学习情境一：设备状态监测与故障诊断

学习情境一： 设备状态监测与故障诊断模块五：油液分析技术

油液分析技术 人在感觉自己的身体不适时，往往会到医院进行体检，体检项目中有一项验血，就是通过分析血液的成分，以查验身体情况。设备状态监测与故障诊断中其中一个重要的内容——油液分析，就与人体检时验血类似。

所谓油液分析，是指通过对从运行设备中所取得的有代表性的润滑油样的检测和分析，获得有关设备在用润滑油性能指标变化、油中磨损产物、污染和变质产物的宏观或微观物态特征信息，并由此评判设备润滑与磨损状况或诊断相关故障的技术过程。油液分析主要包括对润滑油状况（性质）的分析和对油中磨损颗粒的分析。所谓油液分析，是指通过对从运行设备中所取得的有代表性的润滑油样的检测和分析，获得有关设备在用润滑油性能指标变化、油中磨损产物、污染和变质产物的宏观或微观物态特征信息，并由此评判设备润滑与磨损状况或诊断相关故障的技术过程。油液分析主要包括对润滑油状况（性质）的分析和对油中磨损颗粒的分析。

一、油液分析技术的意义 机械设备中的润滑剂在使用过程中，受设备工况条件变化、环境和相关机械子系统的影响，难以避免的外来物质污染和系统自身结构在微观或宏观上变化等诸多因素的影响，不但在数量上会有损耗，而且在组成成分和结构上也会发生变化，从而导致品质下降，直至最终丧失应有的润滑效能，如果不能得到及时的补充或更换，设备相关摩擦副将由于得不到有效的保护而发生损伤甚至失效；如果能通过及时检测设备在用润滑剂的品质和污染物指标的变化，适时掌握设备润滑剂的劣化、污染程度以及设备中关键摩擦副的磨损情况，确定合理的换油周期及维护措施，可有效防止设备中关键摩擦副的损伤，延长设备的使用寿命，提高设备工作的可靠性。

二、油液分析方法概述 油液本身的物理化学性能分析。例如，油的黏度、酸值、油性、闪点、凝点、抗氧化稳定性、防锈性等。其中黏度和酸值对设备的正常运行尤为重要。油液分析包括：油液的污染分析。油液中污染物的数量、成分、尺寸、形状、分布反映了不同磨损失效类型和故障特征。小小的磨粒（从几个微米到几百微米）是液压设备故障诊断的重要信息源。

采样检测油液诊断方法的基本步骤诊断预测处理

采样--采集能正确反映当前液压设备中元部件运行状态的、有代表性的油样采样--采集能正确反映当前液压设备中元部件运行状态的、有代表性的油样检测--对油样进行分析，测定油样中磨屑的数量、大小及成分等；诊断--初步回答设备的磨损状态属于正常还是异常，如果是异常磨损还要确定属于哪些元部件磨损和何种磨损类型；

预测--估计处于异常磨损状态的元部件的剩余寿命和今后可能发生的磨损类型；表性的油样预测--估计处于异常磨损状态的元部件的剩余寿命和今后可能发生的磨损类型；表性的油样处理--根据预测的情况确定维修方式、时间和部位。

三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介 磁塞分析法是最早的油样分析法，将磁塞插入被检测油路中，收集分离出的铁磁性磨粒，然后将磁塞芯子取下洗去油液，置于读数显微镜下观察磨损颗粒的大小、数量和形状，从而判断机器零件的磨损状态。磁塞分析具有设备简单、成本低廉、分析技术简便，一般维修人员都能很快掌握，能比较准确获得零件磨损和故障信息等优点，因此它是一种简便而行之有效的方法。但是它只适用于对带磁性的材料进行分析，其残渣尺寸大于50 。 1、磁塞分析法

