第五章 机械故障诊断的油样分析技术

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1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。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2一、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。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3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。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4•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。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5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6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，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7二、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。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8第二节油样铁谱分析技术。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。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9二、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。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；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10③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；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。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11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。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122．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13三、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。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。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14四、铁谱分析的定量指标油样中磨粒的浓度和尺寸分布是反映磨损状况的两个定量信息。磨粒浓度是用铁谱片上磨粒的覆盖面积来表征的；在铁谱片上不同位置，磨粒覆盖面积值的变化即给出了磨粒的尺寸分布。铁谱显微镜的铁谱读数器用来完成这一测量。铁谱读数器是一个光密度计，它的光敏元件与显微镜的光路相连，数字显示部分直接显示出被测部位的磨粒覆盖面积百分数，称之为铁谱读数。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15五、铁谱分析的特点1．铁谱技术的主要优点•①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；•②定性分析与定量分析相结合，提高了诊断结论的可靠性；•③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、擦伤和腐蚀磨损等。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162．铁谱技术的局限性(1)非实时监测(2)过分依赖人的经验(3)对采样要求较苛刻(4)对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳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17对于非铁磁性的有色金属合金磨损颗粒，应用铁谱分析方法存在两个困难：首先是因为有色合金颗粒一般硬度较低，在很多异常磨损情况下，所生成的颗粒尺寸往往达到毫米级，这些颗粒极易沉积，采样时就难以取到；其次是，铁谱方法对油样中非铁磁性颗粒的沉积效率也较低，且难以准确定量。在复杂的摩擦系统中，诸如铜、铝和巴氏合金等材质摩擦副大量存在，对其监测同样十分重要。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18第三节油样光谱分析技术油样光谱分析的简单原理：原子受到外来能量的作用时，其核外电子就会吸收一定的能量从低能级跃迁到高能级的轨道上去，这时的原子称为激发态。激发态的原子是一种不稳定状态，其存在的时间很短，约为10－8s。原子由激发态返回基态的同时，将所吸收的能量以一定频率的电磁波形式辐射出去。每种原子吸收或释放的能量ΔE与激发的光辐射或发射的电磁波辐射的波长λ之间有固定关系。这里λ又称为待征波长。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19第四节磁塞一、磁塞检测的基本原理其基本原理是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、数量和形貌进行观测与分析，以此推断机器零部件的磨损状态。图5-16所示是磨损过程中磨屑尺寸随时间的发展趋势图，说明了机器零部件在磨损过程中，磨屑的尺寸分布随时间的增长而增大。