第五章-机械故障诊断的油样分析技术(CUMT)课件.ppt

1、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第五章第五章 机械故障诊断的油样分析技术机械故障诊断的油样分析技术第一节第一节 油样分析概述油样分析概述第二节第二节 油样铁谱分析技术油样铁谱分析技术第三节第三节 油样光谱分析技术油样光谱分析技术第四节第四节 磁磁 塞塞第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院2第一节第一节 油样分析概述油样分析概述 在机械设备中广泛存在着两类工作油：液在机械设备中广泛存在着两类工作油：液压油和润滑油。压油和润滑油。通过对工作油液通过对工作油液(脂脂)的合理采样，并进行的合理采样，并进行必要的分析处理后，就能取得关于该机械设必要的分析处理

2、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。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3一、油样分析的含义一、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。质等参数的

3、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。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4 机械在运行过程中，它的磨损产物机械在运行过程中，它的磨损产物(磨损微粒磨损微粒)都都要进入润滑油中。研究表明，磨损微粒带有许多有要进入润滑油中。研究表明，磨损微粒带有许多有关零件磨损状况的信息。不同磨损时期关零件磨损状况的信息。不同磨损时期(磨合磨损磨合磨损期、正常磨损期、剧烈磨损期期、正常磨损期、剧烈磨损期)的磨损微粒在尺寸、的磨损微粒在尺寸、数量、分布等方面存在较明显的区别；不同磨损机数量、分布等方面存在较明显的区别；不同磨损机

4、理理(磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等磨料磨损、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。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 对磨损微粒进行尺寸、浓度、形貌、分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

5、设备的磨不停机、不拆卸条件下诊断出机械设备的磨损状况损状况(磨损部位、磨损机理、磨损程度等磨损部位、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是检测机械磨损状况的一种十分直观的重要手段。手段。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 在机械故障诊断这个特定的技术领域中，油样分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析技术通常是指油样的铁谱分析技术铁谱分析技术和和油样光谱油样光谱分析技术分析技术，有时也包含，有时也包含磁塞技术磁塞技术。它们的共性是都可用作铁

6、磁性物质颗粒它们的共性是都可用作铁磁性物质颗粒(光谱分析光谱分析不仅限于铁磁性物质不仅限于铁磁性物质)的收集和分析，但各有不同的收集和分析，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效尺寸范围为0.10.1m到到8 81010m，但对大于，但对大于2 2m的微粒，其检测效率就大为降低；磁塞技术能有的微粒，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术能有效地检测从1 1m到上百微米量级的微粒。到上百微米量级的微粒。第五章 机械故障诊断的油样分

7、析技术 中国矿业大学机电学院8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 磨损、疲劳和腐蚀磨损、疲劳和腐蚀是机械零件失效的是机械零件失效的三种主要形式和原因，而其中磨损失效约三种主要形式和原因，而其中磨损失效约占占8080左右。由于油样分析方法对磨损监左右。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。械故障诊断中日益显示其重要地位。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10二、油样分析的信息含量二、油样分析的信息含量1信息来源信息来源 通过油样分析，我们能取得如下几方面的信息：

8、通过油样分析，我们能取得如下几方面的信息：磨屑的浓度和颗粒大小反映了机器磨损的磨屑的浓度和颗粒大小反映了机器磨损的严重程度严重程度；磨屑的大小和形貌反映了磨屑产生的原因，即磨损磨屑的大小和形貌反映了磨屑产生的原因，即磨损发生的发生的机理机理；磨屑的成分反映了磨屑产生的部位，亦即零件磨损磨屑的成分反映了磨屑产生的部位，亦即零件磨损的的部位部位。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112磨屑形貌的识别磨屑形貌的识别(1)正常滑动磨损的磨屑正常滑动磨损的磨屑 对钢而言，通常是对钢而言，通常是厚度小于厚度小于1 m的剪切混合层薄的剪切混合层薄片在剥落后形成的片在剥落后形成的尺寸为尺

