的维修计划，厂方决定从润滑系统中取样送检。厂方决定从润滑系统中取样送检。 油液取油液取样器样器四川机电职业技术学院图5-5 倾动机构油液分

28、析方法程序根据送检油样含有较多大尺寸金属磨料（最根据送检油样含有较多大尺寸金属磨料（最大大8mm）的情况，制定油液分析的方法程序）的情况，制定油液分析的方法程序框图如图框图如图5-5所示。为对大尺寸金属磨料成分所示。为对大尺寸金属磨料成分精确定量，采用可对经酸消解后的金属离子精确定量，采用可对经酸消解后的金属离子进行测量的等离子发射光谱分析。进行测量的等离子发射光谱分析。主要分析结果如下：1、大尺寸金属磨粒的成分、大尺寸金属磨粒的成分 用用1CPAES等离子发射光谱对大尺寸金属磨粒成分等离子发射光谱对大尺寸金属磨粒成分的分析结果如表的分析结果如表6-1。由该表可见，油样中大磨粒的成分除。由该表

29、可见，油样中大磨粒的成分除铁元素外，铬及其它轴承钢元素含量并无显著优势，主要成铁元素外，铬及其它轴承钢元素含量并无显著优势，主要成分的比例关系与滚柱轴承分的比例关系与滚柱轴承CCr15材料成分的比例关系不符；材料成分的比例关系不符；磨粒表面微区成分的磨粒表面微区成分的X射线能谱分析也进一步证实了这一点。射线能谱分析也进一步证实了这一点。大尺寸磨粒主要来源应该是主减速器齿轮表面磨损大尺寸磨粒主要来源应该是主减速器齿轮表面磨损。2、油液中主要污染颗粒类型、油液中主要污染颗粒类型 使用铁谱显微镜观察，确定油液中的主要污染颗粒类使用铁谱显微镜观察，确定油液中的主要污染颗粒类型为：型为： （1）金属磨粒；）金属磨粒； （2）铁氧化物，极可能是摩擦副表面润滑不良的产物；）铁氧化物，极可能是摩擦副表面润滑不良的产物； （3）锈蚀