1、第四章 油样分析技术油样分析概述油样分析概述1油样光谱分析技术油样光谱分析技术2油样铁谱分析技术油样铁谱分析技术314.1 油样分析概述u 设备磨损和润滑设备磨损和润滑l机械设备的磨损机械设备的磨损：金属表面间的相对运动使：金属表面间的相对运动使摩擦副摩擦副表面分表面分子逐渐脱落，产生大量磨损颗粒，使零部件原有的尺寸、子逐渐脱落，产生大量磨损颗粒，使零部件原有的尺寸、几何形状和表面质量发生变化。几何形状和表面质量发生变化。 l润滑油的作用润滑油的作用：减少摩擦，防止磨损，延长机器的寿命。：减少摩擦，防止磨损，延长机器的寿命。l例如：滑动轴承工作时，轴瓦与转轴之间要求有一层很薄例如：滑动轴承工作
2、时，轴瓦与转轴之间要求有一层很薄的油膜起润滑作用的油膜起润滑作用,否则会造成烧瓦。否则会造成烧瓦。24.1 油样分析概述u 润滑油分析润滑油分析l设备磨损设备磨损是零部件失效的重要原因，影响设备使用寿命。是零部件失效的重要原因，影响设备使用寿命。l磨损颗粒携带了非常丰富的有关磨损状态的信息磨损颗粒携带了非常丰富的有关磨损状态的信息。 机械设备在不同的磨损状态下，会产生各种不同数量、尺机械设备在不同的磨损状态下，会产生各种不同数量、尺寸、形状和种类的磨粒。这些信息反映了不同的磨损形式寸、形状和种类的磨粒。这些信息反映了不同的磨损形式和机理，以及磨损程度。和机理，以及磨损程度。l油样分析基本原理：
3、油样分析基本原理： 设备磨损过程中产生的磨粒会进入润滑油中，随其在机器设备磨损过程中产生的磨粒会进入润滑油中，随其在机器中循环流动中循环流动, , 通过对润滑油中的磨粒进行分析，可以判断通过对润滑油中的磨粒进行分析，可以判断机械设备的磨损部位、磨损程度和磨损状态。机械设备的磨损部位、磨损程度和磨损状态。34.1 油样分析概述u 油样分析技术油样分析技术l定义：定义：油样分析技术是一种油样分析技术是一种磨损颗粒分析磨损颗粒分析技术，它是根据技术，它是根据润滑油中磨损颗粒的成分、数量、形貌和大小来分析设备润滑油中磨损颗粒的成分、数量、形貌和大小来分析设备的磨损部位、磨损类型和磨损程度，并对设备故障
4、和寿命的磨损部位、磨损类型和磨损程度，并对设备故障和寿命进行预测。进行预测。l油样分析的内容油样分析的内容(1)(1)油样油样成分成分分析：确定磨损部位；分析：确定磨损部位；(2)(2)磨粒磨粒浓度浓度分析：判断机器磨损的严重程度；分析：判断机器磨损的严重程度；(3)(3)磨粒磨粒形态形态分析：判断磨损机理，即磨粒产生的原因。分析：判断磨损机理，即磨粒产生的原因。44.1 油样分析概述u 油样分析方法油样分析方法（1 1）光谱分析技术光谱分析技术适用于适用于1010m m以下的磨粒分析；以下的磨粒分析；能鉴别磨粒的成分及数量；能鉴别磨粒的成分及数量；不能获得磨粒的形貌信息；不能获得磨粒的形貌信
5、息；（2 2）铁谱分析技术铁谱分析技术适用于适用于100100m m以下的磨粒分析；以下的磨粒分析；可对磨粒进行定性和定量分析；可对磨粒进行定性和定量分析；（3 3）磁塞检测法磁塞检测法适用于适用于100m m以上的磨粒分析；以上的磨粒分析；大功率柴油机拉缸前从润滑油中分离出的球形颗粒（扫描电子显微镜图像）： 产生机理：金属表面粘着磨损，局部接触点瞬间高的闪温使材料处于熔融状态，在迅速冷却中重结晶形成。 作为柴油机拉缸的重要判据。柴油机轴瓦产生的疲劳磨损颗粒： 由表面接触疲劳形成，X射线能谱分析可见主要成分为铜合金柴油机中的滑动磨损颗粒： 由表面擦伤形成，可见明显的擦痕7u 磨损的诊断 磨损部
