1第五章機械故障診斷的油樣分析技術第一節油樣分析概述第二節油樣鐵譜分析技術第三節油樣光譜分析技術第四節磁塞2第一節油樣分析概述

在機械設備中廣泛存在著兩類工作油：液壓油和潤滑油。通過對工作油液(脂)的合理采樣，并進行必要的分析處理后，就能取得關于該機械設備各摩擦副的磨損狀況：包括磨損部位、磨損機理以及磨損程度等方面的信息，從而對設備所處工況作出準確的判斷。3一、油樣分析的含義

通過油樣分析來了解機器的工作狀態已有很長的歷史了。最初是通過油液的自身的理化性能如粘度、閃點、酸值、水份和機械雜質等參數的變化來判斷機器的工作狀態的。這種方法為一種廣泛采用的常規分析方法。4

機械在運行過程中，它的磨損產物(磨損微粒)都要進入潤滑油中。研究表明，磨損微粒帶有許多有關零件磨損狀況的信息。不同磨損時期(磨合磨損期、正常磨損期、劇烈磨損期)的磨損微粒在尺寸、數量、分布等方面存在較明顯的區別；不同磨損機理(磨料磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損等)作用下產生的磨損微粒，在形貌、大小等方面存在較顯著的差別；不同材料制成的磨損零件，磨損微粒的化學成分也不相同。56

對磨損微粒進行尺寸、濃度、形貌、分布和成分等參數的定性與定量分析，便可在不停機、不拆卸條件下診斷出機械設備的磨損狀況(磨損部位、磨損機理、磨損程度等);預測出磨損的發展趨勢，在故障診斷領域它是檢測機械磨損狀況的一種十分直觀的重要手段。7在機械故障診斷這個特定的技術領域中，油樣分析技術通常是指油樣的鐵譜分析技術和油樣光譜分析技術，有時也包含磁塞技術。它們的共性是都可用作鐵磁性物質顆粒(光譜分析不僅限于鐵磁性物質)的收集和分析，但各有不同的尺寸敏感范圍，其中，光譜分析檢測磨屑的有效尺寸范圍為0.1μm到8～10μm，但對大于2μm的微粒，其檢測效率就大為降低；磁塞技術能有效地檢測出上百微米甚至毫米級的磨屑；鐵譜技術能有效地檢測從1μm到上百微米量級的微粒。89

磨損、疲勞和腐蝕是機械零件失效的三種主要形式和原因，而其中磨損失效約占80％左右。由于油樣分析方法對磨損監測的靈敏性和有效性，因此這種方法在機械故障診斷中日益顯示其重要地位。10二、油樣分析的信息含量1．信息來源通過油樣分析，我們能取得如下幾方面的信息：①磨屑的濃度和顆粒大小反映了機器磨損的嚴重程度；②磨屑的大小和形貌反映了磨屑產生的原因，即磨損發生的機理；③磨屑的成分反映了磨屑產生的部位，亦即零件磨損的部位。112．磨屑形貌的識別(1)正常滑動磨損的磨屑對鋼而言，通常是厚度小于1μm的剪切混合層薄片在剝落后形成的尺寸為0.5～15μm的不規則碎片，其典型形貌如圖5－2所示。12鐵譜片13(2)磨料磨損的磨屑一個摩擦表面切入另一摩擦表面形成(二體磨料磨損)，也可能由潤滑油中的雜質、砂粒及較硬的磨屑切削較軟的摩擦表面形成(三體磨料磨損)，磨屑呈帶狀，通常寬2～5μm，長約25～100μm。1415(3)滾動疲勞磨損的磨屑由滾動疲勞后剝落形成，磨屑通常呈直徑為1～5μm的球狀，有時也有厚1～2μm、大小為20～50μm的片狀碎片。1617(4)滾動疲勞加滑動疲勞磨損的磨屑主要是指齒輪節圓上的材料疲勞剝落形成的不規則磨屑，通常寬厚比為4:1～10:1；當齒輪載荷過大、速度過高時，齒面上也會出現凹凸不平的麻點和坑。18(5)嚴重滑動磨損的磨屑是在摩擦面的載荷過大或速度過高的情況下，由于剪切混合層不穩定形成的；磨屑尺寸在20μm以上，厚度>2μm以上，經常有銳利的直邊，其典型形貌如圖5-6所示。19第二節油樣鐵譜分析技術

