铁谱分析技术在工程机械故障诊断中的应用

　　油液分析技术，是通过对润滑油中所含金属磨粒的气相色谱、红外谱、光谱和铁谱等进行分析，获取机器的润滑和磨损的状态信息，用以评判机器的磨损状况、预报故障或者确定故障的部位、原因和类型等的一项技术。铁谱分析是目前广泛使用的一项油液分析技术。应用铁谱分析技术可以在机器不停机、不解体的情况下，利用高强度梯度磁场，将机器的摩擦副产生的磨粒从润滑油中分离出来，并按其尺寸大小顺序排列对磨粒进行定量的分析，从而获得有关磨损状态的各种信息。应用实例如下。
　　[实例1]
　　利用铁谱技术监测摊铺机液压系统的磨损状况
　　我们利用铁谱技术对摊谱机的液压油进行了定期检测，取油样部位是液压振捣马达腔体的回油管；取油样周期为15个工作日左右。自2002年5月28日起至2003年6月14日止，共采集了油液样品16份。对液压油的检测读数的变化趋势见附图。
　　从铁谱定量分析的结果看，液压系统的磨损率较高，但在较短的时期内基本上达到了相对稳定的低磨损状态。
　　从油液样品中出现的磨粒类型及分布情况来看，该机器在监测运行前期的状况与其处于磨合阶段的磨损很类似，磨损率比较大，在加强对驾驶员的操作培训和对机器的维护管理后，磨损情况有了一定的改善。但在5月中旬以后，大小磨粒读数比率（DL/DS）巨高不下，而且在后期的油样中出现了个别尺寸比较大的铁磁性粘着擦伤颗粒，说明在一定时期内存在润滑不良的现象；铜合金疲劳颗粒的出现说明滑履已磨损；铝合金疲劳颗粒的增多和大尺寸切削颗粒的出现，说明液压马达轴套的铝锡合金瓦有了较重的磨损。
　　根据监测结果，我们对柱塞泵和液压马达进行了检修，实际拆检结果证实：柱塞泵有一个滑履磨损严重，已经堵塞了其润滑油孔，邻近几个柱塞的滑履磨损也比较严重；液压马达轴瓦的磨损相当严重。
　　为了对机器的磨损状态作出准确的判断，必须严格遵守监测取样注意事项。
　　（1）取样
　　取样部位、油样保存容器等都很重要。有一次为了运输方便，取样时用的是塑料瓶，
　　结果分析油样时发现，部分油样出现了磨蚀现象，油液中有一些漂浮的团块，而且塑料瓶的内壁发黏，原因是塑料内的增塑剂等与油液发生了化学反映，因此这批油样就只好作废了。所以，取样瓶必须使用玻璃瓶。
　　（2）油样中的水分及其来源的辨别
　　在使用过程中，润滑油吸收环境中的水分是难免的。一般的润滑系统中允许<0.1%的水分存在，过多的水分会造成其润滑性能下降，因而加剧磨损、加速油品老化、使设备因腐蚀而生锈。
　　如何鉴别油中的水分含量呢？当将一滴油滴在加热至150℃左右的铁板上时，如果油滴飞溅或者咝咝作响，说明油中的含水量不低于0.25%；若噼啪作响，则油中的含水量大于1%（此时，油液会变成乳白色，应立即更换）。如果油样变红、大磨粒读数和小磨粒读数接近甚至相等、磨粒虽腐蚀但同一机器的下一批油样中的磨粒却没有磨蚀，则说明机器润滑系统中油液的含水量并不高，而且是取样过程中或者保存油样时进的水，不是机器油箱内积存的水。
　　（3）收集非磁性磨粒碎片
　　对于油液中的铝、铜等弱磁性有色金属磨粒和非磁性磨粒（如巴氏合金、橡胶密封件等），可在制备谱片时在样品油液中加入纳米级四氧化三铁颗粒和表面活性剂来收集，此时的油液稀释剂和固定剂宜选用四氯乙烯。液压油中的颗粒有很大一部分是氟橡胶密封件的碎片，只有利用磁流体的磁化作用才能沉积氟橡胶碎片，达到判断密封件状况的目的。这样，又扩大了铁谱分析技术的应用范围，为更准确的故障诊断提供了更多的依据。
　　[实例2]
　　利用铁谱技术确定道依茨柴油机的换油周期及对其进行故障诊断CC21、CA25、CA30、CC42型振动压路机、S1502型摊铺机和30kW发电机组等机械设备的动力，都采用了道依茨系列风冷柴油机。由于工程机械的工作环境恶劣（如噪声大、振动源多、外界干扰明显），使用常规不解体的诊断方法很难得到准切的诊断结果，同时，停机拆检的费用又很高，所以应当采用实用、有效而且易行的铁谱分析方法。
