1、2022-10-29机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断机械故障诊断第七章第七章油液诊断技术油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术 是通过对系统中循环流动的油液污染状况进行监测，获取机件运行状态的有关信息从而判断机械的污染性故障和预测机件的剩余寿命。在故障诊断中，油液污染监测法所起的作用与医学诊断中验血所起的作用是颇为相似，而且将会和医学诊断中的验血检查一样，成为应用最广泛和最有发展前途的一种不解体检验方法。因而油液污染监测法是污染监测技术的主要研究内容。机械故障诊断第七章油液诊断技术油液诊断技术油液诊断技术7-1 油液污染监测原理7-2 油液监测方法7-3 油液铁谱分析技术机械故障
2、诊断第七章油液诊断技术 7-1 油液污染监测原理油液污染监测原理机械故障诊断第七章油液诊断技术1.油液污染是指油液中存在着对系统的工作、机件的可靠性和寿命有害的物质和能量。包括固体、液体、气体和微生物等物质，以及热能、机械能、静电荷、磁场和射线等能量。而在油液污染监测中所研究的主要是有害物质的污染。2.引起油液污染主要有两个原因：其是原始污染，其二是过程污染。原始污染是指机件开始工作前就存在的污染。如新油杂质，或者是机件在加工、装配、贮存和运输过程中，一些型砂、切削、磨料油渣、锈屑和灰尘等污染物。这类污染物含量在机械工作过程中基本不变。机械故障诊断第七章油液诊断技术 过程污染是指系统在使用过程
3、中，通过往复伸缩的活塞 杆带入污染机油箱中流通的空气、溅落或凝结的水滴流回油箱的漏油等外界“侵入”的污染物，和由于机件的磨损而不断“产生”的磨损产物等因素所引起的污染。而这类污染物的含量是随机械工作过程的延续而变化的，污染物的变化状况就是油液污染监测的目标。3.污染故障 不管是原始污染，还是过程污染，只要污染的程度超出所规定的限度，都可能造成系统机件的磨损、振动、发热、卡死、堵塞或由此而引起系统性能下降、寿命缩短、机件损伤、动作失灵和油液变质等故障。机械故障诊断第七章油液诊断技术3 污染故障机械故障诊断第七章油液诊断技术二、油液污染监测的内容及装置机械故障诊断第七章油液诊断技术三、油液中的磨损
4、产物三、油液中的磨损产物1 磨损产物的含量及其增长速度1 无烧损、漏损的情况下，一般系统油液中磨损产物浓度与零件磨损量之间成线性关系。2 有烧损（内燃机）时，虽难以根据磨损产物的绝对浓度来确定零件的磨损量，但也有一定规律，发动机在加满新油后，大约工作120150h左右，机油中铁元素的浓度便稳定在某一水平；而不同的稳定水平，反映了不同工况下的磨损速度。3 根据油液中磨损产物的含量及其增长速度的分析，可以准确地判断零件的磨损状态及其磨损的发展趋势。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 油液中磨损产物的粒度和形态分析 根据磨损产物粒度、形态的分析结果，可判断零件所处的磨损阶段及磨损类型。正常磨损，磨损产
5、物的颗粒一般细小而均匀；而在磨合阶段，磨损产物的颗粒相对较大；当达到磨损极限状态时，则可能出现粗大的颗粒。正常的磨料磨损，其磨损产物的颗粒呈不规则截面的粒状；粘着磨损时，可能出现条状的表面无光泽的磨损颗粒；而齿轮和滚动轴承的疲劳剥落，其碎屑成片状，而且这种碎屑的工作摩擦面是光滑而明亮的，而碎屑的另一面则是布纹状的粗糙组织。机械故障诊断第七章油液诊断技术3 油液中磨损产物的允许界限 用来判断机件的异常磨损，并据此来预测磨损机件的剩余寿命。但需针对具体情况具体分析。油液污染度评定是测定单位容积油液中固体颗粒污染物的含量，以此反映系统或零件所受颗粒污染物的危害程度。机械故障诊断第七章油液诊断技术一