三、几种常见油液污染颗粒测定方法简介 其原理是以污染的油液通过滤膜，由于污染颗粒滞留于膜上的过滤微孔被堵塞，这样就减慢了过滤速度，以专门的装置使油液在一定的压力下，将规定了的3个不同容积的液量通过滤膜，测定相应的流过时间，则淤积指数S为（5—1）此法可用来测定5以下的颗粒数量或胶质状态物质。 2、淤积指数法

3、显微镜颗粒计数法 该技术的基本原理是将油样经滤膜过滤，然后将带污染颗粒的滤膜烘干，放在普通显微镜下统计不同尺寸范围的污染颗粒数目和尺寸。该技术的优点是能直接观察和拍摄磨损微粒的形状、尺寸和分布情况，从而定性了解磨损类型和磨损微粒来源，而且装备简单、费用低廉、应用广泛。但该技术操作较费时，人工计数误差较大，再现性较差，对操作人员技术熟练程度要求苛刻。

此法不需从样液中将固体颗粒分离出来，而是利用液体中的颗粒对光的消光、遮光作用（对不透明颗粒）或散射作用（对透明颗粒）的原理，自动地对样液中的颗粒尺寸进行测定和计数。此法不需从样液中将固体颗粒分离出来，而是利用液体中的颗粒对光的消光、遮光作用（对不透明颗粒）或散射作用（对透明颗粒）的原理，自动地对样液中的颗粒尺寸进行测定和计数。 4、自动颗粒计数法

5、颗粒浓度法 这是一种对液体中颗粒进行宏观统计的测定方法。这类方法只给出全部颗粒的整体数量概念，而不是对单个颗粒进行测定。

6、重量分析法 重量分析是将油样用滤膜过滤，烘干后称重，用铝膜过滤前后的重量之差作为油样中的污染微粒重量。这种方法主要用于油液中含磨损微粒浓度较大时的油液分析，所需装备简单；但当外部环境、过来方法、油样稀释液种类、冲洗条件、烘干条件稍有变化时，就会发生较大偏差，测试精度较低，因此只能用于润滑状态的粗略判断。

四、铁谱分析技术 铁谱分析技术是一种利用高梯度强磁场作用，将机器摩擦副产生的磨粒从润滑剂中分离出来并按尺寸有序排列，用各种手段观察、测量，以获得有关磨损过程的各种信息，进而判明机器磨损机理及其状态的一种分析技术。

1、铁谱技术的特点 （1）应用铁谱技术能分离出润滑油中所含较宽尺寸范围的磨屑，故应用范围广。（2）铁谱技术利用铁谱仪将磨屑重叠地沉积在基片或沉淀管中，进而对磨屑进行定性观察分析和定量测量，综合判断机械的磨损程度。同时还可对磨屑的组成元素进行分析，以判断磨屑的产生地，即磨损发生的部位。

铁谱技术的缺点在于：对润滑油中非铁系颗粒的检测铁谱技术的缺点在于：对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低，例如在对含有多种材质摩擦副的机器（例如发动机）进行监测诊断时，往往感到不力；分析结果较多依赖操作人员的经验；不能理想地适应大规模设备群的故障诊断。

分析式铁谱仪主要由铁谱制谱仪、铁谱显微镜和铁谱读数器组成。铁谱制谱仪主要用途是分离油样中磨损微粒并制成铁谱谱片，它由微量泵、磁铁装置、玻璃基片、特种胶管及支架等部件组成。分析式铁谱仪主要由铁谱制谱仪、铁谱显微镜和铁谱读数器组成。铁谱制谱仪主要用途是分离油样中磨损微粒并制成铁谱谱片，它由微量泵、磁铁装置、玻璃基片、特种胶管及支架等部件组成。 2、分析式铁谱仪图5-2 直读式铁谱仪工作原理图 1—油样 2—毛细管3—沉淀管 4—磁场装置 5—光源 6—光导纤维 7—光敏探头 8—虹吸泵 9—废油 10—信号转换器 11—数字显示屏

