机械故障诊断学5

1、第五章 机械故障诊断的油样分析技术 第一节 油样分析概述 第二节 油样铁谱分析技术 第三节 油样光谱分析技术 第四节 磁塞 第一节 油样分析概述在机械设备中广泛存在着两类工作油：液压传动中的液压油和减少运动副摩擦的润滑油，它们携带有大量的关于机械设备运行状态的信息，特别是其中的润滑油，它所及的各摩擦副的磨损碎屑都将落入其中并随之一起流动。这样，我们通过对工作油液（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科学的判断。油样分析技术有如人体健康检查中的血液化验，已成为机械故障诊断的主要技术

2、手段之一。 一、油样分析的含义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油样光谱分析技术，有时也包含磁塞技术。一、油样分析的含义(续1)三种油样分析技术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，三种油样分析方法的检测效率 随颗粒尺寸的变化情况如图5-1所示。图51清楚地表明了光谱技术、铁谱技术以及磁塞这三种油 样分析技术对铁磁性颗粒的敏感尺寸范围分别为： 光谱：10m、 铁谱：11

3、00m、 磁塞：1001000m，这三种油样分析技术所 提供的信息也不尽相同， 因而各有其应用场合。 二、油样分析的信息含量1.信息来源 通过油样分析，我们能取得如下几方面的信息：(1)磨屑的浓度和颗粒大小反映了机器磨 损的严重程度；(2)磨屑的大小和形貌反映了磨屑产生 的原因，即磨损发生的机理；(3)磨屑的成分反映了磨屑产生的部位，亦即零件磨损的部位。 将以上三方面的信息综合起来，即可对零件摩擦副的工况作出比较合乎实际的判断。 二、油样分析的信息含量 2.磨屑形貌的识别 大量的理论分析和实验研究表明，不同的磨损发生机理，所产生的磨屑形貌各不同相，磨屑形貌的识别有助于我们针对不同的磨损机理采取

4、不同的维修或预防措施。以下重点介绍几种常见磨损机理的磨屑形貌：(1)正常滑动磨损的磨屑;(2)磨料磨损的磨屑;(3)滚动疲劳磨损的磨屑;(4)滚动疲劳加滑动疲劳磨损的磨屑;(5)严重滑动磨损的磨屑。二、油样分析的信息含量2.磨屑形貌的识别(续1) (1)正常滑动磨损的磨屑 对钢而言，通常是厚度小于1m的剪切混合层薄片在剥落后形成的尺寸为0.515m的不规则碎片，其典型形貌如图5-2所示；二、油样分析的信息含量2.磨屑形貌的识别(续2) (2)磨料磨损的磨屑 是一个摩擦表面切入另一摩擦表面形成(二体磨料磨损)，也可能由润滑油中的杂质、砂粒及较硬的磨屑切削较软的摩擦表面形成(三体磨料磨损)，磨屑呈

5、带状，通常宽25m，长约25100m，其典型形貌如图5-3。二、油样分析的信息含量2.磨屑形貌的识别(续3)(3)滚动疲劳磨损的磨屑 由滚动疲劳后剥落形成，磨屑通常呈直径为15m的球状，有时也有厚12m、大小为2050m的片状碎片，其典型形貌如图5-4(a)、(b)、(c)； 二、油样分析的信息含量 2.磨屑形貌的识别(续4) (4)滚动疲劳+滑动疲劳磨损的磨屑主要是指齿轮节圆上的材料疲劳剥落形成的不规则磨屑，通常宽厚比为41101；当齿轮载荷过大、速度过高时，齿面上也会出现凹凸不平的麻点和坑。 其典型形貌如图5-5(a)、(b)、(c)所示。 二、油样分析的信息含量2.磨屑形貌的识别(续4)

6、 (5)严重滑动磨损的磨屑是在摩擦面的载荷过大或速度过高的情况下，由于剪切混合层不稳定形成的；磨屑尺寸在20m以上，厚度2m以上，经常有锐利的直边，其典型形貌如图 5-6所示。 第二节 油样铁谱分析技术概述铁谱分析技术(Ferrography)是70年代国际摩擦学领域出现的一项新技术，1970年，美国麻省理工学院（MIT）的W.W.Seifert教授和福克斯波洛（Foxboro）公司的V.C.Westcott首先提出了铁谱技术的原理，并研制成功了用于分离磨屑和进行观察分析的仪器铁谱仪。此后，铁谱技术迅速被许多国家的摩擦学工作者所接受，开始主要用作实验室磨损机理研究的一种手段，接着发展成为直接用