6、常用的油液污染度评定方法1 称重法 称重法是测定单位容积油液中所含颗粒污染物的重量，反映的是油液中污染物的总值，而不反映污染物的特性、尺寸大小和分布状况。让l00ml油样通过0.45m孔径的预先称重的干燥薄膜，污染物滞留在薄膜上，然后用溶剂洗去薄膜上的油液，待干燥后称得薄膜的增重克数即为污染物颗粒的重量。将所得的污染物颗粒重量与油液污染度重量分段标准进行比较，便可以确定油液的污染度等级。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 计数法 颗粒计数法是测定单位容积油液中颗粒污染物的尺寸及分布，来表示油液的污染度等级。计数方法有光学显微法和自动计数法。3 光测法 以可见光照射油液，并用光接收器接收油液的透射
7、光，由于油液中污染物的存在，将发生吸收、散射或反射，所以采用光接受器接受透射光，并将其转化成电信号显示，即能反映油液污染程度。但由于不同油液的颜色有差异，即使同一型号油液，经使用后其颜色也会变深。因此仅用透射光检测，其结果的可比性差。光测法的仪器精巧、使用简便、其结果明确，可用于监测油液污染的发展趋势。机械故障诊断第七章油液诊断技术4 电测法 电测法是通过检测油液的电化学性能，来分析油液的污染状况。可分为电容法与电阻法。1 电容法 以污染油液作为电介质，不同污染物程度的油液，其介电常数不同，测出电容变化量（相对于同型号新油）便可了解油液污染情况。2 电阻法 油液电阻率的大小与其中的水分、杂质含
8、量及温度有关，因而在一定温度下测出油液电阻值的大小，便可得知油液的污染情况。机械故障诊断第七章油液诊断技术5 淤积法 污染的油液流经微小间隙或滤网时，固体颗粒会逐渐淤积堵塞，引起压差和流量的相应变化，油液污染程度不同，其变化量也不同。以滤网作传感元件时，淤积法可分为压差恒定测量和流量恒定测量两种。6 综合法 综合法就是通过物理、化学分析和观察对比的方法对油液品质进行综合评价。为便于现场使用，常将多种检测器组成便携式试验箱。试验箱内大致包括下列检测器件：锁紧式吸油用注射器或电动真空泵组件、取样滤膜、溶剂滤膜、显微镜及照明配件、对比用标准照片、粘度计、水分计，比重计、各类试剂、试纸、以及各种容器等
9、。检测项目有粘度、水分、碱、全酸值、污染度、比重等。机械故障诊断第七章油液诊断技术二 油液污染状态检测仪器1 油液污染物体积浓度检测仪 确定油液污染物体积浓度的仪器，其原理为光学测定法。2 油液污染物粒度分布检测仪 其基本方法是将摊在平面上的油液试样进行光学扫描，或者是让一定体体积的被检油样通过澄清过滤器，然后对过滤器上的残留污染物进行光学扫描。3 油液中污染物颗粒数目和尺寸检测仪 原理是，利用光电变换器确定随同油样一起通过标准缝隙的颗粒数目和尺寸。机械故障诊断第七章油液诊断技术7-3 油液铁谱分析技术 铁谱分析是从有代表性的油样中分离出磨损和污染微粒，使其按尺寸大小有次序沉淀到透明显微镜底片
10、上，并通过光学或电子显微镜的检测和分析，从而判断机械磨损状态的一项技术。一 油液中磨粒的性态 由于正常磨损的机械其油液中磨粒浓度能够达到动态平衡；而异常磨损能引起磨粒浓度及粒度分布超出预先制定的基准。因此可以采用磨粒分析对机械磨损状态进行监控。机械故障诊断第七章油液诊断技术二 取样技术 由于油液中磨粒浓度会达到动态平衡，因而在达到动态平衡后的一段时间内，用相同方法取出的油样将含有相同数量的磨粒。如果取样方式不得当，磨粒浓度及其粒度分布也会发生显著变化，有可能对机械状态作出错误的判断。机械故障诊断第七章油液诊断技术二 取样技术1 在管路中取样 从通过所有磨损零件后的润滑油流过的回油管内，并在滤清
