1、石油大学2000年10月1一、油液分析技术及其发展油液分析技术 通过对运行设备在用润滑油的代表性样品检测与分析，获得有关油品性能指标变化以及油中污染和变质产物的宏观或微观物态特征变化信息，进而确定设备润滑与磨损状态和相关的故障发生机制。2油液分析技术的发展1941年，美西方铁路公司首次采用世界上第一台油分析光谱仪，美国Baird公司铁路机车润滑磨损状态监测在美国及欧洲的应用美国三军联合油液分析计划（JOAP）丹麦海军：核潜艇海湾战争：空军飞机发动机监测铁谱分析技术及其发展1972，第一台商用铁谱仪，1982，国际磨损工况监控会议应用：从柴油机、汽轮机到人工关节研究的广泛领域在国内的应用：198
2、0年-1990年，铁路、船舶、煤炭、电力等多个行业铁谱、光谱、油液理化指标综合分析方向：在线监测、离线监测和近在线监测技术图象分析、人工智能、远程诊断、虚拟现实技术应用3油液分析技术应用领域机械设备状态监测与故障诊断润滑材料的改进与开发典型摩擦副磨损机理研究机械零件的摩擦学设计润滑油品技术服务车辆污染控制4油液分析技术的主要作用确定设备合理的换油时机检验设备用油品质，防止假油或油错用对设备造成损害确定设备主要磨损机理及程度，实现设备资源合理调度诊断正在发生或潜在故障，为设备维修决策提供依据将设备维护过程与环境污染控制有机结合，达到设备维护目标与环保目标和谐统一对设备的合理润滑提供咨询，实现设备
3、的科学养护；为润滑油、摩擦元件等相关产品的改进和创新提供依据5油液分析的技术服务模式在线监测实时、自动化、设备集成、单一功能目标离线分析-设备诊断中心全面、专业、网络化服务，信息可能失真近在线分析实时、快速、功能可集成6二、油液分析的基本依据油品品质在使用时的变化及影响因素油品在使用过程中的氧化变质或劣化的必然性环境的影响：大气、冷却和燃油等相关子系统工作条件：压力、温度、剪切等促进氧化变质添加剂消耗：抗氧化剂、抗磨添加剂的消耗油中磨损产物特征变化及影响因素金属表面磨损产物磨粒进入润滑系统循环，可反映的摩擦副磨损：磨损程度：磨粒数量磨损类型：磨粒的类型磨损发生的部位：磨粒成分及磨粒的形态700
4、.050.10.150.20.250.30.350.4123456789101112月份水分(%)125130135140145150155160165123456789101112月份粘度(cst)某柴油机在用润滑油一年内的粘度和水分变化8燃油系进排气系统冷却系统温度负荷速度环境气氛尘埃,砂粒纤维,水分烟尘,冷却剂油泥,氧化物变质物硫化物硝化物金属微粒油循环系统内燃机在用润滑油品质变化及污染影响因素9三、油液分析的内容与方法磨损微粒分析分析内容：磨粒数量、尺寸分布、成分及形态/类型分析方法：铁谱、发射光谱、颗粒计数等目标：确定主要磨损部位、磨损程度和机理/原因油品变质及污染物分析分析内容：油
5、变质和污染物类型及数量l变质产物：氧化物、氮氧化物、硫化物等l污染产物：水分、烟尘、燃油残物、尘埃、乙二醇等分析方法：红外光谱、发射光谱、铁谱及其它方法目标：确定油的可用度及相关的系统故障及原因10常规理化指标分析分析内容：粘度、闪点、水分、总碱值/酸值不溶物/机械杂质、氧化度、腐蚀度、污染度分析方法：粘度/闪点/水分仪、滴定法、斑点试验等目标：确定油的可用度及相关子系统故障及原因11不同检测手段的监测应用范围12油品摩擦学评价颗粒计数器红外光谱分析机械工程师油品化学工程师设备磨损状态油变质状况油污染状况设备状态评价油样、设备背景发射光谱分析常规理化分析 设备润滑与磨损监测 系统现场设备工程师
6、设备润滑与磨损状态监测系统铁谱分析13四、油液分析的一般程序收集设备原始资料、考察设备现场制定监测计划和取样规范按规范取样样品分析数据处理提交监测诊断报告收集反馈意见提出设备维护建议14五、铁谱分析技术分析和直读铁谱仪利用高梯度磁场，将油液中的磨损颗粒分离出来，按规则排列沉积在铁谱基片上；借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸分布、成分、类型等，进而确定设备磨损的状况。仪器读数：大颗粒读数：Dl(Al)小颗粒读数：Ds(As)15蠕动泵磁铁输油导管铁谱基片油流油样废液杯铁谱片导向槽磨粒沉积带6024磁铁的磁路结构分析式铁谱仪工作原理16油样置于一定高度的油样试管毛细管回油管磁铁废液杯虹吸钮光纤光敏
7、元件光敏元件DlDs沉积管沉积管油样废液磁铁直读式铁谱仪工作原理17旋转式铁谱仪利用离心力和磁场的联合作用，将将油液中的磨损颗粒分离出来，按规则排列沉积在铁谱基片上；借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸分布、成分、类型等，进而确定设备磨损的状况。仪器读数内圈大磨粒读数外圈小磨粒读数18密封圈油样铁谱基片磁铁密封拉杆驱动轴废液杯输油装置铁谱基片内磁芯外磁环铜套隔离套DiDo光密度探测头19定量铁谱参数磨损量：WPC=(Dl+Ds)/L磨损烈度指数：Is=Dl2-Ds2磨损严重性:Dl/Ds,(Dl-Ds)/(Dl+Ds)20磨粒识别磨粒类型正常磨损颗粒切削磨损颗粒粘着擦伤颗粒疲劳磨损颗粒腐蚀磨损颗
