第4章_润滑油分析

45第4章油液分析4.1概述4.1.1油液分析的意义油液分析是指对运行中机械设备的润滑油进行检测、分析获取有用信息，并作出诊断结论的技术过程。油液分析主要包含二方面内容。（1）油液理化性能参数分析分析油液的粘度、闪点、水分、酸度和机械杂质等参数的变化是识别机械设备润滑状态的重要手段。目的是防止机械零件因润滑不良而发生损伤，影响机械设备的使用寿命；同时也为添加或更换润滑油提供科学依据，为企业节省费用，为社会节约资源。（2）油液中磨损微粒分析机械在运行过程中，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。因此，对磨损微粒只要进行尺寸、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。理论上讲，这两方面的检测分析都为机械设备的故障诊断与预测带来许多有用的信息。但在机械设备故障诊断领域，油液分析通常是专指磨损产物的检测分析技术。磨损是使零件丧失规定功能，导致设备故障的主要原因，据统计报废的机械零件中约有80％是由磨损造成的。所以根据润滑油中磨损产物的状况判断设备的运行状态具有十分重要的意义。因此，近年来国内外都十分重视开展油液分析的研究工作，开发了一些新的仪器和新的分析技术。4.1.2油液分析的步骤油液分析工作主要分为采样、油样处理、检测、诊断、预测和处理几个步骤。（1）采样采样是指从润滑油中取出检测分析的样品，这是油液分析的重要环节，关系到分析结论的正确性。对采样工作的要求是保证油样具有代表性，能反映当前设备的运行状态。因此，对采样的时间、周期、位置都应认真考虑。①采样时间采样时间应在机械设备运行稳定和磨损产物混合均匀以后。若在停机后在油箱进行采样，则应尽早进行，以免大磨损微粒沉降下去影响油样的质量。②采样周期采样周期取决于机械设备的重要性和安全性以及磨损情况。重要的、安全性要求高的采样周期应短；在磨合磨损阶段的设备采样周期也应短；在正常磨损阶段的46设备采样周期可长；设备进入剧烈磨损阶段采样周期又应缩短。③采样位置采样位置应在回油管靠近被监测的零件，若在油箱中采样，采样点应在油面高度一半以下的地方。考虑到大磨损微粒首先下沉，必要时可在油箱底部采样，但要保持与箱底沉积物之间有一定距离。（2）油样处理油样处理包括加热和稀释两个环节。加热的目的是使油样在储样瓶中形成对流，加上摇动使磨损微粒分布均匀；稀释的目的是降低油样的浓度和粘度使之适合检测分析的需要。降低浓度需要在油样中加入同牌号的纯净油；降低粘度需要在油样中加入粘度小的纯净油。（3）检测与诊断检测与诊断是指测定油样中磨损产物的含量和粒度分布，初步判断机械设备的磨损状态是否正常。当它属于异常磨损时，还需要进一步进行检测分析，确定磨损的详细情况。（4）预测与处理预测与处理是指预测异常磨损状态下零件的剩余寿命和今后的磨损类型，根据预测情况确定维修方式、维修时间，以及需要更换的零件。4.1.3油样分析的内容一、成分分析油样中出现的化学元素,来源于含有这些元素的材料制成的零件。所以根据油中所含微粒化学成分浓度的测定，能判断出对应零件的磨损程度。但是应注意，若密封不良润滑油中混入了粉尘时，由于粉尘的主要成分是二氧化硅，要影响硅的分析。二、磨损产物的含量及其增长速度分析在无烧损、无漏损的条件下，油样中磨损产物的浓度与零件的磨损程度存在线性关系。因此，测定磨损产物的浓度就可判断零件磨损量的大小。若磨损产物浓度有人为的变动时，用绝对浓度判断零件磨损量就有困难，可以改用浓度的变化量（磨损产物的增长速度）由于磨损物浓度的增长速度与零件的磨损速度存在线性关系，因此测定磨损产物的浓度变化可以判断零件磨损所在的磨损阶段。