从设备润滑系统或液压系统取的原始油样经制备后，由微量泵输送到与磁场装置呈一定倾斜角的玻璃基片（也叫做铁谱基片）上。油样沿倾斜底片向下流动，经过高梯度强磁场区，从基片下端流入回油管，然后排入废油容器中。在随油样流下的过程中，可磁化的磨屑在高梯度强磁场作用下，由大到小依次均匀地沉积在玻璃基片的不同位置上，用清洗液冲洗基片上的残余油液，用固定液使微粒牢固贴附在基片上，从而制成铁谱片。在铁谱显微镜下，对铁谱基片上沉积磨粒进行有关大小、形态、成分、数量方面的定性和定量分析后，就可以对被监测的设备的摩擦磨损状态做出判断。从设备润滑系统或液压系统取的原始油样经制备后，由微量泵输送到与磁场装置呈一定倾斜角的玻璃基片（也叫做铁谱基片）上。油样沿倾斜底片向下流动，经过高梯度强磁场区，从基片下端流入回油管，然后排入废油容器中。在随油样流下的过程中，可磁化的磨屑在高梯度强磁场作用下，由大到小依次均匀地沉积在玻璃基片的不同位置上，用清洗液冲洗基片上的残余油液，用固定液使微粒牢固贴附在基片上，从而制成铁谱片。在铁谱显微镜下，对铁谱基片上沉积磨粒进行有关大小、形态、成分、数量方面的定性和定量分析后，就可以对被监测的设备的摩擦磨损状态做出判断。分析式铁谱仪原理（图5-1）

直读式铁谱仪主要用来直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分布，能够方便、快速而较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量。如果不仅要了解磨损微粒的数量及分布情况，而且要观察分析磨粒的形态、表面形貌和成分等因素，做出较准确的诊断，就需使用分析式铁谱仪。直读式铁谱仪主要用来直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分布，能够方便、快速而较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量。如果不仅要了解磨损微粒的数量及分布情况，而且要观察分析磨粒的形态、表面形貌和成分等因素，做出较准确的诊断，就需使用分析式铁谱仪。直读式铁谱仪的工作原理如图5-2所示。取自机器的油样，经浓度及黏度稀释后，在虹吸作用下流经位于磁铁上方的玻璃沉淀管，油样中可磁化微粒在高梯度磁场作用下，依其粒度顺序排列在沉积管内壁不同位置上。在沉积管入口处，即在１～２ｍｍ位置上沉积着大于５微米的大磨粒，而在大于５ｍｍ的位置沉积着只有１～２微米的小磨粒。 3、直读式铁谱仪

以上铁谱仪对污染严重的油样（例如煤矿机械或工程机械内的润滑油等）的定量和定性分析效果不好，主要是制谱过程中，润滑油中的污染物会滞留在铁谱片上。如果滞留数量较多，将影响对磨粒的观测。以上铁谱仪对污染严重的油样（例如煤矿机械或工程机械内的润滑油等）的定量和定性分析效果不好，主要是制谱过程中，润滑油中的污染物会滞留在铁谱片上。如果滞留数量较多，将影响对磨粒的观测。旋转式铁谱仪克服了上述缺点，同时又保留了分析式铁谱仪可以分析观察磨粒形貌、尺寸大小、材质成分等优点。为避免由于磁力线垂直于基片而造成铁磁性磨屑堆积重叠的缺点，旋转式铁谱仪重新设计了磁场。它是利用永久磁铁、极靴和磁轭共同构成闭合磁路，以极靴上的３个环形气隙作为工作磁场。工作位置的磁力线平行于玻璃基片，当含有铁磁磨屑的润滑油流过玻璃基片时，铁磁磨屑在磁场力的作用下，滞留于基片上，而且沿磁力线方向（径向方向）排列。 4、旋转式铁谱仪