　　按照道依茨系列风冷柴油机说明书的要求，应该每隔200h换一次机油，但在换油时发现，由于其运行的工况不同，其机油的使用状况差异很大，有的已经变质，而有的却没有发生多大变化，仍可正常使用。由于施工中工程机械配套的道依茨柴油机数量多，换油成本很高，于是我们利用铁谱指标（磨粒浓度WPC、大小磨粒数之比DL/DS、磨损烈度IS），并结合油液的黏度、含水率和酸度等常规理化指标，对其制定了换油标准，当运行中的柴油机油的任何一项指标达到了换油标准时，都应立刻更换新油。
　　采用新的换油周期，在保证柴油机正常润滑的条件下，有的机器（如摊铺机）的换油周期最长一次可延长至2个月（总工作台时接近400h），而有一台CC21型振动压路机，由于其柴油机比较老旧，故机油变质较快，磨损烈度较大，因而在施工旺季工作集中的时候，换油周期最短时只有100h。
　　柴油机主要摩擦副的磨损状态可通过油样中某种元素磨粒的多少来决定。例如，Fe：主要显示气缸套、曲轴、齿轮等的磨损；Cu、Pb：主要显示主轴瓦、连杆轴瓦的磨损；Cr：主要显示**道镀铬活塞坏、活塞销的磨损等。如果铸铁磨粒较多，说明多为气缸套异常磨损；若出现合金钢磨粒，则说明正时齿轮损坏或者曲轴磨损等。但在实际应用铁谱技术对柴油机进行检测时，在显微镜下很难分辨出是铸铁磨粒还是合金纲磨粒。我们采用加热箱将谱片加热至330℃，此时的铸铁磨粒颜色变为草黄色，而碳钢和低合金纲的磨粒则为蓝色，这样就能将他们分辨开了。
　　利用铁谱分析技术，能及时地掌握机器的磨损状况，预报故障，避免异常磨损故障的发生；同时，可合理地确定机器的换油周期，节省油料，做到科学润滑，以确保机器的使用寿命。
　　油液分析技术，是通过对润滑油中所含金属磨粒的气相色谱、红外谱、光谱和铁谱等进行分析，获取机器的润滑和磨损的状态信息，用以评判机器的磨损状况、预报故障或者确定故障的部位、原因和类型等的一项技术。铁谱分析是目前广泛使用的一项油液分析技术。应用铁谱分析技术可以在机器不停机、不解体的情况下，利用高强度梯度磁场，将机器的摩擦副产生的磨粒从润滑油中分离出来，并按其尺寸大小顺序排列对磨粒进行定量的分析，从而获得有关磨损状态的各种信息。应用实例如下。
　　[实例1]
　　利用铁谱技术监测摊铺机液压系统的磨损状况
　　我们利用铁谱技术对摊谱机的液压油进行了定期检测，取油样部位是液压振捣马达腔体的回油管；取油样周期为15个工作日左右。自2002年5月28日起至2003年6月14日止，共采集了油液样品16份。对液压油的检测读数的变化趋势见附图。
　　从铁谱定量分析的结果看，液压系统的磨损率较高，但在较短的时期内基本上达到了相对稳定的低磨损状态。
　　从油液样品中出现的磨粒类型及分布情况来看，该机器在监测运行前期的状况与其处于磨合阶段的磨损很类似，磨损率比较大，在加强对驾驶员的操作培训和对机器的维护管理后，磨损情况有了一定的改善。但在5月中旬以后，大小磨粒读数比率（DL/DS）巨高不下，而且在后期的油样中出现了个别尺寸比较大的铁磁性粘着擦伤颗粒，说明在一定时期内存在润滑不良的现象；铜合金疲劳颗粒的出现说明滑履已磨损；铝合金疲劳颗粒的增多和大尺寸切削颗粒的出现，说明液压马达轴套的铝锡合金瓦有了较重的磨损。
　　根据监测结果，我们对柱塞泵和液压马达进行了检修，实际拆检结果证实：柱塞泵有一个滑履磨损严重，已经堵塞了其润滑油孔，邻近几个柱塞的滑履磨损也比较严重；液压马达轴瓦的磨损相当严重。
　　为了对机器的磨损状态作出准确的判断，必须严格遵守监测取样注意事项。