一般说在磨合磨损阶段由于相互运动的表面粗糙不平，接触应力大、磨损速度很高，磨损产物的浓度变化很大；在正常磨损阶段，接触应力减小，磨损也小，磨损产物的浓度变化慢；在剧烈磨损阶段，表面已损伤严重，磨损速度急剧增加，磨损产物的浓度也急剧增大，其值是正常量的几倍或几十倍。三、磨损产物的粒度和形貌分析磨损产物的粒度与零件的磨损过程关系很大。在磨合磨损阶段，磨损微粒较大一般在10～20m左右；在正常磨损阶段，磨损微粒细小、均匀，尺寸一般在10m以下；在剧烈磨损阶段，磨损微粒粗大一般在10～30m间，甚至更大。磨损产物的形貌与磨损类型关系很大。磨料磨损的产物是带状卷曲形状，表现出微切削特征；粘着磨损的产物可能是条状，表面粗糙有撕裂痕迹；疲劳磨损的产物片状、粒状都有，显著的特征是这种微粒的一个表面（摩擦面）光滑明亮，而另一面则是布纹状的粗糙组织，有断裂痕迹；腐蚀磨损的微粒呈粉末状，氧化磨损微粒常温下呈红色，高温下呈黑色。474.1.4油液分析方法油液分析方法主要有：光谱分析，铁谱分析，磁塞检查三种。这三种油液分析方法适用的范围、提供的信息，各不相同。由图4-1可见，磨损产物尺寸小于10m，是悬浮的细小微粒，适合光谱分析；在1～100m间适合铁谱分析；大于100m适合磁塞检查。所以这三种方法只采用一种，很难对复杂的故障得出准确的诊断结论，需要配合使用，相互补充。图4-1三种油样分析方法的检测效率油液光谱分析法是根据微粒的光谱确定它的化学成分及其含量的方法。油液光谱分析法的基本原理是原子受激发后要发光，光的波长不连续是线光谱，不同元素的原子由于结构不同，光谱线的数量和位置也不相同。因此，根据磨损微粒的光谱线数量和位置就能准确地诊断出它的化学成分及其含量。虽然，这种分析方法的灵敏度高，精度高，分析速度快，是测定微粒化学成分的基本方法。但这种分析方法不能反映微粒的形貌和大小，设备也很贵，操作也很麻烦，所以很少使用。下面只介绍后面两种分析方法。4.2铁谱分析法4.2.1概述铁谱分析法就是先利用高梯度强磁场将油样中的磨损微粒按大小有序地分离出来制成铁谱片，然后对微粒的含量、粒度、形貌和成分进行检测与分析。这种方法不仅可以确定机械设备的磨损程度和磨损类型，而且可以查明磨损的部位。铁谱分析法适合最能显示磨损状况的微粒尺寸段，所以能提供比较丰富的信息；所用的仪器设备简单、低廉；操作也比较容易，因此虽然它是近年来才发展起来的一种分析技术，但使用已较广泛，是最有发展前途的一种油液分析方法。但是，铁谱分析法对非铁磁材料沉积效率低，难以准确定量。对操作者要求具有熟练的操作技术；遵守严格的操作规程，否则所得的结论误差大，可靠性差。随着科学技术和现代化工业的发展，计算机技术和模糊推理、神经网络等先进技术已逐步应用于铁谱分析领域，使铁谱分析法出现了新的局面。4.2.2铁谱分析仪器铁谱分析所用的基本仪器是铁谱仪。铁谱仪主要有分析式铁谱仪，直读式铁谱仪和旋转式铁谱仪三种。近年来还研究成功了在线式铁谱仪。一、分析式铁谱仪（简称铁谱仪）如图4-2所示，铁谱仪主要由一个高梯度强磁场的永久磁铁和一个有稳定流量的微量泵（0.25L/min）组成，磁铁结构如图4-3所示。一定数量的油样经稀释后1000检测效率微粒尺寸m铁谱技术光谱技术0.10501001磁塞1010048由泵输送到略微倾斜的带栅栏的玻璃片上，当油液向下缓缓流动时，油液中的微粒在逐渐增强的磁场力作用下按由大到小的顺序沉积在玻璃片上的不同位置，由于在磁场中微粒被磁化后相互吸引，所以沿磁力线方向（与流动方向垂直）形成链狀条带，而各条带之间磁极又相互排斥，所以微粒在玻璃片上能形成均匀间隔的排列。冲去玻璃片上残留的油液，并用固定液将微粒固定下来，就制成了可供检测的铁谱片如图4-4所示。图4-2分析铁谱仪简图1—油样；2—微量泵；3—玻璃基片；4—磁铁；5—导流管；6—储油杯图4-3磁铁结构图4-4铁谱片图1—磁钢；2—极头；3—磁轭制成的铁谱片需要用与铁谱仪配套的仪器进行检测分析，配套的仪器有铁谱片读数仪和铁谱显微镜两种。