7、于机械设备工况监测诊断的工具。铁谱技术的理论日臻完善，应用范围也日趋扩大，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，并广泛地应用于冶金、矿山、机械、汽车、铁路、船舶、煤炭、化工、建筑等行业，在机械故障诊断的油样分析方法中居主导地位。 第二节 油样铁谱分析技术 内容提要一、铁谱分析与铁谱仪;二、铁谱分析的一般程序;三、铁谱的定性分析 ;四、铁谱分析的定量指标。 第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪铁谱分析：利用铁谱仪(Ferrograph)从润滑油样（脂）试样中，分离和检测出磨屑和碎屑，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的技术

8、。铁谱仪及其分类：是铁谱分析的关键设备，根据其工作方式的不同，铁谱仪可分为直读式铁谱仪、分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪。近年来，又研究成功了在线式铁谱仪。此外，还有用于收集面粉研磨等场合的干粉中铁磁性颗粒的气动式铁谱仪。目前，在各工业领域中，特别是在煤矿企业，广泛应用的主要还是前三种铁谱仪，因而在此只介绍直读式、分析式和旋转式这三种铁谱仪。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪1.直读式铁谱仪- (1)结构和工作原理直读式铁谱仪的结构原理如图5-7所示，由光伏探测器(1、2)、磁铁(3)、 光导纤维(4)、白炽灯光源(5)、接油杯(6)、放大电路(7)、数显装置(8)、 压块(9)、沉积管

9、(10)以及其他辅助机构等组成。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪1.直读式铁谱仪-(1)结构和工作原理油样在虹吸现象的作用下流入沉积管，在沉积管的下部有一高强度、高梯度磁场，油样中的铁磁性颗粒受重力、浮力以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，如图5-8所示。其中的大颗粒沉积在入口处，而较小的颗粒则离入口处较远。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪1.直读式铁谱仪-(1)结构和工作原理（续1）传统的直读式铁谱仪在沉积管的入口处和离入口处5mm的地方各装有一个光伏探测器，分别作为大颗粒(DL)和小颗粒(DS)的光密度读数监测。

10、光伏探测器的输出电压与其所受光强有关，而铁磁性颗粒在沉积管中的沉积将会削弱来自光导纤维的光强。由于光导纤维的匀光作用，使得光伏探测器所接收到的光强改变量与铁磁性颗粒的挡光面积成正比，在一定的条件下，挡光面积又与磨屑体积之间有某种较稳定的对应关系，即光伏探测器的输出与磨屑体积有关，可表达为： Uout f(V) (5-2) 式中 V磨屑体积； Uout 光伏探测器的输出电压。 这样，通过光伏探测器输出电压的变化就能感知油样中铁磁性颗粒的体积，这就是直读式铁谱仪的工作原理。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪1.直读式铁谱仪-(2)性能特点及应用与其他两种类型的铁谱仪相比，直读式铁谱仪具

11、有如下的 性能特点：结构简单，价格便宜(约为分析式铁谱仪的1/4)； 制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷； 目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，随机因素干 扰影响大； 只能提供关于磨屑总体体积的信息，不能提供关于磨屑形貌、磨屑来源的信息，因而信息量有限。应用：常用作油样的快速分析和初步诊断。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪 2.分析式铁谱仪-(1)结构和工作原理分析式铁谱仪一般是指包括制谱仪、光密度读数器以及双色显微镜在内的成套测试系统，制谱仪的结构原理如图5-9所示。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪2.分析式铁谱仪-(1)结构和工作原理毛细胶管在压轮的作用