11、器之前取出油样。显然这种取样方法必须是在机械正运转中进行。应避免从管子底部取样。2 在油箱中取样 在系统处于运转时或停机后2h内取样取出油样，取样管插入池面的深度应随停机时间的延长适当增加。3 取样间隔 取样间隔应根据机械摩擦副的特性和机械的使用情况，并考虑实验研究的目的和对故障早期预报准确度等要求而定。通常对新的或刚大修后的机械，应增加取样频率，以判断磨合是否已结束。机械故障诊断第七章油液诊断技术三 铁谱片与光密度1 铁谱片 透明显微镜底片置于高强度磁场上方，并使它与水平面成一小的倾斜角度。当含有磨损金属徽粒的润滑油以一定的速度（0.25ml/min）流经底片时，同时通过铁谱仪强磁场，油液中
12、微粒受到连续增强的磁场力以及摩擦力的作用，导致所有微粒都依照其大小次序全都均匀地沉淀到显微镜底片上，便制成分析用的铁谱片。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 光密度 所谓铁谱片的光密度，即为透射过透明铁谱片的光与透射过含有磨损微粒铁谱片的光强度之比并取以10为底的对数。D0lg(I0/Ip)采用光密度计能够测出铁谱片的光密度。四 铁谱分析仪 根据测取的标志磨损状态变化的信息不同，铁谱仪分分析式铁谱仪、在线式铁谱仪、直读（DR）式铁谱仪、旋转式铁谱仪四类：机械故障诊断第七章油液诊断技术四 铁谱分析仪1 分析式铁谱仪 分析式铁谱仪是最早开发出来的铁谱仪，它包含了铁谱技术的全部基本原理。分析式铁谱仪的
13、用途是用来分离机器润滑油样中的磨粒，并能使磨粒依照尺寸大小有序地沉积在一显微镜玻璃基片上，从而制成铁谱片，然后利用铁谱显微镜等观测和分析仪器，实现对磨粒的定性、定量铁谱分析。机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术 分析式铁谱仪的磁铁装置是铁谱仪的核心元件，其构造如图3所示。它是由磁铁副、两磁极和磁座板（磁轭）共五块磁材料拼装成U形的一个永久磁铁装置。由于该磁铁装置设计独特，又采用特殊的磁性材料，产生的磁场是一个高强度和高梯度的发散强磁场。两磁极间约有lmm的气隙，用铝板隔开，磁铁装置气隙中央的磁感应强度可达1.8T，在垂直方向上的磁感应梯度可
14、达0.40.5T/mm。在这样的磁场作用 下，当分析油样流经位于磁场装置上方的玻璃基片时，油样中的磨粒在连续增高的磁场力的作用下被磁化并迅速在谱片上沉积。由于玻璃基片是倾斜安装，故油样中的磨粒在进入磁场后，随着流动会受到一个逐渐增强的梯度磁场作用，使大尺寸磨粒首先在人口端沉积，最小尺寸颗粒通常在出口端附近位置上沉积，从而使磨粒能按照其尺寸大小有序地在铁谱片上沉积。机械故障诊断第七章油液诊断技术分析式铁谱仪机械故障诊断第七章油液诊断技术2 直读式铁谱仪机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断
15、技术 机械故障诊断第七章油液诊断技术3 在线铁谱仪机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术4 旋转式铁谱仪机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术机械故障诊断第七章油液诊断技术4 旋转式铁谱仪机械故障诊断第七章油液诊断技术4 旋转式铁谱仪机械故障诊断第七章油液诊断技术五 磨损状态定性分析1 铁谱片的图象分析法 铁谱片的图象分析法可获得表征磨粒几何形态的形状因子和磨粒的尺寸分布。铁谱片的图象分析是在图象分析仪上完成的。图象分析仪是利用光学显微镜顶部的摄象扫描器从铁谱片
16、上采集磨粒图象，并通过视频模拟数字转换单元将图象的数字信号送入微处理机；再用软件对磨粒的面积、周长、垂直或水平截距以及基准尺寸宽度内的磨粒数量等参数进行识别、分析。由机件的特征磨粒识别其磨损类型：摩擦副机件按其运行寿命可分为磨合磨损、正常磨损和异常磨损三个阶段。而异常磨损又可分为过载，过速和疲劳三种类型。机件在不同阶段和不同类型磨损中均产生一定的特征磨粒，并可以从尺寸、尺寸分布、数量、成分和外貌等几个方面对它们加以区别。因而通过识别特征磨粒，可以判断机件的磨损的阶段和类型。机械故障诊断第七章油液诊断技术1 磨合磨损1 齿轮 齿轮的磨合磨损是将带有加工划痕表面进一步抛光的过程，通常产生长宽比为5