9、寸为0.515 m的不规则碎的不规则碎片，其典型形貌如图片，其典型形貌如图52所示。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12铁谱片第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院13(2)磨料磨损的磨屑磨料磨损的磨屑 一个摩擦表面切入另一摩擦表面形成一个摩擦表面切入另一摩擦表面形成(二体磨料磨二体磨料磨损损)，也可能由润滑油中的杂质、砂粒及较硬的磨屑，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切削较软的摩擦表面形成(三体磨料磨损三体磨料磨损)，磨屑呈带，磨屑呈带状，通常宽状，通常宽25 m，长约，长约25100m。第五章 机械故障诊断的油样

10、分析技术 中国矿业大学机电学院14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(3)滚动疲劳磨损的磨屑滚动疲劳磨损的磨屑 由滚动疲劳后剥落形成，磨屑通常呈直径为由滚动疲劳后剥落形成，磨屑通常呈直径为15m的球状，有时也有厚的球状，有时也有厚12 m、大小为、大小为2050 m的片状碎片。的片状碎片。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16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(4)滚动疲劳加滑动疲劳磨损的磨屑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

11、比为则磨屑，通常宽厚比为4:110:1；当齿轮载荷过；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大、速度过高时，齿面上也会出现凹凸不平的麻点和坑。和坑。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(5)严重滑动磨损的磨屑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；磨屑尺寸在于剪切混合层不稳定形成的；磨屑尺寸在20m以以上，厚度上，厚度2m以上，经常有锐利的直边，其典型以上，经常有锐利的直边，其典型形貌如图形貌如图5-6所示。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

12、电学院19第二节第二节 油样铁谱分析技术油样铁谱分析技术 铁谱分析技术铁谱分析技术(Ferrography)是是20世纪世纪70年代国年代国际摩擦学领域出现的一项新技术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。压系统、齿轮蜗轮传动箱、轴承等部件。一、铁谱分析与铁谱仪一、铁谱分析与铁谱仪 所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪所谓铁谱分析，就是利用铁谱仪(Ferrograph)从从润滑油样润滑油样(脂脂)试样中，分离和检测出磨屑和碎屑，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

13、损类型、磨损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。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20 铁谱仪是铁谱分析的关键设备，根据其工作方式的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。和旋转式铁谱仪。1直读式铁谱仪直读式铁谱仪(DRFDirect Reading Ferrograph)(1)结构和工作原理结构和工作原理 直读式铁谱仪的结构原理如图直读式铁谱仪的结构原理如图5-7所示所示。油样在虹吸现象的作用下流入沉积管，在沉积

14、管的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，其沉积规律如图地沉积下来，其沉积规律如图5-8所示。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21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22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23第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中

15、国矿业大学机电学院24(2)性能特点性能特点 结构简单，价格便宜结构简单，价格便宜(约为分析式铁谱仪的约为分析式铁谱仪的1/4)；制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷；制谱与读谱合二为一，分析过程简便快捷；目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，目前的直读式铁谱仪读数稳定性、重复性较差，随机因素干扰影响大；随机因素干扰影响大；只能提供关于磨屑体积的信息，不能提供关于磨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。作油样的快速分析和初步诊断。第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿

16、业大学机电学院25 2 2分析式铁谱仪分析式铁谱仪(Analytical Ferrograph)(Analytical Ferrograph)(1)结构和工作原理结构和工作原理 分析式铁谱仪一般是指包括制谱仪、光密度读数分析式铁谱仪一般是指包括制谱仪、光密度读数器以及双色显微镜在内的成套测试系统，其中制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谱仪的结构原理如图59所示。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26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27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28 磨屑在基片上排列成与

17、流动方向垂直的链状谱，磨屑在基片上排列成与流动方向垂直的链状谱，如图如图5-10所示。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29(2)(2)性能特点性能特点 提供的信息较丰富提供的信息较丰富 直读式铁谱仪只能进行一次测量，不能将沉积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，供以后观察分铁谱仪制成的谱片可以保存起来，供以后观察分析用；析用；制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个小时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验小