旋转式铁谱仪的制谱原理如图5-3所示。制谱时，油样２由定量移液管１在定位漏斗的限位帮助下，被滴注到固定于磁头４上端面的玻璃基片３上。磁头、基片在电动机５的带动下旋转，由于离心作用，油样沿基片四周流动。油样中铁磁性及顺磁性磨屑在磁场力、离心力、液体的粘滞阻力、重力作用下，按磁力线方向（径向）沉积在基片上，残油从基片边缘甩出，经收集由导油管排入贮残油杯。基片经清洗、固定和甩干处理后，便制成了谱片。旋转式铁谱仪的制谱原理如图5-3所示。制谱时，油样２由定量移液管１在定位漏斗的限位帮助下，被滴注到固定于磁头４上端面的玻璃基片３上。磁头、基片在电动机５的带动下旋转，由于离心作用，油样沿基片四周流动。油样中铁磁性及顺磁性磨屑在磁场力、离心力、液体的粘滞阻力、重力作用下，按磁力线方向（径向）沉积在基片上，残油从基片边缘甩出，经收集由导油管排入贮残油杯。基片经清洗、固定和甩干处理后，便制成了谱片。

五、元素光谱技术 元素光谱分析是一种通过检测油液中的元素原子（离子或分子）在受外界能量激发条件下以特定波长的光的形式释放出的能量强度，来确定油液中金属元素浓度，进而判明机器相关摩擦副的磨损状况、油液中污染成分的来源以及污染水平或相关润滑油添加剂损耗程度的技术。

1、原子发射光谱技术 物质的原子是由原子核和在一定轨道上绕其旋转的核外电子组成的。当外来能量加到原子上时，核外电子便吸收能量并从较低能级跃迁到高能级的轨道上。此时，原子的能量状态是不稳定的，电子会自动从高能级跃迁回原始能级，同时以发射光子的形式把它们所吸收的能量辐射出去，所辐射的能量与光子的频率成正比关系。

由于不同元素原子核外电子轨道所具有的能级不同，因此受激发后放出的光辐射都是具有与该元素相对应的特征波长。发射光谱仪就是利用这个原理，采用各种激发源使被分析物质的原子处于激发态，再经分光系统，将受激后的辐射线按频率分开。根据不同波长上的谱线就能知道是什么元素，根据谱线的强弱判断出元素的含量。由于不同元素原子核外电子轨道所具有的能级不同，因此受激发后放出的光辐射都是具有与该元素相对应的特征波长。发射光谱仪就是利用这个原理，采用各种激发源使被分析物质的原子处于激发态，再经分光系统，将受激后的辐射线按频率分开。根据不同波长上的谱线就能知道是什么元素，根据谱线的强弱判断出元素的含量。

原子吸收光谱技术是将待测元素的化合物（或溶液）在高温下进行试样原子化，使其变为原子蒸气。当锐线光源（单色光或称特征辐射线）发射出的一束光，穿出一定厚度的原子蒸气时，光的一部分被原子蒸气中待测元素的基态原子吸收。透过光经单色器将其它发射线分离掉，检测系统测量特征辐射线减弱后的光强度。根据光吸收定律就能求得待测元素的含量。原子吸收光谱技术是将待测元素的化合物（或溶液）在高温下进行试样原子化，使其变为原子蒸气。当锐线光源（单色光或称特征辐射线）发射出的一束光，穿出一定厚度的原子蒸气时，光的一部分被原子蒸气中待测元素的基态原子吸收。透过光经单色器将其它发射线分离掉，检测系统测量特征辐射线减弱后的光强度。根据光吸收定律就能求得待测元素的含量。 2、原子吸收光谱技术