12、下，在其前部形成负压区，将油样从试管中抽出，并流出至玻璃基片上。在玻璃基片的下面有一高强度、高梯度的磁铁，油样中的铁磁性颗粒随油样沿基片往下流的过程中，由于受重力、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，如图5-10所示。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪 2.分析式铁谱仪-(1)结构和工作原理(续)谱片的制作：当试管中的油样全部被抽出后，经固化和清洗后再小心地将玻璃基片从制谱仪上取出，至此即完成了谱片的制作过程。谱片的观察：在双色显微镜或扫描电子显微镜(SEM)上进行形貌和成份的观察，还可将光密度读

13、数器与双色显微镜相联，进行光密度测量，以判断磨损程度。传统的光密度测试方法：测离出口50mm和55mm两处的光密度读数，分别作为小颗粒(AS)和大颗粒(AL)的读数，并以AS 和AL为基础，对谱片进行各种定量计算。第二节 油样铁谱分析技术 一、铁谱分析与铁谱仪2.分析式铁谱仪- (2)性能特点及应用分析式铁谱仪的性能特点如下（与直读式铁谱仪相比）： 提供的信息较丰富。分析式铁谱仪不仅能提供关于磨损程度的信息，而且通过对磨屑形貌及其成份的观察，还能提供关于磨损发生机理及发生部位的信息， 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；而分析式铁谱仪制成的谱片可以保存起来

14、，供以后观察分析用； 制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半小时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验室进行。应用：常用作油样的精密分析。3.旋转式铁谱仪引言前述的传统分析式铁谱仪的两个固有缺陷： 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； 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。 为了克服传统分析式铁谱仪的上述两个主要的固有缺陷，人们研制出了旋转式铁谱仪，使铁谱分析技术又向前迈进了一大步，下面对这种新型的铁谱仪进行简要介绍。3.旋转式铁谱仪

15、-(1)结构和工作原理旋转式铁谱仪(RPD- Rotary particle Depositor)的结构如图5-1所示.3.旋转式铁谱仪-(1)结构和工作原理驱动轴带动永久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。3.旋转式铁谱仪的工作原理 旋转式铁谱仪的磁场装置原理旋转式铁谱仪的磁场装置原理如图5-12 所

16、示，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，如图5-13所示。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150m，外圈为110m。分析式铁谱中分析观察的所有手段均可用于RPD中，此外，还可以用一种新型的颗粒定量仪(PQParticle Quantifier)对谱片进行快速准确的定量分析。3.旋转式铁谱仪- (2)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

17、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。二、铁谱分析的一般程序铁谱分析由以下四个基本环节组成： 1.采样 2.制谱 3.观测与分析 4.结论二、铁谱分析的一般程序- 1.采样合适的采样方法是保证获得正确分析结果的首要条件。采样时应遵循以下几条基本原则：应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角

18、、底部等处采样；应尽量选择在机器运转时，或刚停机时采样；应始终在同一位置、同一条件下(如停机则应在相同的时间后)和同一运转状态(转速、载荷相同)下采样；采样周期:应根据机器摩擦副的特性、机器的使用情况以及用户对故障早期预报准确度的要求而定。注意：所采油样必须要有完整的记录: 采样日期、大修后的小时数、换油后的小时数和上一次采样后的加油量，以及其它有关机器工作的信息等内容。1.采样-采样周期说明一般而言，机器在新投入运行或刚经解体检修，其采样间隔应短，通常应隔几小时采样一次，以监测分析整个磨合过程；机器进入正常运转期，摩擦副的磨损状态稳定后，可适当延长采样间隔；此后，当发现磨损发展很快时，又应缩

19、短采样时间间隔。R.A.Collacott 推荐的采样间隔为：飞机的喷气式发动机和传动系统为102小时，往复式发动机为255小时。二、铁谱分析的一般程序- 2.制谱制谱也是铁谱分析的关键步骤之一，对分析式铁谱仪而言，既要注意提高制谱效率，更要注意提高制谱质量，要选择合适的稀释比例和流量，使得制出的谱片链状排列明显，且光密度读数在规定范围内。二、铁谱分析的一般程序 3.观测与分析制谱之后，包括定性分析、定量分析定性分析：可用铁谱显微镜对磨屑形貌进行观测，也可用扫描电子显微镜(SEM)对磨屑进行更细微的观察，前述图5-2图5-6都是SEM照片；定量分析：主要使用光密度计、颗粒定量仪。近来也有人研究

