《机械设备维修》-模块五

PAGEPAGE1《冶金机械设备维修》教案学习情景1：设备状态检测与故障诊断授课日期授课时数4授课形式任务设计法模块四油液分析技术教学目的1、了解油液分析技术的意义。2、掌握铁谱分析技术和光谱分析技术。3、训练学生处理实际设备油液分析技术的能力。4、培养团队意识、职业责任感及自学能力。教学重点、难点重点：油液分析技术的原理及方法难点：油液分析技术的实际运用课外作业阅读专业杂志及书籍，多参加实际锻炼课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发思维，互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教学手段时间分配●课程介绍、学习要求：油液分析技术是常用的故障诊断技术之一。通过学习，训练学生针对冶金机电设备相关零部件进行油液分析，能合理确定诊断策略，选取恰当的诊断方法，并能熟练使用各种常见检测仪器。●总结1、讲解了油液分析技术的原理及方法。2、20吨炼钢转炉倾动机构磨损故障诊断。●布置作业噪声监测原理及方法。演示文档（PPT）、机电设备载体、各类维修技术工器具和材料、技术资料引题5分钟；授课40分钟；实训30分钟；总结5分钟油液分析技术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内容——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。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，延长设备的使用寿命，提高设备工作的可靠性。随着现代机电设备向高速、大功率、高度自动化、集成化和强适应能力方向发展，设备工作的可靠性要求也越来越高，作为制定设备维护策略的有效工具，油液分析技术，在世界各相关工业领域，正在受到越来越广泛的重视。二、油液分析方法概述油液分析包括两大内容：一是油液本身的物理化学性能分析。例如，油的黏度、酸值、油性、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常运行尤为重要。因为黏度是影响油液流动的主要物理性质，又是决定运动件表面油膜厚度的主要因素；而酸值反映了油液对设备的腐蚀程度，也是油液变质的主要标志。二是油液的污染分析。油液中的污染物很多，有固体的、气体的、液体的，有磨粒、灰尘、水气、空气、微生物等。特别是固体磨粒其数量在每100ml油液中可高达108颗以上；其数量、成分、尺寸、形状、分布反映了不同磨损失效类型和故障特征。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。液压系统油液污染物的种类很多，一般定义为：外来的或生成的，不需要存在于油液中的，对液压系统工作性能、寿命和可靠性有害的物质或能量。污染物质指固态、气态、液态的无机物或有机物（微生物）；污染能量指热能、静电荷、磁场、放射线等。其中最经常出现、数量最大、危害最严重的是固体颗粒污染物。液压油液中的固体颗粒主要是指磨粒，除了部分属于外界侵入外（如灰尘、铸件砂粒），主要来源于液压设备运转时的摩擦磨损、机械冲击、表面疲劳、腐蚀、流体动力、化学及电化学反应等。据相关实验、统计显示，油液中固体颗粒的数量反映了液压系统的工作状态。油液诊断方法的基本步骤为采样、检测、诊断、预测和处理。所谓采样，就是采集能正确反映当前液压设备中元部件运行状态的、有代表性的油样；所谓检测，就是对油样进行分析，测定油样中磨屑的数量、大小及成分等；所谓诊断，就是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件磨损和何种磨损类型；所谓预测，就是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；所谓处理，就是根据预测的情况确定维修方式、时间和部位。目前已经使用或正在研究的油样分析检测方法，主要有光谱分析与铁谱分析两大类，其中常用的有油液光谱分析法、油液铁谱分析法和磁塞检查法等。油液光谱分析法是指用原子吸收或原子发散光谱分析油液中磨屑的成分和含量，判断磨损的零件和磨损的严重程度的方法。该方法对有色金属比较适用。油液铁谱分析法是指将油液按一定的操作步骤稀释在玻璃试管或玻璃片上，使之通过一个强磁场，在强磁场的作用下，不同大小的磨屑所能通过的距离不一样，根据油样中磨屑沉淀情况便可判断设备元部件磨损和程度。磁塞检查法是指用带有磁性的塞头插入液压设备的管道内收集油液中的磨屑，用肉眼直接观察磨屑的含量、大小及形状，以此来判断设备元部件的磨损状况。三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介1、磁塞分析法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、数量和形状，从而判断机器零件的磨损状态。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50。2、淤积指数法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，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3个不同容积的液量通过滤膜，测定相应的流过时间、、，则淤积指数S为（5—1）此法可用来测定5以下的颗粒数量或胶质状态物质。3、显微镜颗粒计数法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，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。该技术的优点是能直接观察和拍摄磨损微粒的形状、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，人工计数误差较大，再现性较差，对操作人员技术熟练程度要求苛刻。4、自动颗粒计数法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粒对光的消光、遮光作用（对不透明颗粒）或散射作用（对透明颗粒）的原理，自动地对样液中的颗粒尺寸进行测定和计数。5、颗粒浓度法这是一种对液体中颗粒进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量概念，而不是对单个颗粒进行测定。6、重量分析法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，因此只能用于润滑状态的粗略判断。