6、位的判断磨损部位的判断依据：成分依据：成分方法：光谱分析方法：光谱分析磨损程度的判断磨损程度的判断依据：颗粒的大依据：颗粒的大小、密度。小、密度。方法：铁谱分析方法：铁谱分析设备磨损的诊断4.1 油样分析概述第四章 油样分析技术油样分析概述油样分析概述1油样光谱分析技术油样光谱分析技术2油样铁谱分析技术油样铁谱分析技术394.2 油样光谱分析技术u 基本概念l定义：油样光谱分析技术是根据润滑油中各种金属元素吸油样光谱分析技术是根据润滑油中各种金属元素吸收或发射光谱的不同，分析润滑油中金属磨粒的收或发射光谱的不同，分析润滑油中金属磨粒的成分和含成分和含量，量，判断零部件的磨损情况，进而对设备故障
7、进行诊断和判断零部件的磨损情况，进而对设备故障进行诊断和预测，为设备科学检修提供依据。预测，为设备科学检修提供依据。 分析内容：成分分析内容：成分（磨损部位）、（磨损部位）、含量含量（磨损程度）（磨损程度）对有色金属磨粒比较适用；对有色金属磨粒比较适用；l分类：原子吸收光谱分析技术原子吸收光谱分析技术原子发射光谱分析技术原子发射光谱分析技术 （应用较广应用较广）104.2 油样光谱分析技术u 发射光谱技术发射光谱技术l基本原理:根据原子物理学理论，原子在电弧等激发下，从根据原子物理学理论，原子在电弧等激发下，从基态基态跃迁跃迁到高能量的到高能量的激发态激发态；当由激发态回到基态时，以发射光子；
8、当由激发态回到基态时，以发射光子的形式将所吸收的能量辐射出去。的形式将所吸收的能量辐射出去。不同元素的原子放出的光的波长不同，称为不同元素的原子放出的光的波长不同，称为特征波长特征波长。经。经过分光系将辐射线按波长顺序排列，得到过分光系将辐射线按波长顺序排列，得到光谱光谱；测量各特征波长的测量各特征波长的谱线和强度谱线和强度，可以判断某种元素的存在，可以判断某种元素的存在与否及其含量；与否及其含量；进而判断产生这些元素的进而判断产生这些元素的磨损部位和磨损程度磨损部位和磨损程度。114.2 油样光谱分析技术u 发射光谱技术发射光谱技术l分析仪器分析仪器：光电直读光谱仪：光电直读光谱仪 l功能功
9、能：利用原子发射光谱技术测定：利用原子发射光谱技术测定润滑油中各种金属元素的浓度。润滑油中各种金属元素的浓度。l组成组成：(1)(1)激发光源激发光源：采用电弧，激发原子：采用电弧，激发原子并产生光辐射；并产生光辐射；(2)(2)分光系统分光系统：光栅分光，形成按波：光栅分光，形成按波长顺序排列的光谱；长顺序排列的光谱；(3)(3)检测系统检测系统：检测光谱中谱线的波：检测光谱中谱线的波长和强度。长和强度。 光电直读光谱仪124.2 油样光谱分析技术(1)(1)激发激发： 石墨电极通石墨电极通15KV15KV高压电高压电 金属元素受激发放出射线金属元素受激发放出射线 光线经光纤传至入射狭缝光线
10、经光纤传至入射狭缝发射光谱仪工作原理发射光谱仪工作原理134.2 油样光谱分析技术(2)(2)分光分光： 光线经光栅后被分为不同光线经光栅后被分为不同波长的谱线；波长的谱线； 各元素特征谱线照射到对各元素特征谱线照射到对应的出射狭缝；应的出射狭缝； 光电倍增管光电倍增管：将光信号变：将光信号变为电信号；为电信号；发射光谱仪工作原理发射光谱仪工作原理144.2 油样光谱分析技术(3)(3)检测检测： 经积分电路处理，形成与经积分电路处理，形成与光强度成正比的电压；光强度成正比的电压； 由电压计算出元素的浓度由电压计算出元素的浓度 每个元素对应一个每个元素对应一个通道通道，包括一个狭缝、光电倍增包
