第五章-机械故障诊断的油样分析技术(CUMT)
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1．铁谱片的双色显微镜观察与分析 (1)铁谱显微镜的结构和工作原理 如图5-14所示。
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随机因素干扰影响大； ④只能提供关于磨屑体积的信息，不能提供关于磨
屑形貌、磨屑来源的信息，因而信息量有限，常用 作油样的快速分析和初步诊断。
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2．分析式铁谱仪(Analytical Ferrograph)
(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
1．采样 • 一个合适的采样方法是保证获得正确分析结果的
首要条件。 铁谱技术要求采样时应遵循以下几条基本原则： • ①应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角、底
部等处采样； • ②应尽量选择在机器运转时，或刚停机时采样；
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③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；
于剪切混合层不稳定形成的；磨屑尺寸在20μm以 上，厚度>2μm以上，经常有锐利的直边，其典型 形貌如图5-6所示。
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第二节 油样铁谱分析技术
铁谱分析技术(Ferrography)是20世纪70年代国 际摩擦学领域出现的一项新技术 。
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。
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(2)性能特点 ①结构简单，价格便宜(约为分析式铁谱仪的1/4)； ②制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷； ③目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，
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(1) 结构和工作原理 旋转式铁谱仪 (RPD－Rotary Particle Depositor) 的结构如图所示， 其工作原理为：
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• 旋转式铁谱仪的磁场装置原理如图5-12所示，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。
用范围更广； • ④仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染； • ⑤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；
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• ⑥分析油样的效率高； • ⑦制片成本低； • ⑧分析式铁谱仪的谱片只有60mm长，在入口区的
(4)滚动疲劳加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4:1～10:1；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。
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(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
器以及双色显微镜在内的成套测试系统，其中制 谱仪的结构原理如图5－9所示。
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• 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。
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2．制谱 铁谱分析的关键步骤之一 稀释 加热 振荡 注入 清洗 固化 甩干
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3．观测与分析 • 谱片制好后，接下来的任务就是对谱片进
行观测与分析，包括定性分析与定量分析 两方面的内容。
一、铁谱分析与铁谱仪
所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪(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。
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• 铁谱仪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。
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磨损、疲劳和腐蚀是机械零件失效的 三种主要形式和原因，而其中磨损失效约 占80％左右。由于油样分析方法对磨损监 测的灵敏性和有效性，因此这种方法在机 械故障诊断中日益显示其重要地位。
④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。
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最后需提请注意的是，所采油样必须要有 完整的记录，包括采样日期、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，以及其他有关机器工作的信息等内容。
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。
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4.在线式铁谱仪
通过传感器电容的变化感知磨粒
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二、铁谱分析的一般程序
• 铁谱分析由采样、制谱、观测与分析、结论四个 基本环节组成。
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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。
在定性分析方面，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。
在定量分析方面，主要是进行光密度读数， 近来也有人开始研究用计算机对磨屑进行 图像处理。
• 4.结论
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三、铁谱的定性分析
• 对铁谱片进行定性分析的方法主要有铁谱显微镜 法、扫描电镜法和加热分析法等三种。
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(2)性能特点 • ①提供的信息较丰富 • ②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，供以后观察分 析用； • ③制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个 小时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验 室进行。
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• 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。
• 它们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，其中，光谱分析检测磨屑的有 效尺寸范围为0.1μm到8～10μm，但对大于2μm 的微粒，其检测效率就大为降低；磁塞技术能有 效地检测出上百微米甚至毫米级的磨屑；铁谱技 术能有效地检测从1μm到上百微米量级的微粒。
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2．磨屑形貌的识别 (1)正常滑动磨损的磨屑 • 对钢而言，通常是厚度小于1 μm的剪切混合层薄
片在剥落后形成的尺寸为0.5～15 μm的不规则碎 片，其典型形貌如图5－2所示。
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第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院 铁谱片
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对磨损微粒进行尺寸、浓度、形貌、分 布和成分等参数的定性与定量分析，便可在 不停机、不拆卸条件下诊断出机械设备的磨 损状况(磨损部位、磨损机理、磨损程度等); 预测出磨损的发展趋势，在故障诊断领域它 是检测机械磨损状况的一种十分直观的重要 手段。
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一、油样分析的含义
通过油样分析来了解机器的工作状态已有 很长的历史了。最初是通过油液的自身的理 化性能如粘度、闪点、酸值、水份和机械杂 质等参数的变化来判断机器的工作状态的。 这种方法为一种广泛采用的常规分析方法。
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第五章 机械故障诊断的油样分析技术
第一节 第二节 第三节 第四节
油样分析概述 油样铁谱分析技术 油样光谱分析技术 磁塞
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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 压油和润滑油。 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 设备所处工况作出准确的判断。
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(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1～
5μm的球状，有时也有厚1～2 μm 、大小为20～50 μm的片状碎片。
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机械在运行过程中，它的磨损产物(磨损微粒)都 要进入润滑油中。研究表明，磨损微粒带有许多有 关零件磨损状况的信息。不同磨损时期(磨合磨损 期、正常磨损期、剧烈磨损期)的磨损微粒在尺寸、 数量、分布等方面存在较明显的区别；不同磨损机 理(磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等) 作用下产生的磨损微粒，在形貌、大小等方面存在 较显著的差别；不同材料制成的磨损零件，磨损微 粒的化学成分也不相同。
1．直读式铁谱仪(DRF－Direct Reading Ferrograph) • (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 。 • 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，其沉积规律如图5-8所示。
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(2)磨料磨损的磨屑 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)，磨屑呈带 状，通常宽2～5 μm ，长约25～100μm。
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(2)性能特点 • ①RPD不需对油样进行稀释等特殊处理； • ②操作简便，不需专门技术； • ③对不同粘度的润滑油可选用不同的转速，因而使
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3．旋转式铁谱仪
