油液检测技术基础-磨粒分析.pdf

油液检测技术基础油液检测技术基础 -----------磨粒分析磨粒分析 斯派超公司工程师：石立杰斯派超公司工程师：石立杰 lshi@ , 010-67857242 2 内容 油液检测与设备状态监控技术概览 磨粒的产生及特征 磨粒分析技术简介 3 第一部分 油液检测与设备状态监控技术概览 4 典型的设备维护方案 被动式被动式 (出故障后维修) 维修费用 停机时间 失效分析 预见式预见式 (尽早发现故障) 有计划的 定时的 协调一致的 可预见的 主动式主动式 （消除隐患，做到不 维修!) 主动地 消除缺陷 设备的防御性设 计 (墨菲 法则) 问题溯源 世界级世界级 (设备资产优化) 愿景一致 优化 整合 联合 文化转型 关注与高效的维护和维修关注于消除安全隐患 设备维护人员的演变… 5 轴承系统故障统计分析 Common Causes of Bearing Failure 数据来源数据来源: ConocoPhillips 润润滑油手册滑油手册 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% OtherCorrosionLack of Lubrication OverloadMisAssemblyMis-AlignmentDirt Percentage4%5%8%10%12%14%47% 6 预防性维护相关技术 预防性维预防性维 护技术护技术 油液检测油液检测 振动检测振动检测 热红外成热红外成 像检测像检测 发动机电发动机电 路评估路评估 超声检测超声检测 机械对正机械对正 检测检测 7 油液检测的内容和目的 磨粒 污染物 润滑状态 更换滤芯？ 滤油、换油？ 更换零部件？ 8 油液检测技术识别出的典型故障 异常磨损早期预警 密封圈破损、损坏 油液过滤器堵塞Inefficient air filters 错误的换油、补油时间 或周期 润滑状态 9 状态检测=趋势分析 定期监测设备油液是提高设备可靠性的有效手段 对检测结果进行趋势分析：结果Vs时间 基于趋势分析结果制定维护计划（措施）： 报警： 发现严重故障(隐患), 尽快应对 预警:：异常出现, 对异常进行验证和应对 正常： 无需采取措施 设备运行时间或公里数 正常范围 建议应对 必须应对 报警限 监 测 结 果 明显上升 趋势 10 油液监测项目的选择 往复式设备 内燃机的油液污染及磨损形式最为复杂; 需采用尽可能多 的检测手段 光谱分析一般仅能分析非常小尺寸（10um）的磨粒，单 纯的元素光谱分析无法全面反映设备状态 旋转式设备（更加关注固体磨粒：数量、特 征） 颗粒计数：洁净度等级 磨粒分析 (铁谱, 扫描电镜, 等.)：磨粒识别及形貌分析 11 对油液的人工感官检测 乳化现象（存在游离 水） 油液中有大尺寸金属颗 粒（反光） 油液颜色 不溶解固体沉淀物 燃油稀释（气味） 12 油液检测的典型应用 柴油发动机柴油发动机齿轮系统齿轮系统液压系统液压系统 元素分析元素分析 磨粒，污染物及添加 剂 齿轮箱磨损会产生各种磨粒， 但其浓度水平所表征出的设备 状态多种多样。