17、:1的细长游离金属磨粒，磨粒的实际尺寸和厚度取决于加工划痕的几何形状。磨粒数量比正常磨损时约多两倍，而且大磨粒与小磨粒的数量比较高。2 滚动轴承 磨粒一般是片状的，有时也产生任意形状的磨粒。游离金属磨粒的长宽比约为3:1，长厚比约为4:1。氧化物磨粒般是黑色氧化物，磨粒的长度方向尺寸在50m以内。大磨粒与小磨粒数量比和磨粒总量均比正常磨损时高得多。3 滑动接触表面的磨合磨损过程与齿轮相同，所产生的特征磨粒也与齿轮磨合磨损时类似。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 正常磨损1 齿轮、滑动接触表面 正常磨损磨粒主要是薄片状的游离金属颗粒，其长宽比为2:1，长厚比10:1，磨粒的长度方向尺寸大都在2m
18、以下；2 滚动轴承 正常磨损磨粒大多数为片状与层状组合的游离金属颗粒。片状磨粒的长宽比为4:1，长厚比为10:1，其长度方向尺寸多数在2m以下。而层状磨粒数量比片状多，其长宽比为3:1，长厚比为20:1，长方向尺寸为1030m，平均厚度1m。大磨粒与小磨粒数量比约为1:250。机械故障诊断第七章油液诊断技术3 疲劳磨损1 齿轮 疲劳剥落的磨粒是表面光滑的游离金属片，其长宽比约为6:1，长厚比约为5:1，长度方向尺寸可达150m，大于15m大磨粒长度尺寸主要在1525m范围内。大磨粒与小于2m的小磨粒数量比约为1:50或更高，磨粒总量约为正常磨损时的35倍；2 滚动轴承 疲劳点蚀之前将产生特有的
19、游离金属球形磨粒，通常球形磨粒直径小于2m，少数可达10m。当滚动轴承开始出现疲劳剥落时，便会产生游离的表面光滑的金属片状磨粒，其长宽比为2:1，长厚比为10:1，其长度方向尺寸在150m以下，而大多数大于15m的大磨粒长度方向尺寸处在1520m范围内。疲劳剥落的大磨粒与小磨粒数量出约为1:50或更高，磨粒总量约为正常磨损时的37倍。机械故障诊断第七章油液诊断技术4 过载磨损1 齿轮、滑动接触表面 过载磨损磨粒是片状的游离金属颗粒，其长厚比约为10:1，磨粒长度为150m或稍小的，其磨粒表面常显现滑动的擦痕，过载程度严重时，磨粒长度方向尺寸可达1mm。大磨粒与小磨粒的数量比随载荷增大而变高，磨
20、粒总量大大高于正常磨损。2 滚动轴承一般不会出现过载和过速的情况。机械故障诊断第七章油液诊断技术5 过速磨损1 齿轮过速时将产生擦伤或胶合，其磨粒是游离的金属片，长厚比约为10:1，长度方向尺寸在150m以下，大磨粒与小磨粒之比约为1:500或更低磨粒总量比正常磨损时大，而且磨粒带有一些表面氧化的迹象；2 滑动接触表面的过速磨损主要产生片状的游离金属磨粒，其长厚比约为10:1，随过速程度的不同，磨粒长度方向尺寸可达lmm，大磨粒与小磨粒的数量比也随过速程度增加而变大。磨粒总量大大高于正常磨损，而且磨粒表面可能显现氧化迹象或“回火色”。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 铁谱片的加热分析法 有关磨
21、粒成分的重要信息可以用加热性谱片，并观察沉积磨粒显示出的颜色变化来获得。铁谱片的加热处理是利用一块专用的热板和一个表面温度计完成的。其方法是将铁谱片有磨粒沉积的一面向上，放在已加热至先定温度的专用热板上，并持续90s。用平头镊子将铁谱片取下后放到铁谱显微镜工作台上，用白色反射光和绿色透射光观察并拍照记录。比较不同加热温度下观察的现象和拍照结果，可以对铁谱片上的磨粒成分作出鉴别。根据所需识别的金属磨粒不同，加热温度分为330、400、480和540四个等级，通常只加热到第一级即可鉴别。机械故障诊断第七章油液诊断技术 铁谱片加热后所产生的各种变化是识别各类磨粒的依据。1 铁系合金磨粒的识别 按抗氧