鐵譜分析技術(Ferrography)是20世紀70年代國際摩擦學領域出現的一項新技術。鐵譜技術已從最初的在發動機上的應用擴展到液壓系統、齒輪蝸輪傳動箱、軸承等部件。

一、鐵譜分析與鐵譜儀

所謂鐵譜分析，就是利用鐵譜儀(Ferrograph)從潤滑油樣(脂)試樣中，分離和檢測出磨屑和碎屑，從而分析和判斷機器運動副表面的磨損類型、磨損程度和磨損部位的技術。20鐵譜儀是鐵譜分析的關鍵設備，根據其工作方式的不同，鐵譜儀可分為直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀和旋轉式鐵譜儀。1．直讀式鐵譜儀(DRF－DirectReadingFerrograph)(1)結構和工作原理直讀式鐵譜儀的結構原理如圖5-7所示。油樣在虹吸現象的作用下流入沉積管，在沉積管的下部有一高強度、高梯度磁場，油樣中的鐵磁性顆粒受重力、浮力以及磁力三者的綜合作用，在隨著油樣流過沉積管的過程中，將會在沉積管內有規律地沉積下來，其沉積規律如圖5-8所示。21222324(2)性能特點①結構簡單，價格便宜(約為分析式鐵譜儀的1/4)；②制譜與讀譜合二為一，分析過程簡便快捷；③目前的直讀式鐵譜儀讀數穩定性、重復性較差，隨機因素干擾影響大；④只能提供關于磨屑體積的信息，不能提供關于磨屑形貌、磨屑來源的信息，因而信息量有限，常用作油樣的快速分析和初步診斷。252．分析式鐵譜儀(AnalyticalFerrograph)(1)結構和工作原理分析式鐵譜儀一般是指包括制譜儀、光密度讀數器以及雙色顯微鏡在內的成套測試系統，其中制譜儀的結構原理如圖5－9所示。262728磨屑在基片上排列成與流動方向垂直的鏈狀譜，如圖5-10所示。29(2)性能特點①提供的信息較豐富②直讀式鐵譜儀只能進行一次測量，不能將沉積管從磁場中取出后再放上去重新讀數；而分析式鐵譜儀制成的譜片可以保存起來，供以后觀察分析用；③制譜過程較慢，制作一個完整的譜片約需半個小時，且制譜時要求較嚴格，故一般只能在實驗室進行。303．旋轉式鐵譜儀前述的傳統分析式鐵譜儀存在兩個固有的缺陷：①蠕動泵輸送油樣時對磨屑的碾壓和拋光效應，改變了磨屑的原始形貌，從而影響了對其形貌特征識別和磨損機理的研究；②由于沉積面積有限，先行沉積的磨屑對流道的堵塞，不僅造成了磨屑的堆積，而且還破壞了磨屑在譜片上的沉積規律，從而影響了鐵譜的定量分析。31旋轉式鐵譜儀(RPD－RotaryParticleDepositor)的結構如圖所示，其工作原理為：(1)結構和工作原理32旋轉式鐵譜儀的磁場裝置原理如圖5-12所示，它由三塊同心圓環形磁鐵組成三個同心圓環形磁場，它們的磁力線都沿徑向分布，這樣，磨屑在沉積過程中將排列成環狀譜線，其尺寸由內到外逐漸減小，如圖5-13所示。33343536(2)性能特點①RPD不需對油樣進行稀釋等特殊處理；②操作簡便，不需專門技術；③對不同粘度的潤滑油可選用不同的轉速，因而使用范圍更廣；④儀器附有清洗液系統，以最大限度地減小污染；⑤在整個操作過程中，不會使磨屑產生附加的機械變形，克服了分析式鐵譜儀在制譜中微量泵對磨屑的碾壓效應；37⑥分析油樣的效率高；⑦制片成本低；⑧分析式鐵譜儀的譜片只有60mm長，在入口區的沉積面積內，磨屑可能大量重疊，而RPD譜片上三道環沉積區面積大，磨屑能充分地彼此分離，避免重疊。384.在線式鐵譜儀通過傳感器電容的變化感知磨粒39二、鐵譜分析的一般程序鐵譜分析由采樣、制譜、觀測與分析、結論四個基本環節組成。1．采樣一個合適的采樣方法是保證獲得正確分析結果的首要條件。鐵譜技術要求采樣時應遵循以下幾條基本原則：①應盡量選擇在機器過濾器前并避免從死角、底部等處采樣；②應盡量選擇在機器運轉時，或剛停機時采樣；40③應始終在同一位置、同一條件下(如停機則應在相同的時間后)和同一運轉狀態(轉速、載荷相同)下采樣；④采樣周期應根據機器摩擦副的特性、機器的使用情況以及用戶對故障早期預報準確度的要求而定。41