四、铁谱分析技术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。铁谱分析使用的铁谱仪有分析式铁谱仪、直读铁谱仪、旋转式铁谱仪和在线铁谱仪四种基本类型。近年来，随着现代信息技术的发展，计算机图像分析、模式识别、神经网络和模糊推理等技术逐步应用于铁谱分析过程，为铁谱分析技术的发展注入了新的生机。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，主要有：（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，以判断磨屑的产生地，即磨损发生的部位。图5-1分析式铁谱仪工作原理图1—油样2—导油管3—微量泵4—玻璃基片5—磁场装置6—回油管7—贮油杯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仪主要由铁谱制谱仪、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。图5-2直读式铁谱仪工作原理图1—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9—废油10—信号转换器11—数字显示屏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，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，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5-2所示。取自机器的油样，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。在沉积管入口处，即在１～２ｍｍ位置上沉积着大于５的大磨粒，而在大于５ｍｍ的位置沉积着只有１～２的小磨粒。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，Ａ／Ｄ转换处理最终在和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。图5-3旋转式铁谱仪工作原理图移液管2图5-3旋转式铁谱仪工作原理图移液管2—油样3—玻璃基片4—磁头5—电动机旋转式铁谱仪的制谱原理如图5-3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、基片在电动机５的带动下旋转，由于离心作用，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、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，经收集由导油管排入贮残油杯。基片经清洗、固定和甩干处理后，便制成了谱片。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1~50微米，最大可达几百微米；中环为1~20微米；外环不大于10微米。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像分析仪上进行尺寸分布的分析。五、元素光谱技术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，来确定油液中金属元素浓度，进而判明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相关润滑油添加剂损耗程度的技术。可用于油液分析的光谱仪有原子发射光谱仪、火焰原子吸收光谱仪、电感耦合等离子原子发生光谱仪和X射线荧光色谱仪等，其中原子发射光谱仪应用较为普遍。在常规条件下，光谱所检测的磨粒尺寸范围在10以下，尽管大磨粒对于诊断严重磨损有着特殊的意义，但是油液中小尺寸磨粒数量的迅速增加往往是磨损异常的重要前兆，因此元素光谱分析依然是磨损故障早期预报的有效工具。与铁谱分析方法相比，光谱分析在检测有色金属颗粒方面存在明显的优越性。在现代油液分析技术中，常常将光谱分析与铁谱分析配合使用，互为补充，以提高磨损故障诊断的准确性。另外，光谱分析还能指示出来自外界和其它子系统的污染物以及润滑油添加剂中的金属元素含量，在一定程度上反映油液受污染的程度和添加剂损耗的水平，为判断油液状况提供依据。从这个意义上讲，油液光谱分析具有综合的效能。光谱分析一般能够反映两个方面的诊断信息：故障来源和故障水平。1、原子发射光谱技术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比关系：（5—2）式中——普朗克常数；——光子频率。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，再经分光系统，将受激后的辐射线按频率分开。根据不同波长上的谱线就能知道是什么元素，根据谱线的强弱判断出元素的含量。2、原子吸收光谱技术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。六、油液分析实例图5-4炼钢转炉倾动机构结构原理图1--电机；2--连轴器；3--分减速器；4--主减速器小齿轮；图5-4炼钢转炉倾动机构结构原理图1--电机；2--连轴器；3--分减速器；4--主减速器小齿轮；5—主减速器大齿轮；6—滚柱轴承；7—转炉托圈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运动。该机构的结构原理如图5-4所示，其中主减速器齿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加剂的齿轮油。某钢厂一台20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。根据送检油样含有较多大尺寸金属磨料（最大8mm）的情况，制定油液分析的方法程序框图如图5-5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进行测量的等离子发射光谱分析。主要油液分析结果如下：图5-5倾动机构油液分析方法程序1、大尺寸金属磨粒的成分用1CP—AES等离子发射光谱对大尺寸金属磨粒成分的分析结果如表6-1。由该表可见，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，主要成分的比例关系与滚柱轴承CCr15材料成分的比例关系不符；磨粒表面微区