22、化能力的不同，将铁系合金分成三类，即低合金钢、中合金钢和高合金钢，根据铁谱片加热时它们所产生的不同回火色效应来识别相应的磨粒。当铁系金属受热在空气中氧化时，所形成的氧化膜受自身合金元素含量的控制，不同钢种和合金的抗氧化能力不同，因而加热时生成的氧化膜厚度不同，而不同厚度氧化膜对分光干涉产生的颜色不同，这就是被传统地加以利用的回火色。随着氧化膜由薄到厚回火色的变化规律大致是：亮棕色草黄色烤蓝色淡蓝色灰白色（即失去金属光泽）。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 有色金属磨粒的识别 有色金属磨粒包括铜、铅-锡合金以及铝、铬、银、钛、镉、镁、钼和锌等白色金属。铜磨粒因其固有的橘黄色极易识别；铅-锡磨粒因
23、其熔点低、易氧化和腐蚀，表面氧化在白光照射下呈黑色。白色有色金屑可利用加热法配以酸碱浸蚀法加以鉴别。3 有机和无机化合物磨粒的识别 铁谱片上存在的有机和无机化合物磨粒经加热后，视材料种类不同，在不同等级加热温下，会出现不同程度的炭化，萎缩或蒸发。故加热后可见有机物亮度大为减弱，无机物不变化。机械故障诊断第七章油液诊断技术六 磨损状态的定量分析1 机件磨损的发展过程 油液中磨粒的浓度和尺寸分布是反映机件磨损状态的两个定量信息。磨粒浓度是指在抽样中，大、小磨粒数量之和与油样量（单位为mL）之比，它是用铁谱片上磨粒的覆盖面积来表征的；磨粒尺寸分布指的是在油样中，大、小磨粒数量之差或者此差值与和值之比
24、，即大磨粒所占的数量比，在铁谱片上沿长度不同的位置，磨粒覆盖面积值的变化即给出了磨粒的尺寸分布。摩擦学研究指出：所有非正常磨损的出现，均会导致磨粒浓度的增加，或者说，导致磨损速度加快；而大部分失效磨损会迅速地改变磨粒的尺寸分布，使大磨粒的比例急剧增加，表现出严重磨损。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 磨损状态的定量指标1 磨损指数度方程 如上所述，当从连续的润滑油试样制备的铁谱片上呈现恒定的光密度读数时，便可判定机械处于正常的工作状态或产生稳定速率的磨损微粒。如果在某时刻磨损微粒量急剧升高，或磨损碎屑中的大微粒与小微粒之比迅速增大则表明此时工作机器严重磨损过程开始。显然表征机械状态是两个特征，
25、即磨损微粒量和大微粒与小微粒之比。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 磨损状态的定量指标 为了从数量角度定量描述以上关系，以反映不同时间里工作机器的状态变化，引进了一个称为磨损指数度的量，其量值的大小可由下式确定：Is(Dl+Ds)(DlDs)Dl由数字显示出大微粒沉积物的光密度读数。Ds读出的小微粒处沉积物的光密度读数。从磨损指数度方程可以看出，Is值的变化既与总磨损值有关，又与磨损度有关。当后面两值急剧增大时，Is值将跟着升高。因此：当工作机器的磨粒量和大微粒与小微粒之比迅速增大时，将表明机器严重磨损过程开始。不同时刻的磨损指数度值的变化，不但反映了不同时刻的机器磨损状况的变化，而且表征了不同时刻工作机器的故障或损坏状态变化。机械故障诊断第七章油液诊断技术2 累积值曲线 将铁谱仪的每一个新读数累加到以前的全部读数的总和上，并以每一总和作为运行时间的函数绘成曲线，即得到一种累积值曲线。如果读数值不变，且曲线标点的间隔一致，则得到的是一条直线。若读数值变化，则为一条可供分析机械状态的曲线。在这一方法的基础上，又提出一种演变形式，它将总磨粒累积值(Dl+Ds)和磨损度累积值(DlDs)绘在同一张图上。对于正常运行的机械将产生两条彼此分开的直线，而磨损状况恶化的机械将使两条曲线的斜率均升高。2022-10-29机械故障诊断第七章油液诊断技术