18、时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验室进行。室进行。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30 3 3旋转式铁谱仪旋转式铁谱仪 前述的传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷：前述的传统分析式铁谱仪存在两个固有的缺陷：蠕动泵输送油样时对磨屑的碾压和抛光效应，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；征识别和磨损机理的研究；由于沉积面积有限，先行沉积的磨屑对流道的由于沉积面积有限，先行沉积的磨屑对流道的堵塞，不仅造成了磨屑的堆积，而且还破坏了磨堵塞，不仅造成了磨屑的堆积，而且

19、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屑在谱片上的沉积规律，从而影响了铁谱的定量分析。分析。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31旋转式铁谱仪旋转式铁谱仪(RPDRotary Particle Depositor)的结构如图所示，的结构如图所示，其工作原理为：其工作原理为：(1)(1)结构和工作原理结构和工作原理第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院32 旋转式铁谱仪的磁场装置原理如图旋转式铁谱仪的磁场装置原理如图5-12所示，它所示，它由三块同心圆环形磁铁组成三个同心圆环形磁场，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

20、径向分布，这样，磨屑在沉积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过程中将排列成环状谱线，其尺寸由内到外逐渐减小，如图减小，如图5-13所示。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33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34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35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36(2)性能特点性能特点 RPD不需对油样进行稀释等特殊处理；不需对油样进行稀释等特殊处理；操作简便，不需专门技术；操作简便，不需专门技术；对不同粘度的润滑油可选用不同的

21、转速，因而使对不同粘度的润滑油可选用不同的转速，因而使用范围更广；用范围更广；仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染；仪器附有清洗液系统，以最大限度地减小污染；在整个操作过程中，不会使磨屑产生附加的机械在整个操作过程中，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；的碾压效应；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37 分析油样的效率高；分析油样的效率高；制片成本低；制片成本低；分析式铁谱仪的谱片只有分析式铁谱仪的谱片只有60mm长，在入口区的长，在入口区的沉积面积内，磨屑可能大量重叠，而沉积面积

22、内，磨屑可能大量重叠，而RPD谱片上三谱片上三道环沉积区面积大，磨屑能充分地彼此分离，避免道环沉积区面积大，磨屑能充分地彼此分离，避免重叠。重叠。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384.4.在线式铁谱仪在线式铁谱仪通过传感器电容的变化感知磨粒第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院39二、铁谱分析的一般程序二、铁谱分析的一般程序 铁谱分析由采样、制谱、观测与分析、结论四个铁谱分析由采样、制谱、观测与分析、结论四个基本环节组成。基本环节组成。1采样采样 一个合适的采样方法是保证获得正确分析结果的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。首要条件。

23、u铁谱技术要求采样时应遵循以下几条基本原则：铁谱技术要求采样时应遵循以下几条基本原则：应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角、底应尽量选择在机器过滤器前并避免从死角、底部等处采样；部等处采样；应尽量选择在机器运转时，或刚停机时采样；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40 应始终在同一位置、同一条件下应始终在同一位置、同一条件下(如停机如停机则应在相同的时间后则应在相同的时间后)和同一运转状态和同一运转状态(转速、转速、载荷相同载荷相同)下采样；下采样；采样周期应根据机器摩擦副的特性、机采样周期应根据机器摩擦副的特性、机器的使用情况以及

24、用户对故障早期预报准确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。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41 最后需提请注意的是，所采油样必须要有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。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422制谱制谱 铁谱分析的关键步骤之一铁谱分析的关键步骤之一 稀释稀释 加热加热 振荡振荡 注

25、入注入 清洗清洗 固化固化 甩干甩干第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院433观测与分析观测与分析 谱片制好后，接下来的任务就是对谱片进谱片制好后，接下来的任务就是对谱片进行观测与分析，包括行观测与分析，包括定性分析定性分析与与定量分析定量分析两方面的内容。两方面的内容。在定性分析方面，可用铁谱显微镜对磨屑在定性分析方面，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。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，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