• 前述的传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷： • ①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； • ②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。
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随机因素干扰影响大； ④只能提供关于磨屑体积的信息，不能提供关于磨
屑形貌、磨屑来源的信息，因而信息量有限，常用 作油样的快速分析和初步诊断。
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2．分析式铁谱仪(Analytical Ferrograph)
(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
1．采样 • 一个合适的采样方法是保证获得正确分析结果的
首要条件。 铁谱技术要求采样时应遵循以下几条基本原则： • ①应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角、底
部等处采样； • ②应尽量选择在机器运转时，或刚停机时采样；
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③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；
于剪切混合层不稳定形成的；磨屑尺寸在20μm以 上，厚度>2μm以上，经常有锐利的直边，其典型 形貌如图5-6所示。
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第二节 油样铁谱分析技术
铁谱分析技术(Ferrography)是20世纪70年代国 际摩擦学领域出现的一项新技术 。
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。
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(2)性能特点 ①结构简单，价格便宜(约为分析式铁谱仪的1/4)； ②制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷； ③目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，
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(1) 结构和工作原理 旋转式铁谱仪 (RPD－Rotary Particle Depositor) 的结构如图所示， 其工作原理为：
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• 旋转式铁谱仪的磁场装置原理如图5-12所示，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。
用范围更广； • ④仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染； • ⑤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；
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• ⑥分析油样的效率高； • ⑦制片成本低； • ⑧分析式铁谱仪的谱片只有60mm长，在入口区的
(4)滚动疲劳加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4:1～10:1；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。
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(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
器以及双色显微镜在内的成套测试系统，其中制 谱仪的结构原理如图5－9所示。
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• 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。
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2．制谱 铁谱分析的关键步骤之一 稀释 加热 振荡 注入 清洗 固化 甩干
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3．观测与分析 • 谱片制好后，接下来的任务就是对谱片进
行观测与分析，包括定性分析与定量分析 两方面的内容。
一、铁谱分析与铁谱仪
所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪(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。
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• 铁谱仪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。
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磨损、疲劳和腐蚀是机械零件失效的 三种主要形式和原因，而其中磨损失效约 占80％左右。由于油样分析方法对磨损监 测的灵敏性和有效性，因此这种方法在机 械故障诊断中日益显示其重要地位。
④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。
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最后需提请注意的是，所采油样必须要有 完整的记录，包括采样日期、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，以及其他有关机器工作的信息等内容。
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。
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通过传感器电容的变化感知磨粒
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二、铁谱分析的一般程序
• 铁谱分析由采样、制谱、观测与分析、结论四个 基本环节组成。
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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。
在定性分析方面，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。
在定量分析方面，主要是进行光密度读数， 近来也有人开始研究用计算机对磨屑进行 图像处理。
• 4.结论
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三、铁谱的定性分析
• 对铁谱片进行定性分析的方法主要有铁谱显微镜 法、扫描电镜法和加热分析法等三种。
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(2)性能特点 • ①提供的信息较丰富 • ②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，供以后观察分 析用； • ③制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个 小时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验 室进行。
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• 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。
• 它们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，其中，光谱分析检测磨屑的有 效尺寸范围为0.1μm到8～10μm，但对大于2μm 的微粒，其检测效率就大为降低；磁塞技术能有 效地检测出上百微米甚至毫米级的磨屑；铁谱技 术能有效地检测从1μm到上百微米量级的微粒。
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2．磨屑形貌的识别 (1)正常滑动磨损的磨屑 • 对钢而言，通常是厚度小于1 μm的剪切混合层薄
片在剥落后形成的尺寸为0.5～15 μm的不规则碎 片，其典型形貌如图5－2所示。
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对磨损微粒进行尺寸、浓度、形貌、分 布和成分等参数的定性与定量分析，便可在 不停机、不拆卸条件下诊断出机械设备的磨 损状况(磨损部位、磨损机理、磨损程度等); 预测出磨损的发展趋势，在故障诊断领域它 是检测机械磨损状况的一种十分直观的重要 手段。
2Байду номын сангаас
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一、油样分析的含义
通过油样分析来了解机器的工作状态已有 很长的历史了。最初是通过油液的自身的理 化性能如粘度、闪点、酸值、水份和机械杂 质等参数的变化来判断机器的工作状态的。 这种方法为一种广泛采用的常规分析方法。
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第一节 第二节 第三节 第四节
油样分析概述 油样铁谱分析技术 油样光谱分析技术 磁塞
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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 压油和润滑油。 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 设备所处工况作出准确的判断。
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(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1～
5μm的球状，有时也有厚1～2 μm 、大小为20～50 μm的片状碎片。
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机械在运行过程中，它的磨损产物(磨损微粒)都 要进入润滑油中。研究表明，磨损微粒带有许多有 关零件磨损状况的信息。不同磨损时期(磨合磨损 期、正常磨损期、剧烈磨损期)的磨损微粒在尺寸、 数量、分布等方面存在较明显的区别；不同磨损机 理(磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等) 作用下产生的磨损微粒，在形貌、大小等方面存在 较显著的差别；不同材料制成的磨损零件，磨损微 粒的化学成分也不相同。
1．直读式铁谱仪(DRF－Direct Reading Ferrograph) • (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 。 • 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，其沉积规律如图5-8所示。
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(2)磨料磨损的磨屑 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)，磨屑呈带 状，通常宽2～5 μm ，长约25～100μm。
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(2)性能特点 • ①RPD不需对油样进行稀释等特殊处理； • ②操作简便，不需专门技术； • ③对不同粘度的润滑油可选用不同的转速，因而使
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3．旋转式铁谱仪
• 前述的传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷： • ①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； • ②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。