11、括一个狭缝、光电倍增管和积分电路；管和积分电路；发射光谱仪工作原理发射光谱仪工作原理154.2 油样光谱分析技术u 光谱分析技术的特点l优点:油样无需处理，分析速度快，短时间内便可测定十几种到油样无需处理，分析速度快，短时间内便可测定十几种到数十种元素的含量值；数十种元素的含量值；结果准确度高，重复性好。结果准确度高，重复性好。l缺点价格较贵，生产现场难以推广价格较贵，生产现场难以推广；对润滑油中的大颗粒不敏感，对润滑油中的大颗粒不敏感，不能获得磨屑存在形式不能获得磨屑存在形式( (如形态，大小等如形态，大小等) )，故在判断磨损，故在判断磨损类型和预报灾变发生的能力方面存在不足。类型和预报灾
12、变发生的能力方面存在不足。 第四章 油样分析技术油样分析概述油样分析概述1油样光谱分析技术油样光谱分析技术2油样铁谱分析技术油样铁谱分析技术3174.3 油样铁谱分析技术u 铁谱分析技术（Ferrography）l2020世纪世纪7070年代出现的一种新的机械磨损观测方法。年代出现的一种新的机械磨损观测方法。l19701970年提出原理，年提出原理，19711971年研制出铁谱仪和铁谱显微镜；年研制出铁谱仪和铁谱显微镜；l检测磨粒范围广，应用广泛。检测磨粒范围广，应用广泛。l铁谱技术定义铁谱技术定义 利用高梯度强磁场将润滑油中所含的磨损微粒分离出来，利用高梯度强磁场将润滑油中所含的磨损微粒分离
13、出来，按其粒度大小依次排列沉淀到玻璃基片上或玻璃管中，并按其粒度大小依次排列沉淀到玻璃基片上或玻璃管中，并通过对微粒形态、大小、成分以及粒度分布的定性和定量通过对微粒形态、大小、成分以及粒度分布的定性和定量观测，获得机器磨损过程的各种信息，从而分析设备的磨观测，获得机器磨损过程的各种信息，从而分析设备的磨损机理、判断设备的磨损状态。损机理、判断设备的磨损状态。184.3 油样铁谱分析技术u 铁谱技术的工作内容l油样的采集和处理；油样的采集和处理；l分离磨粒，制备铁谱片；分离磨粒，制备铁谱片；l磨粒的识别与分析。磨粒的识别与分析。l铁谱仪铁谱仪( (Ferrograph) )：实现铁谱：实现铁谱
14、技术的基本工具，分类如下；技术的基本工具，分类如下；分析式铁谱仪分析式铁谱仪直读式铁谱仪直读式铁谱仪旋转式铁谱仪旋转式铁谱仪在线式铁谱仪在线式铁谱仪194.3 油样铁谱分析技术u 直读式铁谱仪l功能功能：定量测量定量测量润滑油中铁磁磨润滑油中铁磁磨粒的浓度。粒的浓度。l通常可以获得两组读数：通常可以获得两组读数：大磨粒：大磨粒：55微米微米( (DL) ) 小磨粒：小磨粒：11-2 2微米微米( (DS) ) l它是一个它是一个趋势监测趋势监测仪器，通过对仪器，通过对定期采集的油样进行检查，实现定期采集的油样进行检查，实现设备的状态监测。设备的状态监测。l它是一个它是一个便携式便携式测试仪器，
15、容易测试仪器，容易使用，可以由非技术人员操作。使用，可以由非技术人员操作。204.3 油样铁谱分析技术u 直读式铁谱仪-工作原理214.3 油样铁谱分析技术u 直读式铁谱仪-磨粒沉积规律l大磨粒沉积在入口处，小磨粒沉积在离入口处较远；大磨粒沉积在入口处，小磨粒沉积在离入口处较远；224.3 油样铁谱分析技术u 直读式铁谱仪-测量过程l光电探头光电探头安装位置安装位置：入口处及离入口处：入口处及离入口处5mm5mm位置；位置；l光电探头光电探头输出电压：输出电压：与磨粒的体积有关，反映磨粒的浓度与磨粒的体积有关，反映磨粒的浓度234.3 油样铁谱分析技术u 铁谱定量分析lDL、DS两个光密度分别