26、行近来也有人开始研究用计算机对磨屑进行图像处理。图像处理。4.结论结论第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院44 三、铁谱的定性分析三、铁谱的定性分析 对铁谱片进行定性分析的方法主要有对铁谱片进行定性分析的方法主要有铁谱显微镜铁谱显微镜法法、扫描电镜法扫描电镜法和和加热分析法加热分析法等三种。等三种。1铁谱片的双色显微镜观察与分析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铁谱显微镜的结构和工作原理 如图如图5-14所示。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45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46(2)铁谱显微

27、镜的光源及其运用铁谱显微镜的光源及其运用白色反射光白色反射光照明观察照明观察 白色反射光用来观测磨屑的白色反射光用来观测磨屑的形状、颜色和大小。形状、颜色和大小。白色反射光还用于铁谱片的加热分析，以判断各种白色反射光还用于铁谱片的加热分析，以判断各种磨屑的成分。磨屑的成分。白色透射光白色透射光照明观察照明观察无论磨屑是透明、半透明还是不透明的，都能用白无论磨屑是透明、半透明还是不透明的，都能用白色透射光进行观察与分析。色透射光进行观察与分析。白色透射光常用来判断白色透射光常用来判断氧化物磨屑是否有游离金属。氧化物磨屑是否有游离金属。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47双

28、色照明双色照明观察观察双色照明用于单独用反射光或透射光难以对磨屑进双色照明用于单独用反射光或透射光难以对磨屑进行判别的场合，红色光线由谱片表面反射至目镜，行判别的场合，红色光线由谱片表面反射至目镜，而绿色光线由下方透射穿过谱片到达目镜，利用这而绿色光线由下方透射穿过谱片到达目镜，利用这两种光源便可对磨屑成分进行判别。两种光源便可对磨屑成分进行判别。偏振光偏振光观察观察利用偏振光观察磨屑，对于鉴别氧化物、塑料及其利用偏振光观察磨屑，对于鉴别氧化物、塑料及其他各种固体污染物特别有效，而且简便、快捷。他各种固体污染物特别有效，而且简便、快捷。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

29、82铁谱片的扫描电镜观察与分析铁谱片的扫描电镜观察与分析 利用扫描电镜利用扫描电镜(SEM)不仅可以更细微地观不仅可以更细微地观察磨屑的形貌，而且，用配有察磨屑的形貌，而且，用配有X射线能谱射线能谱(EDX)的扫描电镜还可以分析磨屑的成分。的扫描电镜还可以分析磨屑的成分。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493铁谱片的加热分析法铁谱片的加热分析法 有关磨屑成分的重要信息可以通过观察磨屑在加有关磨屑成分的重要信息可以通过观察磨屑在加热铁谱片的过程中的变化来获得。铁系金属磨屑可热铁谱片的过程中的变化来获得。铁系金属磨屑可以按加热时的回火色加以区分。以按加热时的回火色加以区分。

30、对各种白色金属磨屑可以利用铁谱片加热法配合对各种白色金属磨屑可以利用铁谱片加热法配合以酸碱浸蚀法加以鉴别。以酸碱浸蚀法加以鉴别。铁谱片中存在的有机化合物和无机化合物也可用铁谱片中存在的有机化合物和无机化合物也可用加热分析法予以区分。加热后观察，有机化合物的加热分析法予以区分。加热后观察，有机化合物的亮度大为减弱，而无机化合物因具有很强的化学稳亮度大为减弱，而无机化合物因具有很强的化学稳定性而几乎不受加热的影响。定性而几乎不受加热的影响。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50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51第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国

31、矿业大学机电学院52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53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54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55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56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57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58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59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60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61四、铁谱分析的定量指标四、铁谱分析的定量