与颗粒计数保持一致，互相验证 同时，也是污染控制和润滑性能控制的有 效手段. 颗粒计数颗粒计数 定量分析及趋势分析 铁谱分析铁谱分析 跟踪大尺寸铁质颗粒，失效分 析 红外光谱红外光谱 氧化度，硝化度氧化度, 润滑性能的衰变氧化度, 润滑性能的衰变 粘度粘度 污染程度来自残炭或 者燃油的污染el 油品各种物理化学变化的直接 表征 油品各种物理化学变化的直接表征 总酸值总酸值 TAN 污染及衰变污染及衰变 总碱值总碱值 TBN 储备碱度, 抗污染性 水分水分 油液验证油液验证如果水分超标，要通过颗粒计数进行核查 燃油稀释燃油稀释大型柴油机的通病 残炭残炭 可表征燃烧效率, 气油 比优化 13 各种典型设备的油液监测项目及其频率 R = 日常巡检 E = 异常分析 * = RFS系统定性定量分析大尺寸磨粒（必要） X = 无检测意义 14 第二部分 磨粒的生成及特征 15 磨损形式分类 高速 轻载重载 低速极低速 超载 流体动力流体动力润滑润滑： 流体力学层流理论 油膜厚度远大于（几 倍）工件表面粗糙度 的几倍 混合混合润滑润滑： 层流油膜被破坏 油膜厚度与工件表面 粗糙度相当 边界润滑边界润滑： 边界油膜 润滑（油膜）失效 16 柴油发动机中的磨粒来源 1. 鼓风机转子（Al, Si） 2. 凸轮轴承（Cu, Pb, Sn, Zn） 3. 上连杆轴承（Cu, Pb, Sn） 4. 连杆轴承及主轴承（Pb, Sn, Cu） 5. 活塞环及压缩机（Cr, Fe） 6. 活塞（Sn, Fe） 7. 缸套（Fe, Si） 8. 凸轮推杆（Fe, Cr） 17 汽轮机中的磨粒来源 1. 轴瓦及滚珠(Fe, Cr), 轴承 套(Ag, Cu, Zn, Pb) 2. 行星轮系(Fe, Ni, Cr) 3. 齿轮(Fe, Ni, Cr) 4. 主轴(Fe, Ni, Cr, Mo) 5. 子驱动系统： 齿轮(Fe, Ni, Cr), 键(Fe, Cr) 6. 轴承(Fe, Cr), 齿轮(Fe, Ni, Cr) 7. 油泵(Fe, Ni), (Cu, Si) LYCOMING AOT1500 汽轮机汽轮机 18 接触磨损 机械零部件工作过程中产生的表面应力 与其承受的载荷或相对运动速度有关， 应力集中或应力破坏产生接触磨损 许多接触磨损磨粒表面有明显的条纹 （接触产生） 当磨粒尺寸大于15um时， 出现严重接 触磨损 接触磨损造成的零件失效缺油造成的严重接触磨损严重接触磨损 19 工件表面的磨合 Ridges on the wear surface are flattened and form cornices which break away and form long flat particles 加工后的工件表面 磨削表面的形貌特征，弹性形变 20 三体磨损磨粒 “软” 表面 “硬” 表面 硬质磨粒污染 切削磨损 三体磨损理论： 磨粒对机械零部 件表面造成的二 次“伤害” 21 硬质磨粒导致的工件表面缺陷 22 疲劳磨损 机械零部件表面产生的微观裂 纹在剪切角上延伸致表面以下 （最终造成断裂） 机械零部件表面的 剪切应力破坏产生 的磨损颗粒 23 工件表面的疲劳过程 滚珠与轴瓦间的循环交变载荷导致轴承 疲劳磨损。

轴瓦的底部产生较高的应 力，当剪切应力大于工件材料的断裂应 力时，产生疲劳磨损磨粒 工件表面的微观裂纹在外力作用下不断生 长，直至工件表面出现破损（磨粒产生）， 破损的工件表面出现应力集中现象，导致工 件表面进一步失效Repaired Spall(填充在破 损区域的微小磨粒)，会加速微观裂纹的延 伸 23 24 滚动接触疲劳 循环应力作用下工件表 面破损产生接触疲劳磨 损磨粒 初始阶段，接触疲劳磨 损磨粒的尺寸大约是 10um、平板状、 MD/T=10/1 接触疲劳磨损磨粒表面 光滑、轮廓成无规则几 何形状 25 滚动接触疲劳磨损磨粒特征 不规则形状，表面光滑 不规则形状，表面光滑 薄片状磨粒，厚度小于1um 薄片状磨粒，有孔 放大放大 放大放大 26 球状磨粒 球状颗粒来自于经过焊接或者磨削加工的工件表面，这些球状磨粒的尺寸远大于轴承疲劳失效 （因润滑不良或过载引起的）时产生可磨粒 27 齿轮系统的接触疲劳磨损 啮合线 啮合线 啮合圆啮合圆 胶合/划伤 接触面积增大 点蚀疲劳 齿轮系统的接触疲劳磨损同时包含滚动接触疲劳和滑动接触疲劳两部分 两个相互配合的齿轮在啮合线上接触时，属于滚动接触疲劳。