16、代表大、小磨粒的两个光密度分别代表大、小磨粒的相对数量相对数量；l正常磨损过程中，正常磨损过程中，DL和和DS的差值较小，的差值较小，DL略大一点；略大一点；l异常异常磨损过程中，磨损过程中，DL和和DS的差值的差值显著增大显著增大。l铁谱定量参数铁谱定量参数：表示磨损变化程度。：表示磨损变化程度。磨损程度磨损程度：（：（DL-DS）总磨损量总磨损量：（：（DL+ +DS）磨损烈度：磨损烈度： ID =(=(DL+ +DS) )( (DL-DS)=)=DL2-DS2l根据定量参数曲线的变化，可以监测设备的早期磨损；根据定量参数曲线的变化，可以监测设备的早期磨损；l长期监测某一特定设备，可以定出
17、定量参数的长期监测某一特定设备，可以定出定量参数的基准线基准线，从，从而提高状态监测的有效性。而提高状态监测的有效性。244.3 油样铁谱分析技术u 分析式铁谱仪的组成l组成组成：铁谱仪、铁谱显微镜和光密度读数器。：铁谱仪、铁谱显微镜和光密度读数器。l铁谱仪铁谱仪：分离磨粒，制作铁谱片；：分离磨粒，制作铁谱片；l铁谱显微镜铁谱显微镜：对铁谱片进行观察和分析；：对铁谱片进行观察和分析；l光密度读数器光密度读数器：定量分析；：定量分析；254.3 油样铁谱分析技术u 分析式铁谱仪-工作原理l稀释油样，注入试管；稀释油样，注入试管；l微量泵：将油样输送到玻璃基微量泵：将油样输送到玻璃基片的上方；片的
18、上方；l磁铁装置：玻璃基片倾斜安装，磁铁装置：玻璃基片倾斜安装，形成一个高梯度磁场；形成一个高梯度磁场；l油样流经梯度磁场时，磨粒按油样流经梯度磁场时，磨粒按尺寸大小有序地沉积在玻璃基尺寸大小有序地沉积在玻璃基片上；片上；l对基片进行固化和清洗，制成对基片进行固化和清洗，制成可供观察和分析的可供观察和分析的铁谱片铁谱片。264.3 油样铁谱分析技术u 分析式铁谱仪-磁铁装置l铁谱仪的核心元件，由五块磁材料构成的铁谱仪的核心元件，由五块磁材料构成的U U型装置。型装置。274.3 油样铁谱分析技术u 铁谱片lU形栅栏：引导油液沿基片中心线流动；形栅栏：引导油液沿基片中心线流动；l大尺寸磨粒沉积在
19、入口端，小尺寸磨粒沉积在出口端；大尺寸磨粒沉积在入口端，小尺寸磨粒沉积在出口端；l磨粒在垂直于油液流动方向排成链状；磨粒在垂直于油液流动方向排成链状；磨粒在铁谱片上的沉积规律磨粒在铁谱片上的沉积规律284.3 油样铁谱分析技术u 铁谱的定性分析l定义：使用铁谱显微镜对铁谱片上沉积的颗粒进行使用铁谱显微镜对铁谱片上沉积的颗粒进行形状形状、尺寸大小尺寸大小和和成分成分的分析，建立磨损状态类型与磨损颗粒形的分析，建立磨损状态类型与磨损颗粒形态的相互关系，判别摩擦副的磨损状态，以确定故障情况态的相互关系，判别摩擦副的磨损状态，以确定故障情况和磨损部位。和磨损部位。l定性分析方法：铁谱显微镜法：铁谱显微
20、镜法：加热分析法加热分析法: :对铁谱片进行加热处理，借助磨粒的回火颜对铁谱片进行加热处理，借助磨粒的回火颜色的不同来识别磨粒的材料成分。色的不同来识别磨粒的材料成分。294.3 油样铁谱分析技术u 磨粒的识别 l正常磨粒正常磨粒正常磨粒是正常磨损的结果，源于剪切混合层部分脱落。正常磨粒是正常磨损的结果，源于剪切混合层部分脱落。磨粒由扁平的小片组成，通常为磨粒由扁平的小片组成，通常为5 5微米或更小，有时可能微米或更小，有时可能达到达到1515微米，这取决于设备的应用情况。微米，这取决于设备的应用情况。在磨粒表面几乎没有可见的纹理，小片的厚度应该是在磨粒表面几乎没有可见的纹理，小片的厚度应该是
21、1 1微微米或更小。米或更小。304.3 油样铁谱分析技术u 磨粒的识别l切削磨粒切削磨粒形状似车床加工产生的切屑，尺寸在微米级；形状似车床加工产生的切屑，尺寸在微米级；产生原因：摩擦副中较硬一方的刃边穿入较软一方产生磨产生原因：摩擦副中较硬一方的刃边穿入较软一方产生磨屑，或润滑系统中存在污染颗粒。屑，或润滑系统中存在污染颗粒。314.3 油样铁谱分析技术u 磨粒的识别l球形磨粒球形磨粒l产生于滚动轴承疲劳裂纹，产生于滚动轴承疲劳裂纹，它可对轴承故障进行早期报它可对轴承故障进行早期报警，它在实际的散裂发生前警，它在实际的散裂发生前是可以检测到的。是可以检测到的。l滚动轴承疲劳不是球形颗粒滚动轴