32、指标 油样中磨粒的浓度和尺寸分布是反映磨损状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。况的两个定量信息。磨粒浓度磨粒浓度是用铁谱片上磨是用铁谱片上磨粒的粒的覆盖面积覆盖面积来表征的；在铁谱片上不同位来表征的；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。铁谱显微镜的寸分布。铁谱显微镜的铁谱读数器铁谱读数器用来完成这用来完成这一测量。铁谱读数器是一个光密度计，它的光一测量。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，称接

33、显示出被测部位的磨粒覆盖面积百分数，称之为铁谱读数。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62 在测取铁谱读数时，采用白色反射光照明，铁谱片被测部位的圆形视场通过物镜和摄影目镜聚焦在光敏元件上。铁谱读数实际上是测定光强衰减值。测定时反射光源电路内串联有稳压器，以避免光源强度波动所引起的测量误差。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63测量铁谱读数的步骤如下：(1)将被测部位的视场在显微镜下聚焦；(2)移动工作台，将铁谱片大磨粒沉积的空白部位置于物镜下调零点(调到1)；(3)将被测部位重新移到物镜下；(4)缓慢移动工作台，在被测部位扫描，读出铁

34、谱读数的最大值。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64式中：D代表铁谱光密度值；I0为清洁的玻璃基片的光亮度；Ip为沉积有磨粒的铁谱片的光亮度。pIID0lg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65 由于光亮度与透光面积成正比，因此可以根据仪器上的光密度计读出光密度值D，从而得到此时谱片被观测处的磨屑覆盖面积。DA1011PIA1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66 对于两点式监测铁谱仪，由于对于两点式监测铁谱仪，由于AL反映了大颗反映了大颗粒的数量，而粒的数量，而AS则反映了小颗粒的数量，故有则反映了小颗粒的数量，故有人直接用

35、人直接用AL和和AS，作为铁谱定量指标。还有人，作为铁谱定量指标。还有人用用AL(AL-AS)、(AL-AS)/AS作为定量指标。作为定量指标。较为常用的定量指标是较为常用的定量指标是IS(AL+AS)(AL-AS)，称为称为磨损烈度磨损烈度，因为，因为IS既反映了总的磨损浓度既反映了总的磨损浓度(AL+AS)，又表征了大颗粒与小颗粒的浓度差，又表征了大颗粒与小颗粒的浓度差(AL-AS)。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67 KTP型旋转式铁谱仪的磨损烈度为。式中 IS磨损烈度；AL 内圈磨屑覆盖面积；AM中圈磨屑覆盖面积；AS 外圈磨屑覆盖面积。22)(SMLSAAA

36、I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68 五、铁谱分析的特点五、铁谱分析的特点 1铁谱技术的主要优点铁谱技术的主要优点 具有较高的检测效率和较宽的磨屑尺寸检测范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；度等方面的信息；定性分析与定量分析相结合，提高了诊断结论定性分析与定量分析相结合，提高了诊断结论的可靠性；的可靠性；可对磨损故障作出早期诊断，能准确地检测出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，如早期的疲系统中一些不正常磨损的轻微征兆，如早期的

37、疲劳磨损、粘着、擦伤和腐蚀磨损等。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69 2 2铁谱技术的局限性铁谱技术的局限性 l(1)非实时监测非实时监测 l(2)过分依赖人的经验过分依赖人的经验 l(3)对采样要求较苛刻对采样要求较苛刻l(4)对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳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70 对于非铁磁性的有色金属合金磨损颗粒，应用铁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：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，在很多首先是因为

38、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；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，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。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71六、铁谱技术的应用六、铁谱技术的

39、应用 1齿轮磨损的监测诊断齿轮磨损的监测诊断 铁谱技术是监测诊断齿轮磨损的有效工具铁谱技术是监测诊断齿轮磨损的有效工具。某化学公司在处理齿轮箱的油样时，在双色照明观某化学公司在处理齿轮箱的油样时，在双色照明观察谱片的入口处，发现有大量的反射红色的微粒。察谱片的入口处，发现有大量的反射红色的微粒。多数微粒的大小为多数微粒的大小为830m，呈薄片状，表面没有，呈薄片状，表面没有氧化或擦伤。扫描电镜观察，磨屑表面十分光滑，氧化或擦伤。扫描电镜观察，磨屑表面十分光滑，经测试，其表面积与厚度之比约为经测试，其表面积与厚度之比约为10:1，这与齿面，这与齿面疲劳磨损的微粒特征相符，说明该齿轮已发生了不疲劳