最后需提請注意的是，所采油樣必須要有完整的記錄，包括采樣日期、大修后的小時數、換油后的小時數和上一次采樣后的加油量，以及其他有關機器工作的信息等內容。

422．制譜鐵譜分析的關鍵步驟之一稀釋加熱振蕩注入清洗固化甩干433．觀測與分析譜片制好后，接下來的任務就是對譜片進行觀測與分析，包括定性分析與定量分析兩方面的內容。在定性分析方面，可用鐵譜顯微鏡對磨屑形貌進行觀測，也可用掃描電子顯微鏡(SEM)對磨屑進行更細微的觀察。在定量分析方面，主要是進行光密度讀數，近來也有人開始研究用計算機對磨屑進行圖像處理。

4.結論44

三、鐵譜的定性分析對鐵譜片進行定性分析的方法主要有鐵譜顯微鏡法、掃描電鏡法和加熱分析法等三種。1．鐵譜片的雙色顯微鏡觀察與分析(1)鐵譜顯微鏡的結構和工作原理如圖5-14所示。4546(2)鐵譜顯微鏡的光源及其運用①白色反射光照明觀察白色反射光用來觀測磨屑的形狀、顏色和大小。白色反射光還用于鐵譜片的加熱分析，以判斷各種磨屑的成分。②白色透射光照明觀察無論磨屑是透明、半透明還是不透明的，都能用白色透射光進行觀察與分析。白色透射光常用來判斷氧化物磨屑是否有游離金屬。47③雙色照明觀察雙色照明用于單獨用反射光或透射光難以對磨屑進行判別的場合，紅色光線由譜片表面反射至目鏡，而綠色光線由下方透射穿過譜片到達目鏡，利用這兩種光源便可對磨屑成分進行判別。④偏振光觀察利用偏振光觀察磨屑，對于鑒別氧化物、塑料及其他各種固體污染物特別有效，而且簡便、快捷。482．鐵譜片的掃描電鏡觀察與分析利用掃描電鏡(SEM)不僅可以更細微地觀察磨屑的形貌，而且，用配有X射線能譜(EDX)的掃描電鏡還可以分析磨屑的成分。493．鐵譜片的加熱分析法

有關磨屑成分的重要信息可以通過觀察磨屑在加熱鐵譜片的過程中的變化來獲得。鐵系金屬磨屑可以按加熱時的回火色加以區分。對各種白色金屬磨屑可以利用鐵譜片加熱法配合以酸堿浸蝕法加以鑒別。鐵譜片中存在的有機化合物和無機化合物也可用加熱分析法予以區分。加熱后觀察，有機化合物的亮度大為減弱，而無機化合物因具有很強的化學穩定性而幾乎不受加熱的影響。505152535455565758596061四、鐵譜分析的定量指標

油樣中磨粒的濃度和尺寸分布是反映磨損狀況的兩個定量信息。磨粒濃度是用鐵譜片上磨粒的覆蓋面積來表征的；在鐵譜片上不同位置，磨粒覆蓋面積值的變化即給出了磨粒的尺寸分布。鐵譜顯微鏡的鐵譜讀數器用來完成這一測量。鐵譜讀數器是一個光密度計，它的光敏元件與顯微鏡的光路相連，數字顯示部分直接顯示出被測部位的磨粒覆蓋面積百分數，稱之為鐵譜讀數。62

在測取鐵譜讀數時，采用白色反射光照明，鐵譜片被測部位的圓形視場通過物鏡和攝影目鏡聚焦在光敏元件上。鐵譜讀數實際上是測定光強衰減值。測定時反射光源電路內串聯有穩壓器，以避免光源強度波動所引起的測量誤差。63測量鐵譜讀數的步驟如下：