20、用计算机对磨屑进行图像处理。 有关铁谱片的定性定量分析，请阅读教材和有关资料。二、铁谱分析的一般程序 4.结论根据分析结果作出状态监测或故障诊断结论。为保证结论的可靠性，对于所监测的机器的了解是十分重要的，对机器的结构、材料、润滑及运转、保养、维修与失效历史等均应加以考虑。三、铁谱分析的特点主要优点：与其他状态监测方法相比，铁谱技术主要优点： 具有较高的检测效率和较宽的磨屑尺寸检测范围，可同时给出磨损机理、磨损部位以及磨损程度等方面的信息； 定性分析与定量分析相结合，提高了诊断结论的可靠性； 可对磨损故障作出早期诊断，能准确地检测出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、擦伤和

21、腐蚀磨损等。 局限性 非实时监测； 过份依赖人的经验； 对采样要求较苛刻； 对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳。 四、铁谱技术的应用举例齿轮磨损的监测诊断 某化学公司在处理齿轮箱的油样时，在双色照明观察谱片的入口处，发现有大量的反射红色的微粒。多数微粒的大小为830m，呈薄片状，表面没有氧化或擦伤。扫描电镜观察，磨屑表面十分光滑，经测试，其表面积与厚度之比约为10:1，这与齿面疲劳磨损的微粒特征相符，说明该齿轮已发生了不正常磨损。开箱检查，发现齿面已严重磨损，由此说明了铁谱监测的有效性。六、铁谱技术的应用举例液压系统的监测诊断 图5-15所示是一台W613型铲车液压系统从正常磨损至失效的光密度读

22、数变化曲线。由图可以看出，在1000h以后，IS值和DL+DS值都急剧增加，说明系统已处于剧烈磨损阶段。从1408 h起，系统已处于破坏性磨损工况，油样中发现几个尺寸在100175m的大磨屑，这标志着系统即将损坏，必需及时进行维修。磨损烈度：Is(DLDs)(DLDs)第三节 油样光谱分析技术 一、油样光谱分析的简单原理二、油样光谱分析的特点三、油样光谱分析的磨损界限一、油样光谱分析的简单原理通过光谱分析，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。金属元素的种类：根据特征谱线进行检测判断。金属元素的浓度：根据特

23、征谱线的强度判断该种金属元素的含量多少。二、油样光谱分析的特点油样光谱分析包括原子吸收光谱分析和原子发射光谱分析两大类，它们的性能特点大致相同。原子光谱分析法的优点为： 检出限低，灵敏度高：火焰原子吸收法的检出限可达 109g，石墨炉原子吸收法的检出限可达10101014g， 各种原子光谱分析法的检出限如表5-3（P147）所示； 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%； 二、油样光谱分析的特点 分析速度快。用PE5000型自动原子吸收光谱仪在35分钟内能连续地测定50个试样中的6种元素； 试样用量小。无火焰原子吸收光谱法分

24、析仅需试样溶液5100L或5100g； 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； 仪器操作较简便。 将原子光谱分析用于机械设备的故障诊断与工况监测，还有下列不足之处：信息量有限：原子光谱分析只能提供关于元素及其含量的信息，而不能提供磨屑形貌的信息。因此，要根据油样光谱分析的结果直接对摩擦副的状态作出判断有很大的困难；只能用于分析含量较低且颗粒尺寸很小(10m)的磨屑，而异常磨损状态下所产生的磨屑粒度一般较大，一般只能用于故障的早期监测与预防；与铁谱分析技术、磁塞技术等方法相比，油样光谱分析的成本要高得多，一台光谱仪的价格约为50万人民币，为分析式铁谱仪的十几倍；光谱仪对工作环境要求苛刻，需要在专门建造的实验室内工作。 第四节 磁塞 一、磁塞检测的基本原理二、磁塞的构造三、磁塞的安装一、磁塞检测的基本原理磁塞检测法早于油样铁谱分析技术，是在飞机、轮船和其他工业部门中长期采用的一种检测方法。基本原理：将磁塞安装在润滑系统中的管道内，用以收集悬浮在润滑油中的铁磁性磨屑，然后用肉眼对所收集到的磨屑大小、