在齿顶或齿 根接触时属于滑动接触疲劳 28 齿轮系统的接触疲劳磨损磨粒 无规则形状，表面光滑 疲劳磨损磨粒 啮合线部分产生的磨粒(滚动接触) 齿根/齿顶部分产生的磨粒(胶合) 胶合磨损磨粒呈现明显腐蚀现象 29 磨损颗粒Vs磨损类型 30 磨粒分类 磨粒类型磨粒类型产生原因产生原因磨粒形貌特征磨粒形貌特征工件表面特征工件表面特征溯源分析溯源分析 一般接触磨损 （正常） 一般接触磨损（表 面脱落） 平板状；主尺寸0.5到5µm；厚度 0.15到1 µm；MD/T=10/1；平整、 光亮 平滑、光亮正常工作磨损，长时间 工作行成 严重接触磨损 (粘连的磨粒) 油膜失效, 重载, 类似粗糙的焊 接颗粒, 边界润滑、 混合润滑 短粗状；主尺寸15到100µm；厚度 0.15到1µm； MD/T=10/1; 表面有明显的划伤条 纹、轮廓分明、边缘呈锯齿状 明显划痕、胶合、 麻点 过载、添加剂失效（损 耗严重）、错误用油 接触磨损磨粒氧化产 生的红色磨损颗粒 (Fe2O3) 水污染造成的表面 腐蚀破裂 平板状；主尺寸：5到50µm；颜色 呈橘黄色或棕色 麻点、页状剥落水污染 接触磨损磨粒氧化产 生的黑色磨损颗粒 (Fe3O4) 接触磨损磨粒高温 下氧化 乱石状/矮胖；主尺寸5to50µm； MD/T=10/1；黑色卵石状颗粒 麻点、划痕、回火 蓝 乏（缺）油 黑色铁质接触磨损磨 粒 部分氧化的铁质磨 粒 尺寸不一（与磨损模式相关）；表 面呈黑色或灰色 麻点、划痕、回火 蓝 磨粒磨损 (切削) 高硬度磨粒污染(三 体磨损) 长条状；宽：2到5µm；长：25到 100µm 划痕、沟槽油液中有灰尘或沙粒污 染、过滤不良 表面接触(二体磨损)长条状；宽：0.25到5µm；长：5 到25µm 划痕、沟槽油液中有灰尘或沙粒污 染、对准（装配）超差 31 磨粒类型 磨粒类型磨粒类型产生原因产生原因磨粒形貌特征磨粒形貌特征工件表面特征工件表面特征溯源分析溯源分析 疲劳磨损交变载荷 滚动接触, 表面疲劳 疲劳磨损磨粒, 主尺寸10到100µm, 主尺寸/厚度：10/1 平板状薄片，主尺寸20到50µm, 主尺寸/厚度：30/1 碎片 点蚀, 压痕 起霜 油液污染, 工件表面缺陷， 交变载荷大于设计值 滚动接触疲劳磨损0.5到5um球状磨粒 球状磨粒气蚀、放电、 直流焊接 5-15um球状磨粒点蚀, 刻痕 接地不良 焊接缺陷 腐蚀磨粒氧化、酸性侵蚀直径为0.1-1um的沉淀物点蚀, 挖痕， 抛光 油液老化、密封失效 32 磨粒尺寸与磨损程度 磨粒尺寸（磨粒尺寸（umum）） 磨粒浓度磨粒浓度 0.11101001,000 严重磨损失效严重磨损失效 磨损升级磨损升级 严重磨损开始严重磨损开始 磨损开始磨损开始 一般而言，大尺寸磨 粒的出现表征出严重 磨损的开始或升级 某些失效形式仅仅产 生大尺寸颗粒 33 磨粒在闭环润滑系统中的变化 简化的油路 过滤 系统 采样阀 机械设备 油箱 油泵 磨粒在下列情况小会消失：  过滤  沉淀  破碎  溶解  嵌塞、粘连  磁力分离 34 磨粒在闭环润滑系统中的变化 微小、溶解的磨粒 大尺寸磨粒(指数上升) 工作时间 浓度(PPM) 动态平衡状态 “浓度与磨粒消失速度呈反比” 35 磨粒的产生过程（理想状态下）与检测 工作时间 浓度（PPM） 磨粒分析仪分析结果 光谱仪分析结果 正常磨损 异常 磨损 磨合期  少数的尺寸颗粒的存在 即可表征出设备的故障 （隐患）  对某些特定设备而言， 如：军用飞机的轴承系 统。

10-20um的磨粒 可等代表了设备异常磨 损的开始  这些大尺寸磨粒可能在 无法显现在光谱仪的检 测结果中 36 案例分析-涡轮机的磨损趋势 0 20 40 60 80 100 120 10 Jan.11-Mar25-Mar31-Mar7-Apr 铁 (大尺寸颗粒) 铜(大尺寸颗粒) 铅 (大尺寸颗粒) 锡 (大尺寸颗粒) 铁(微小颗粒) 锡(微小颗粒) 37 金属磨粒及其来源分析 发动机发动机轴承轴承齿轮齿轮传动系统传动系统液压液压冷却系统冷却系统压缩机压缩机涡轮机涡轮机 铁, Fe 缸套, 活塞环, 配 气机构, 主轴, 推 杆, 齿轮, 。