(1)將被測部位的視場在顯微鏡下聚焦；

(2)移動工作臺，將鐵譜片大磨粒沉積的空白部位置于物鏡下調零點(調到1)；

(3)將被測部位重新移到物鏡下；

(4)緩慢移動工作臺，在被測部位掃描，讀出鐵譜讀數的最大值。64式中：D代表鐵譜光密度值；I0為清

潔的玻璃基片的光亮度；Ip為沉積有磨粒的鐵譜片的光亮度。65

由于光亮度與透光面積成正比，因此可以根據儀器上的光密度計讀出光密度值D，從而得到此時譜片被觀測處的磨屑覆蓋面積。

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對于兩點式監測鐵譜儀，由于AL反映了大顆粒的數量，而AS則反映了小顆粒的數量，故有人直接用AL和AS，作為鐵譜定量指標。還有人用AL(AL-AS)、(AL-AS)/AS作為定量指標。較為常用的定量指標是IS＝(AL+AS)(AL-AS)，稱為磨損烈度，因為IS既反映了總的磨損濃度(AL+AS)，又表征了大顆粒與小顆粒的濃度差(AL-AS)。67KTP型旋轉式鐵譜儀的磨損烈度為。式中IS——磨損烈度；

AL——內圈磨屑覆蓋面積；

AM——中圈磨屑覆蓋面積；

AS——外圈磨屑覆蓋面積。68

五、鐵譜分析的特點1．鐵譜技術的主要優點①具有較高的檢測效率和較寬的磨屑尺寸檢測范圍，可同時給出磨損機理、磨損部位以及磨損程度等方面的信息；②定性分析與定量分析相結合，提高了診斷結論的可靠性；③可對磨損故障作出早期診斷，能準確地檢測出系統中一些不正常磨損的輕微征兆，如早期的疲勞磨損、粘著、擦傷和腐蝕磨損等。692．鐵譜技術的局限性(1)非實時監測(2)過分依賴人的經驗(3)對采樣要求較苛刻(4)對非鐵磁性磨損顆粒的檢測效果欠佳

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對于非鐵磁性的有色金屬合金磨損顆粒，應用鐵譜分析方法存在兩個困難：首先是因為有色合金顆粒一般硬度較低，在很多異常磨損情況下，所生成的顆粒尺寸往往達到毫米級，這些顆粒極易沉積，采樣時就難以取到；其次是，鐵譜方法對油樣中非鐵磁性顆粒的沉積效率也較低，且難以準確定量。在復雜的摩擦系統中，諸如銅、鋁和巴氏合金等材質摩擦副大量存在，對其監測同樣十分重要。71六、鐵譜技術的應用1．齒輪磨損的監測診斷鐵譜技術是監測診斷齒輪磨損的有效工具。某化學公司在處理齒輪箱的油樣時，在雙色照明觀察譜片的入口處，發現有大量的反射紅色的微粒。多數微粒的大小為8～30μm，呈薄片狀，表面沒有氧化或擦傷。掃描電鏡觀察，磨屑表面十分光滑，經測試，其表面積與厚度之比約為10:1，這與齒面疲勞磨損的微粒特征相符，說明該齒輪已發生了不正常磨損。開箱檢查，證實齒面已嚴重磨損，說明了鐵譜監測的有效性。72滾動疲勞加滑動疲勞磨損的磨屑主要是指齒輪節圓上的材料疲勞剝落形成的不規則磨屑，通常寬厚比為4:1～10:1；當齒輪載荷過大、速度過高時，齒面上也會出現凹凸不平的麻點和坑。732．液壓系統的監測診斷圖5-15所示是一臺W613型鏟車液壓系統從正常磨損至失效的光密度讀數變化曲線。74第三節油樣光譜分析技術

油樣光譜分析的簡單原理：原子受到外來能量的作用時，其核外電子就會吸收一定的能量從低能級躍遷到高能級的軌道上去，這時的原子稱為激發態。激發態的原子是一種不穩定狀態，其存在的時間很短，約為10－8s。原子由激發態返回基態的同時，將所吸收的能量以一定頻率的電磁波形式輻射出去。75每種原子吸收或釋放的能量ΔE與激發的光輻射或發射的電磁波輻射的波長λ之間有固定關系。這里λ又稱為待征波長。76