22、承疲劳不是球形颗粒的唯一根源，焊接等工序也的唯一根源，焊接等工序也能产生球形颗粒。但球体的能产生球形颗粒。但球体的尺寸不同，滚动疲劳几乎不尺寸不同，滚动疲劳几乎不产生大于产生大于5 5微米直径的球体，微米直径的球体，而焊接和摩擦产生的经常是而焊接和摩擦产生的经常是大于大于10 10 微米直径的球体。微米直径的球体。324.3 油样铁谱分析技术u 磨粒的识别l剧烈滑动磨粒剧烈滑动磨粒l剧烈磨损颗粒在其表面存在剧烈磨损颗粒在其表面存在平行的条痕，这些条痕相互平行的条痕，这些条痕相互平行并与颗粒的长轴平行是平行并与颗粒的长轴平行是其识别特征。其识别特征。 l它们一般长度大于它们一般长度大于15 15
23、 微米，微米，厚度在厚度在5-30 5-30 微米之间。剧烈微米之间。剧烈滑动颗粒有时呈现回火的颜滑动颗粒有时呈现回火的颜色，它在热处理后可能改变色，它在热处理后可能改变颗粒的外貌。颗粒的外貌。334.3 油样铁谱分析技术u 铁谱图像处理系统l铁谱图像的采集和管理；铁谱图像的采集和管理；l铁谱图像的识别与分析；铁谱图像的识别与分析；344.3 油样铁谱分析技术u 分析式铁谱仪的特点l提供的信息丰富，可做精密分析；提供的信息丰富，可做精密分析；l谱片可以保存，供以后分析；谱片可以保存，供以后分析；l制谱过程较慢，制谱过程较慢，3030分钟一个谱片，且须在实验室进行；分钟一个谱片，且须在实验室进行
24、；u 直读式铁谱仪的特点l结构简单、价格便宜（约为分析式的结构简单、价格便宜（约为分析式的1/41/4）；）；l制谱与读谱过程合二为一，分析过程简便快捷；制谱与读谱过程合二为一，分析过程简便快捷；l信息量有限，只提供磨屑体积信息，无形貌和来源信息；信息量有限，只提供磨屑体积信息，无形貌和来源信息；l适合于快速分析和初步诊断。适合于快速分析和初步诊断。354.3 油样铁谱分析技术u 铁谱分析技术的特点l检测磨粒尺寸范围宽，能及时判断机器的磨损变化；检测磨粒尺寸范围宽，能及时判断机器的磨损变化；l铁谱仪比光谱仪价格便宜，可适用于不同设备；铁谱仪比光谱仪价格便宜，可适用于不同设备；l获得的信息全面，
25、包括成分分析、定性分析和定量分析；获得的信息全面，包括成分分析、定性分析和定量分析；l缺点缺点：对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低；对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低；规范性较差，分析结果依赖于操作经验；规范性较差，分析结果依赖于操作经验； 图为图为釆釆用铁谱技用铁谱技术监测一齿轮箱磨损状术监测一齿轮箱磨损状态的结果图。图态的结果图。图(a)、(b)和和(c)分别为大、小磨粒分别为大、小磨粒铁谱读数铁谱读数DL、DS和磨损和磨损烈度指数烈度指数IS与齿轮工作与齿轮工作时间的关系曲线。从图时间的关系曲线。从图中可以看出，在齿轮箱中可以看出，在齿轮箱磨合时表现出较高的磨磨合时表现出较高的磨损率，随着齿轮箱磨合损率，随着齿轮箱磨合过程结束，磨损率下降过程结束，磨损率下降并趋于稳定，在齿轮箱并趋于稳定，在齿轮箱进入破坏性磨损期时其进入破坏性磨损期时其磨损率又迅速增大。磨损率又迅速增大。4.3 油样铁谱分析技术 Thank you
