第十八章 机械故障诊断油样分析技术

第十八章机械故障诊断的油样分析技术

18.1 油样分析概述 (1)

18.1.1 油样分析的含义 (1)

18.1.2 油样分析的信息含量 (2)

18.2 油样铁谱分析技术 (6)

18.2.1 铁谱分析与铁谱仪 (6)

18.2.2 铁谱分析的一般程序 (12)

18.2.3 铁谱的定性分析 (13)

18.2.4 铁谱分析的定量指标 (19)

18.2.5 铁谱分析的特点 (19)

18.2.6 铁谱技术的应用 (20)

18.2.7 磨粒种类及特征 (21)

18.3 油样光谱分析技术 (21)

18.3.1 油样光谱分析的简单原理 (21)

18.3.2 油样光谱分析的特点 (22)

18.3.3 油样光谱分析的磨损界限 (24)

18.4 磁塞 (25)

18.4.1 磁塞检测的基本原理 (25)

18.4.2 磁塞的构造 (26)

18.4.3 安装 (27)

18.4.4 磁性磨屑的识别 (28)

18.1 油样分析概述

在机械设备中广泛使用的液压油和润滑油，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。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手段之一。

18.1.1 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、以颗粒计数为代表的油样污染度评定、以及油样铁谱和光谱分析技术等。理论上讲，这些有关油样的分析测试都可用作机械设备故障诊断的信息来源，生产实践中也确有这方面的应用。但是，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。

其中，检测效率 e 可定义为：

式中e1 ——传输效率，是指传输到采样点处的磨屑数量与磨损零件所产生的磨屑数量之比；

e2 ——捕捉效率，是指被收集到的磨屑数量与传输到采样点处的磨屑数量之比；

e3 ——指示效率，是指有指示效力的磨屑数量与被捕捉到的磨屑数量之比。

图5-1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：＜10μm、1～100μm、100～1000μm，同时，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。

18.1.2 油样分析的信息含量

1.信息来源

通过油样分析，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。

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，所产生的磨屑形貌是不同的，磨屑形貌的识别有助于我们针对不同的磨损机理采取不同的维修或预防措施，以下是几种常见磨损机理的磨屑形貌：

(1) 正常滑动磨损的磨屑:对钢而言,通常是厚度小于1μm的剪切混合层薄片在剥落后形成的尺寸为0.5～15μm的不规则碎片,其典型形貌如图 5-2 所示：

(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)，磨屑呈带状，通常宽2～5μm，长约25～100μm，其典型形貌如图5-3(a)、(b)、(c) 所示：

(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1～2μm、大小为20～50μm的片状碎片，其典型形貌如图5-4(a)、(b)、(c)：

(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，其典型形貌如图5-5(a)、(b)、(c)所示:

(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:

18.2 油样铁谱分析技术

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于机械设备工况监测诊断的工具。

经过各国学者和广大工程技术人员的共同努力，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。

18.2.1 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。铁谱仪据其工作方式的不同，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。

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，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(10)以及其他辅助机构等组成。