　　（1）取样
　　取样部位、油样保存容器等都很重要。有一次为了运输方便，取样时用的是塑料瓶，
　　结果分析油样时发现，部分油样出现了磨蚀现象，油液中有一些漂浮的团块，而且塑料瓶的内壁发黏，原因是塑料内的增塑剂等与油液发生了化学反映，因此这批油样就只好作废了。所以，取样瓶必须使用玻璃瓶。
　　（2）油样中的水分及其来源的辨别
　　在使用过程中，润滑油吸收环境中的水分是难免的。一般的润滑系统中允许<0.1%的水分存在，过多的水分会造成其润滑性能下降，因而加剧磨损、加速油品老化、使设备因腐蚀而生锈。
　　如何鉴别油中的水分含量呢？当将一滴油滴在加热至150℃左右的铁板上时，如果油滴飞溅或者咝咝作响，说明油中的含水量不低于0.25%；若噼啪作响，则油中的含水量大于1%（此时，油液会变成乳白色，应立即更换）。如果油样变红、大磨粒读数和小磨粒读数接近甚至相等、磨粒虽腐蚀但同一机器的下一批油样中的磨粒却没有磨蚀，则说明机器润滑系统中油液的含水量并不高，而且是取样过程中或者保存油样时进的水，不是机器油箱内积存的水。
　　（3）收集非磁性磨粒碎片
　　对于油液中的铝、铜等弱磁性有色金属磨粒和非磁性磨粒（如巴氏合金、橡胶密封件等），可在制备谱片时在样品油液中加入纳米级四氧化三铁颗粒和表面活性剂来收集，此时的油液稀释剂和固定剂宜选用四氯乙烯。液压油中的颗粒有很大一部分是氟橡胶密封件的碎片，只有利用磁流体的磁化作用才能沉积氟橡胶碎片，达到判断密封件状况的目的。这样，又扩大了铁谱分析技术的应用范围，为更准确的故障诊断提供了更多的依据。
　　[实例2]
　　利用铁谱技术确定道依茨柴油机的换油周期及对其进行故障诊断CC21、CA25、CA30、CC42型振动压路机、S1502型摊铺机和30kW发电机组等机械设备的动力，都采用了道依茨系列风冷柴油机。由于工程机械的工作环境恶劣（如噪声大、振动源多、外界干扰明显），使用常规不解体的诊断方法很难得到准切的诊断结果，同时，停机拆检的费用又很高，所以应当采用实用、有效而且易行的铁谱分析方法。
　　按照道依茨系列风冷柴油机说明书的要求，应该每隔200h换一次机油，但在换油时发现，由于其运行的工况不同，其机油的使用状况差异很大，有的已经变质，而有的却没有发生多大变化，仍可正常使用。由于施工中工程机械配套的道依茨柴油机数量多，换油成本很高，于是我们利用铁谱指标（磨粒浓度WPC、大小磨粒数之比DL/DS、磨损烈度IS），并结合油液的黏度、含水率和酸度等常规理化指标，对其制定了换油标准，当运行中的柴油机油的任何一项指标达到了换油标准时，都应立刻更换新油。
　　采用新的换油周期，在保证柴油机正常润滑的条件下，有的机器（如摊铺机）的换油周期最长一次可延长至2个月（总工作台时接近400h），而有一台CC21型振动压路机，由于其柴油机比较老旧，故机油变质较快，磨损烈度较大，因而在施工旺季工作集中的时候，换油周期最短时只有100h。
　　柴油机主要摩擦副的磨损状态可通过油样中某种元素磨粒的多少来决定。例如，Fe：主要显示气缸套、曲轴、齿轮等的磨损； Cu、Pb：主要显示主轴瓦、连杆轴瓦的磨损；Cr：主要显示**道镀铬活塞坏、活塞销的磨损等。如果铸铁磨粒较多，说明多为气缸套异常磨损；若出现合金钢磨粒，则说明正时齿轮损坏或者曲轴磨损等。但在实际应用铁谱技术对柴油机进行检测时，在显微镜下很难分辨出是铸铁磨粒还是合金纲磨粒。我们采用加热箱将谱片加热至330℃，此时的铸铁磨粒颜色变为草黄色，而碳钢和低合金纲的磨粒则为蓝色，这样就能将他们分辨开了。
　　利用铁谱分析技术，能及时地掌握机器的磨损状况，预报故障，避免异常磨损故障的发生；同时，可合理地确定机器的换油周期，节省油料，做到科学润滑，以确保机器的使用寿命。