8、粒球形颗粒金属氧化物磨粒识别方法磨粒图谱磨粒自动识别：计算机辅助识别或自动识别21六、元素光谱分析原子发射光谱分析元素原子内层轨道上的低能态电子受外界能量激发跃迁到高能态的外层轨道，由于高能态电子的不稳定性，当电子返回内层轨道时，多余能量以光的形式释放，通过检测光的波长及强度信息，区分元素的种类和浓度。22各种激发源分光器探测器信号处理与分析系统光谱仪工作原理23光谱分析磨损金属元素Fe,Cu,Al,Pb,Mn,Mo,Cr污染物元素B,Na,V,Si添加剂元素Ca,Mg,Zn,P24七、红外光谱分析红外光谱仪红外光辐射可导致分子官能团的振动，不同分子的振动发生在特定的红外辐射频率（波长）段，产
9、生在红外谱图中可见的峰，这些峰对应不同的物质分子。25红外光源检测器数据处理固定镜面移动镜面检测器分束器器单色器输出信号检测器信号移动镜面位置检测器信号到检测器样品BC(BD)D-1D-2D-3ZPD1/41/4(BC)A单色器棱镜衍射光栅干涉仪MICHELSON干涉仪26五、油液分析诊断软件在用润滑油监测信息管理系统油液分析数据库系统管理监测指标趋势分析监测诊断报告生成/传输油液分析诊断专家系统油液分析数据库系统和诊断知识库管理磨损微粒计算机辅助/自动识别监测指标综合分析润滑油和关键摩擦副状态评估故障诊断及监测诊断结论生成监测诊断报告生成/传输27 油样 样品标识 取样时间 理化指标 元素浓
10、度 磨粒 氧化物 污染物 状态描述 润滑状态 磨损状态 磨粒 形状 颜色 纹理 边缘特征 机器 机器标识 型号 结构（材料）性能 润滑系统 标识 结构型式 润滑剂 滤器 故障描述 故障模式 故障部位 故障原因 维修建议 摩擦元件 名称 结构材料 配偶件名称 润滑方式 磨损型式 监测试验 试验规范 监测任务 标识 任务描述 监测计划 标识 测试方法 监测制度 监测 诊断 报告（1）（2）（4）（5）（6）（3）磁 性 颗 粒 有 色 金 属 非 金 属28 设备/部件表测试基础（标准）数据表 监测制度表 设备概况表监测数据及状态表 诊断结论表理化 指标发射光谱数据铁谱 数据取样 状态品质评价污染
11、评价磨损评价 客 户 表 摩擦元件表综合结论红外光谱 数据其它指标 数据 润滑油数据 磨粒图谱发射光谱红外光谱定量 数据定性 数据磨粒 图库 反馈信息表29六、油液分析技术应用大功率柴油机故障诊断拉缸活塞破裂活塞销断裂预防润滑与磨损故障统计齿轮减速器状态监测润滑油错用失效分析液压系统污染控制30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。31活塞裙部破裂产生的铝合金颗粒（扫描电镜像）产生机理：接触疲劳，疲劳裂纹扩展形成32柴油机轴瓦产生的疲劳磨损颗粒：
12、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33柴油机中的切削磨损颗粒：上：两体磨料磨损结果（硬表面切削软表面）下：三体磨料磨损产物（外来磨料粒子在摩擦副表面间参与微切削）34051015202581012246CuFePb活塞销断裂前，油中主要元素变化反映出铜套磨损加剧353%28%30%39%01020304050缸套-活塞环磨损轴瓦-铜合金类磨损腐蚀磨损其它类磨损图7 柴油机主要磨损故障分布案例数367%7%17.322.5%52.5%020406080100120TBN偏低严重污染水分偏高钙含量偏低粘度超标闪点偏低图8 润
13、滑油故障分布故障数37表1 原用油与拟用油对比试验结果 指标 原用油 拟用油 运动粘度（40,100），mm2/s 53.95,7.61 179.17,16.61 P,Ba,Zn,Ca浓度(PPM)248.5,35.9,224.5,9.5 640.14,0.0,1.3,3.36 分析铁谱结果 含少量粘着和腐蚀磨损颗粒 无明显颗粒 s,Cl含量(%)0.00,0.00 2.57,0.00 极压添加剂吸收峰 无 十分明显 最大烧结负荷(N)2352 4508 资料来源：P&G公司齿轮箱换油计划，拟用油为Shell公司推荐，使用后齿轮箱发热严重，检测反映润滑油错用齿轮箱工况：高速轻载（适合用一般齿轮油）（高粘度、含极压添加剂油适合于重载低速齿轮）381、电机2、联轴器3、分减速器4、主减速器小齿轮5、主减速器大齿轮6、滚柱轴承 7、转炉托圈1235647元 素FeCrM nM oV含 量（%）94.00000.01430.39500.00710.0170倾动机构润滑系统中磨粒成分分布：可能来源：齿轮表面疲劳剥落39