六、实训—炼钢转炉倾动机构油液分析 20吨炼钢转炉倾动机构磨损故障诊断：炼钢转炉倾动机构主要用来控制实现炼钢转炉在添料、混料、出渣和出钢水等一系列工艺过程中所必须的运动。该机构的结构原理如图5-4所示，其中主减速器齿轮和滚柱轴承采用强制压力循环润滑油。由于主要摩擦副处于低速重载工况，故规定使用的循环油为含极压添加剂的齿轮油。某钢厂一台20吨炼钢转炉倾动机构在循环润滑系统换油后不久，在润滑系统中发现有大尺寸的片状金属颗粒。为确定故障根源，制定合理的维修计划，厂方决定从润滑系统中取样送检。

油液取样器

图5-5 倾动机构油液分析方法程序 根据送检油样含有较多大尺寸金属磨料（最大8mm）的情况，制定油液分析的方法程序框图如图5-5所示。为对大尺寸金属磨料成分精确定量，采用可对经酸消解后的金属离子进行测量的等离子发射光谱分析。

主要分析结果如下： 1、大尺寸金属磨粒的成分用1CP—AES等离子发射光谱对大尺寸金属磨粒成分的分析结果如表6-1。由该表可见，油样中大磨粒的成分除铁元素外，铬及其它轴承钢元素含量并无显著优势，主要成分的比例关系与滚柱轴承CCr15材料成分的比例关系不符；磨粒表面微区成分的X射线能谱分析也进一步证实了这一点。大尺寸磨粒主要来源应该是主减速器齿轮表面磨损。

2、油液中主要污染颗粒类型 使用铁谱显微镜观察，确定油液中的主要污染颗粒类型为：（1）金属磨粒；（2）铁氧化物，极可能是摩擦副表面润滑不良的产物；（3）锈蚀产物；（4）纤维、矿渣。

3、金属磨粒的形态与类型 通过扫描电镜分析和铁谱显微镜观察，确定油液中的主要金属磨粒类型（图5-6）有：（1）疲劳剥片，磨粒表面在电镜下可见明显的点蚀坑、裂纹和层状边缘等；（2）球形颗粒，尺寸10左右，有明显的粘着迹象；（3）粘着擦伤颗粒，表面有明显的拉毛、划痕；（4）粗大切削磨损颗粒。

进一步的油品性能测试结果表明，油样并无显著的极压特性，由此可确定造成齿轮发生磨损的主要原因可能为润滑油错用。由于使用油品不当，在工况恶化时，难以在摩擦表面形成足以匀化接触应力分布的稳定润滑油膜，最大应力相对增加，致使表面点蚀的几率增加。当局部的点蚀剥落发生时，接触表面的应力分布状况进一步恶化，加速了表面裂纹的萌生和扩张，逐步形成较大的片状疲劳剥落。同时，由于表面粗化，某些部位难以形成润滑油膜，金属表面直接接触并在较大应力作用下产生了粘着，粗化的硬齿面还会对软表面产生微切削，使齿轮表面的磨损进一步加剧。进一步的油品性能测试结果表明，油样并无显著的极压特性，由此可确定造成齿轮发生磨损的主要原因可能为润滑油错用。由于使用油品不当，在工况恶化时，难以在摩擦表面形成足以匀化接触应力分布的稳定润滑油膜，最大应力相对增加，致使表面点蚀的几率增加。当局部的点蚀剥落发生时，接触表面的应力分布状况进一步恶化，加速了表面裂纹的萌生和扩张，逐步形成较大的片状疲劳剥落。同时，由于表面粗化，某些部位难以形成润滑油膜，金属表面直接接触并在较大应力作用下产生了粘着，粗化的硬齿面还会对软表面产生微切削，使齿轮表面的磨损进一步加剧。这一油液分析结果直接确定了主要故障部位和原因，为工厂制定维修计划、准备备品备件提供了直接依据，简化了检修程序，缩短了停机检修时间，取得了较大的经济效益。

油液分析技术的原理及方法。 铁谱分析技术和光谱分析技术。实训—炼钢转炉倾动机构油液分析。小结

学习情境一： 设备状态监测与故障诊断