若能用儀器檢測出用特征波長射線激發原子后輻射強度的變化(由于一部分能量被吸收)，則可知道所對應元素的含量(濃度)。同理，用一定方法(如電弧沖擊)將含數種金屬元素的原子激發后，若能測得其發射的輻射線的待征波長時，就可以知道油樣中所含元素的種類。前者稱為原子吸收光譜分析法，后者稱為原子發射光譜分析法。77

油樣光譜分析，就是利用油樣中所含金屬元素原子的核外電子在原子內能級間躍遷產生的特征譜線來檢測該種元素的存在與否，而特征譜線的強度則與該種金屬元素的含量多少有關，這樣，通過光譜分析，就能檢測出油樣中所含金屬元素的種類及其濃度，以此推斷產生這些元素的磨損發生部位及其嚴重程度，并依此對相應零部件的工況作出判斷。78

原子吸收光譜法所用的儀器稱為原子吸收分光光度計，它由三部分所組成：元素燈又稱為陰極射線管，其燈絲是由待檢元素所制成。例如銅(Cu)元素燈工作時將發射持征波長為3247

的陰極射線。乙炔－空氣燈的作用是其高溫火焰將油樣中各種金屬磨粒變成原子蒸汽，即離子狀態。檢測顯示系統包括單色器、光電管、放大器及數字顯示屏幕。其作用是檢測元素燈發射的射線經原子蒸汽吸收后輻射強度的變化。單色器相當于濾波器，它只能通過特定波長的射線，射線經光電管轉變為電信號，再經放大后由顯示屏讀出。原子吸收光譜法的工作原理7980

設油樣中待檢元素為銅，則使用銅元素燈發出特征波長為3247和一定強度的電磁波射線，并穿過乙炔－空氣燈的高溫火焰。油樣經霧化后吸入燃氣火焰使所含的各種金屬磨粒變成原子蒸汽，其中銅原子將會吸收一部分銅元素燈輻射線的能量而處于激發狀態。元素燈輻射線的另一部分透過火焰后強度變弱并進入單色器，并由光電管轉換為電信號，經放大處理后由顯示屏顯示油液中銅的濃度。81原子吸收光譜儀外形圖火焰原子吸收光譜儀基本構成原子濃度入射光強透射光強82

原子吸收光譜法具有分析的精度很高，取樣較少，適用范圍較廣的特點，其不足之處在于每測一種元素要換一種元素燈，比較麻煩；使用燃氣火焰不方便也不安全，除檢測元素含量和種類外，不能提供磨粒的形態尺寸等直觀形象的信息。83原子發射光譜法的工作原理

油樣中各種金屬元素經炭極電弧激發而發射出各種特征波長的射線。經光學系統的聚焦、折射及光柵的分光后，將各種特征波長的輻射線投入到相應的光電倍增管并轉變成電信號，再經數據處理系統后即可顯示出金屬的種類及含量，并可將結果打印出來。84一種原子發射光譜儀外形及原理85原子發射光譜法的持點是：

(1)其儀器設備的發展水平很高，具有很強的功能和自動化程度。采用模塊式結構，并配有計算機存儲及數據處理系統。其分析的油樣不需要經過預處理。可同時分析21－24種元素。測量時間僅需40s左右，可直接讀數或計算機打印結果。適合于有多種材質摩擦副的設備如內燃機等的群體監測。

(2)只能提供磨粒中金屬的種類和含量而不能提供其形態、尺寸、顏色等直觀形象。

(3)儀器價格昂貴，實驗費用較高，故不便于推廣應用。86其它光譜儀X熒光光譜儀可探測分析較大磨粒87紅外光譜儀通過干涉獲得光強輸出的余弦波形式，再采用傅立葉變換技術獲得紅外光譜圖88油液光譜分析的磨損界限與油液的來源密切相關，取決于合金成分的多少/設備類型/工作特點/初期缺陷等性質。需針對具體設備及工作條件的不同，經反復實驗才能確定合適的磨損界限。參考表5-489光譜技術在設備故障診斷中的應用1，監測設備磨損趨勢2，確定最佳磨合規范