1．铁谱片读数仪铁谱片读数仪实质是一台装有光电传感器的显微镜。利用透光法测量显微镜视野内沉积微粒所复盖的面积，并显示出微粒复盖面积的百分数A。21%BAB式中：1B──显微镜视野面积2B──沉积微粒在视野内复盖的面积在距铁谱片出口55～56mm处和50mm处分别检测时，可以得到大于5m大微粒和1～2m小微粒复盖面积的百分数LA和SA。根据下面公式，可算出磨损烈度指数AI。22()()ALSLSLSIAAAAAA式中：LSAA──表示总磨损量LSAA──表示磨损严重程度机械设备有较大磨损时，润滑油中所含的微粒增多，总磨损量（LSAA）增大。机械设备正常运转时LA值比SA值稍大一点。非正常磨损时不仅润滑油中微粒的总量明显增加，而且大尺寸磨损微粒也要增多，即LSAA要明显增大，也就是说磨损烈度指数AI要急剧上升，所以AI值是铁谱技术中一个灵敏度很高的重要参49数，也是对磨损状况反映最全面的综合参数，既反映了磨粒的总量又反映了磨粒的尺寸分布。2．铁谱显微镜铁谱显微镜又称双色显微镜，它有反射光和透射光两个独立光源，可同时使用也可单独使用，可观测沉积在铁谱片上的微粒尺寸、形态和颜色，分析微粒的成分，判别磨损的类型和来源。铁谱显微镜已能满足实际应用的各种要求。但若进行科学研究，还可以利用电子显微镜等高级仪器观察、分析铁谱片的细微形貌，提取更多、更准的有用信息。二、直读式铁谱仪直读式铁谱仪（又称DR铁谱仪）是在分析式铁谱仪基础上发展起来的，它从油样中分离出微粒后直接就能取得读数，不须制成铁谱片用其它仪器进行检测分析。所以分析过程简单、迅速，仪器的结构也简单，价格也便宜，对设备工况监视特别有用。但它只能提供大、小微粒的数量不能确定微粒的形貌和成分。因而信息量有限，常用它进行日常的油液监测工作（简易诊断），一旦发现磨损急剧上升，就应使用分析式铁谱仪检测微粒的形貌、分析微粒的成分、判别磨损的类型和部位（精密诊断）。因此，在采用铁谱分析法开展故障诊断时，分析式和直读式铁谱仪需要成套配置，配合使用。图4-5直读式铁谱仪示意图1—油样；2—毛细管；3—沉积管；4—集油管磁铁；5—磁铁；6—光源；7、8—光导管；9、10—光电检测器；11—数显屏图4-6直读式铁谱仪微粒排列直读式铁谱仪如图4-5所示，当定量油液在虹吸作用下流过沉积管时，在高梯度强磁场作用下使微粒按大小依次沉积，如图4-6所示，在大微粒（大于5m）沉积部位和小微粒（1～2m）沉积部位各设置一道光束穿过沉积管，并在对侧设置光电传50感器。光电传感器接收的光强度与沉积的微粒数量相对应，并由仪器上的数字检测器自动地显示出来。若LD是大微粒读数值，SD是小微粒读数值（它们分别代表油样中大于5m和1～2m微粒的相对浓度）则总磨损量用LSDD表示，磨损严重程度用LSDD表示，磨损烈度指数用下式表示。22()()ALSLSLSIDDDDDD虽然，LD、SD与LA、SA都反映设备的磨损状态，数值相关，但不相等，也不能互相换算。图4-7是用直读式铁谱仪对一台W613铲车液压系统，进行油样分析得到的磨损趋势曲线。1000小时以前变化平稳说明机械设备处于正常磨损阶段，1000小时以后，曲线迅速上升这说明大磨损微粒显著增加，机械设备已处于剧烈磨损阶段。10202040506090807005200600400140012001000800(h)1600270024002100180015001200900600300DL+DSISDL+DSIS图4-7磨损趋势曲线三、旋转式铁谱仪如图4-8所示，旋转式铁谱仪主要由一个带动基片旋转的平台和一个高磁场强度、磁力线呈幅射状的环形永久磁铁组成。当油液由转动中心注入基片时，由于磁铁和平台