40、磨损的微粒特征相符，说明该齿轮已发生了不正常磨损。开箱检查，证实齿面已严重磨损，说明正常磨损。开箱检查，证实齿面已严重磨损，说明了铁谱监测的有效性。了铁谱监测的有效性。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72滚动疲劳加滑动疲劳磨损的磨屑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，通常宽厚比为则磨屑，通常宽厚比为4:110:1；当齿轮载荷过；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大、速度过高时，齿面上也会出现凹凸不平的麻点和坑。和坑。第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学

41、机电学院732液压系统的监测诊断液压系统的监测诊断 图图5-15所示是一台所示是一台W613型铲车液压系统从正常磨型铲车液压系统从正常磨损至失效的光密度读数变化曲线。损至失效的光密度读数变化曲线。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74第三节第三节 油样光谱分析技术油样光谱分析技术 油样光谱分析的简单原理：油样光谱分析的简单原理：原子受到外来能量的作用时，其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，低能级跃迁到高能级的轨道上去，这时的原子称为这时的原子称为激发态激发态。激发态。激发态的原子是一种不稳定状

42、态，其存的原子是一种不稳定状态，其存在的时间很短，约为在的时间很短，约为108s。原子。原子由激发态返回基态的同时，将所由激发态返回基态的同时，将所吸收的能量以一定频率的吸收的能量以一定频率的电磁波电磁波形式辐射出去形式辐射出去。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75每种原子吸收或释放的能量每种原子吸收或释放的能量E与激发的光辐射或发射与激发的光辐射或发射的电磁波辐射的波长的电磁波辐射的波长之间有固定关系。这里之间有固定关系。这里又称为待又称为待征波长。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76 若能用仪器检测出用若能用仪器检测出用特征波长射线特

43、征波长射线激发激发原子后辐射强度的变化原子后辐射强度的变化(由于一部分能量被吸由于一部分能量被吸收收)，则可知道所，则可知道所对应元素对应元素的含量的含量(浓度浓度)。同。同理，用一定方法理，用一定方法(如电弧冲击如电弧冲击)将含数种金属将含数种金属元素的原子激发后，若能测得其元素的原子激发后，若能测得其发射的辐射发射的辐射线的待征波长线的待征波长时，就可以知道油样中所含元时，就可以知道油样中所含元素的种类。前者称为原子素的种类。前者称为原子吸收光谱吸收光谱分析法，分析法，后者称为原子后者称为原子发射光谱发射光谱分析法。分析法。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77 油样

44、光谱分析，就是利用油样中所含金属油样光谱分析，就是利用油样中所含金属元素原子的核外电子在原子内能级间跃迁产元素原子的核外电子在原子内能级间跃迁产生的生的特征谱线特征谱线来检测来检测该种元素该种元素的存在与否，的存在与否，而而特征谱线的强度特征谱线的强度则与该种金属元素的则与该种金属元素的含量含量多少有关，这样，通过光谱分析，就能检测多少有关，这样，通过光谱分析，就能检测出油样中所含金属元素的出油样中所含金属元素的种类种类及其及其浓度浓度，以，以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判重程度，并依此对相应零部件的工况作出判

45、断。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78 原子吸收光谱法所用的仪器称为原子吸收光谱法所用的仪器称为原子吸收分光光原子吸收分光光度计度计，它由三部分所组成：元素灯又称为阴极射线，它由三部分所组成：元素灯又称为阴极射线管，其灯丝是由待检元素所制成。例如铜管，其灯丝是由待检元素所制成。例如铜(Cu)元素元素灯工作时将发射持征波长为灯工作时将发射持征波长为3247 的阴极射线。的阴极射线。乙炔空气灯的作用是其高温火焰将油样中各种乙炔空气灯的作用是其高温火焰将油样中各种金属磨粒变成原子蒸汽，即离子状态。金属磨粒变成原子蒸汽，即离子状态。检测显示系统包括单色器、光电管、放大器及

