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章机械故障诊断的油样分析技术章机械故障诊断的油样分析技术节油样分析概述节油样分析概述节油样铁谱分析技术节油样铁谱分析技术节油样光谱分析技术节油样光谱分析技术节磁塞节磁塞第五章 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后，就能取得关于该机械设备各摩擦副的磨损状况：包括磨
2、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
3、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；不同磨损机理理(磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等磨料磨
4、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
5、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
6、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析技术 中国矿业大学机电学院8第五章 机械故障诊断的
7、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：通过油样分析，我们能取得如下几方面的信息：磨屑的浓度
8、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寸为0.515 m的不规则碎的不规则碎片，其典型形貌
9、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分析技术 中国矿业大学机电学院14第五章 机械故障诊
10、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，通常宽厚比为则磨屑，通常宽厚比为4:110:1；当齿轮载荷过
11、；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 中国矿业大学机电学院19第二节第二节 油样铁谱分析技术油样铁谱分析
12、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损类型、磨损从而分析和判断机器运动副表面的磨损类型、
13、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
14、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 中国矿业大学机电学院24(2)性能特点性能特点 结构简
15、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 中国矿业大学机电学院25 2 2分析式铁谱仪分析式铁谱仪(
16、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
17、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时，且制谱时要求较严格，故一般只能在实验室进行。室进
18、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。