46、数检测显示系统包括单色器、光电管、放大器及数字显示屏幕。其作用是检测元素灯发射的射线经原字显示屏幕。其作用是检测元素灯发射的射线经原子蒸汽吸收后辐射强度的变化。单色器相当于滤波子蒸汽吸收后辐射强度的变化。单色器相当于滤波器，它只能通过特定波长的射线，射线经光电管转变器，它只能通过特定波长的射线，射线经光电管转变为电信号，再经放大后由显示屏读出。为电信号，再经放大后由显示屏读出。A原子吸收光谱法的工作原理原子吸收光谱法的工作原理第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院79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80 设油样中待检元素为铜，则使用铜元素灯发出特征波长

47、为3247 和一定强度的电磁波射线，并穿过乙炔空气灯的高温火焰。油样经雾化后吸入燃气火焰使所含的各种金属磨粒变成原子蒸汽，其中铜原子将会吸收吸收一部分铜元素灯辐射线的能量而处于激发状态。元素灯辐射线的另一部分透过火焰后强度变弱强度变弱并进入单色器，并由光电管转换为电信号，经放大处理后由显示屏显示油液中铜的浓度。A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81原子吸收光谱仪外形图火焰原子吸收光谱仪基本构成kcII0lnA原子浓度入射光强透射光强第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院82 原子吸收光谱法原子吸收光谱法具有分析的精度很高，取具有分析的精度很高，取样较少

48、，适用范围较广的特点，其不足之处样较少，适用范围较广的特点，其不足之处在于每测一种元素要换一种元素灯，比较麻在于每测一种元素要换一种元素灯，比较麻烦；使用燃气火焰不方便也不安全，除检测烦；使用燃气火焰不方便也不安全，除检测元素含量和种类外，不能提供磨粒的形态尺元素含量和种类外，不能提供磨粒的形态尺寸等直观形象的信息。寸等直观形象的信息。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83原子发射光谱法的工作原理原子发射光谱法的工作原理 油样中各种金属元素经炭极电弧激发而发油样中各种金属元素经炭极电弧激发而发射出各种特征波长的射线。经光学系统的聚射出各种特征波长的射线。经光学系统的聚焦、

49、折射及光栅的分光后，将各种特征波长焦、折射及光栅的分光后，将各种特征波长的辐射线投入到相应的光电倍增管并转变成的辐射线投入到相应的光电倍增管并转变成电信号，再经数据处理系统后即可显示出金电信号，再经数据处理系统后即可显示出金属的种类及含量，并可将结果打印出来。属的种类及含量，并可将结果打印出来。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84一种原子发射光谱仪外形及原理第五章 机械故障诊断的油样分析技术 中国矿业大学机电学院85原子发射光谱法的持点是：原子发射光谱法的持点是：(1)(1)其仪器设备的发展水平很高，具有很强的其仪器设备的发展水平很高，具有很强的功功能和自动化程度。采用

50、模块式结构，并配有计算机能和自动化程度。采用模块式结构，并配有计算机存储及数据处理系统。其分析的油样不需要经过预存储及数据处理系统。其分析的油样不需要经过预处理。可同时分析处理。可同时分析21212424种元素。测量时间仅需种元素。测量时间仅需40s40s左右，可直接读数或计算机打印结果。适合于有多左右，可直接读数或计算机打印结果。适合于有多种材质摩擦副的设备如内燃机等的群体监测。种材质摩擦副的设备如内燃机等的群体监测。(2)(2)只能提供磨粒中金属的种类和含量而不能只能提供磨粒中金属的种类和含量而不能提提供其形态、尺寸、颜色等直观形象。供其形态、尺寸、颜色等直观形象。(3)(3)仪器价格昂贵