機(jī)械設(shè)備故障診斷油樣鐵譜分析技術(shù)是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來的新的監(jiān)測(cè)分析技術(shù)。由于該技術(shù)具有獨(dú)特作用，目前已被愈來愈多的部門所采用。
在目前的機(jī)械故障診斷領(lǐng)域中，油樣分析方法的概念實(shí)際上已在無形中轉(zhuǎn)變?yōu)橛?/span>樣磨損殘余物的分析了。磨損、疲勞和腐蝕是機(jī)械零件失效的三種主要形式和原因，其中磨損失效約占80%左右，由于油樣分析方法對(duì)磨損監(jiān)測(cè)的靈敏性和有效性，因此這種方法在機(jī)械故障中日以顯示其重要地位。通過油液分析對(duì)特定摩擦學(xué)系統(tǒng)的潤(rùn)滑和磨損狀態(tài)進(jìn)行合理評(píng)估，是油液監(jiān)測(cè)活動(dòng)的核心內(nèi)容。機(jī)器設(shè)備在使用過程中磨損狀況一般可以分為三個(gè)階段（如圖所示），在整個(gè)過程中鐵譜分析技術(shù)在油液監(jiān)測(cè)的過程中起到定量、定性、定位的不可替代積極作用。鐵譜技術(shù)在磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的作用，其實(shí)，對(duì)于油液中污染顆粒及油品變質(zhì)產(chǎn)物的分析，分析鐵譜也可發(fā)揮重要作用；而鐵譜技術(shù)在摩擦磨損研究方面獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值更是早已得到廣泛重視。
.gif)
隨著機(jī)械工業(yè)等技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)備關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，在追求高性能低成本的同時(shí)，在潤(rùn)滑油系統(tǒng)中各摩擦副零組件更趨于高載荷、高溫、高速及輕質(zhì)量，因此容易發(fā)生各種磨損故障，從而嚴(yán)重影響設(shè)備的安全性、可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)動(dòng)用了兩千多架飛機(jī)，數(shù)萬只艦艇，成千輛坦克、裝甲車等，美國(guó)軍方在戰(zhàn)地安排了60余臺(tái)MOA油料光譜儀，累計(jì)測(cè)定飛機(jī)油樣20566個(gè)，地面裝備油樣12474個(gè)，油樣分析技術(shù)在關(guān)鍵設(shè)備（發(fā)動(dòng)機(jī)）狀態(tài)檢測(cè)中顯示了特別有效的作用。由此可見，對(duì)現(xiàn)代化重要武器裝備軍用飛機(jī)的關(guān)鍵部件航空發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷具有極其重要的意義和價(jià)值。
油樣分析技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，包括油品理化性能指標(biāo)化驗(yàn)、油樣污染度評(píng)定 (以顆粒計(jì)數(shù)為代表)、以及油樣鐵譜和光譜分析技術(shù)等。在機(jī)械故障診斷這個(gè)特定的技術(shù)領(lǐng)域中，油樣分析技術(shù)通常是指油樣的鐵譜分析技術(shù)和油樣光譜分析技術(shù)，有時(shí)也包含磁塞技術(shù)。
1鐵譜分析
鐵譜分析方法自20世紀(jì)70年代初期提出以后，很快就在歐美一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家獲得了推廣和應(yīng)用。美國(guó)海軍船舶工程中心1975年就建立了3個(gè)鐵譜分析中心，為30艘船舶的16種船用設(shè)備如推進(jìn)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)等大型設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。美國(guó)“東方航線”于20世紀(jì)70年代末就對(duì)其55架名航飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行鐵譜監(jiān)測(cè)，并建立了有關(guān)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)80年代以后，挪威海軍、匈牙利的農(nóng)機(jī)部門相繼在柴油冶金礦山部門，澳大利亞最大露天采銅礦——CRA公司所屬布什維爾銅礦于20世紀(jì)80年代初采用油樣分析技術(shù)以來，其主要運(yùn)輸設(shè)備壽命從8000h延長(zhǎng)到10000~15000h，每年多創(chuàng)利潤(rùn)達(dá)數(shù)百萬美元，每年可節(jié)約維修費(fèi)達(dá)500多萬美元。
鐵譜技術(shù)自80年代初期傳至我國(guó)以來發(fā)展也很迅速。1986年12月，我國(guó)召開了第一屆全國(guó)鐵譜技術(shù)交流會(huì)，此后于1987年、1989年、1990年相繼進(jìn)行了四次全國(guó)性的學(xué)術(shù)交流，這對(duì)推動(dòng)鐵譜技術(shù)研究和應(yīng)用起到了很大作用。
鐵譜分析技術(shù)是利用鐵譜儀(Ferrograph)從潤(rùn)滑油樣（脂）試樣中，利用高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，將從設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)采取的油樣中分離出磨損顆粒，并借助不同儀器檢驗(yàn)分析這些磨損顆粒的形貌、大小、數(shù)量、成分，從而對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)工況、關(guān)鍵零件的運(yùn)動(dòng)副表面的磨損類型、磨損程度和磨損部位的磨損狀態(tài)進(jìn)行分析判斷的技術(shù)。根據(jù)分離磨粒、檢測(cè)磨粒的不同方法，研制了不同的鐵譜儀。主要有：分析式鐵譜儀（Analytical Ferrograph)，直讀式鐵譜儀（Direct Reading Ferrograph)，旋轉(zhuǎn)式鐵譜式（Ro-tary Particle Depositor)。上述均為離線測(cè)量分析。如能在設(shè)備的潤(rùn)滑系統(tǒng)中分離測(cè)量磨粒的鐵譜儀稱為在線鐵譜儀(On-line Ferrograph)。設(shè)備潤(rùn)滑與磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)是設(shè)備開展?jié)櫥芾?、設(shè)備狀態(tài)維修的重要基礎(chǔ)工作，是提高設(shè)備可靠性、保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。設(shè)備故障與使用時(shí)間的關(guān)系如右下圖：
鐵譜儀是鐵譜分析的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)其工作方式的不同，鐵譜儀可分為直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀和旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀。近年來，又研究成功了在線式鐵譜儀。此外，還有用于收集面粉研磨等場(chǎng)合的干粉中鐵磁性顆粒的氣動(dòng)式鐵譜儀。
直讀式鐵譜儀性能特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜(約為分析式鐵譜儀的1/4)；制譜與讀譜合二為一，分析過程簡(jiǎn)便快捷；目前的直讀式鐵譜儀讀數(shù)穩(wěn)定性、重復(fù)性較差，隨機(jī)因素干擾影響大；只能提供關(guān)于磨屑總體體積的信息，不能提供關(guān)于磨屑形貌、磨屑來源的信息，因而信息量有限。常用作油樣的快速分析和初步診斷。
分析式鐵譜儀不僅能提供關(guān)于磨損程度的信息，而且通過對(duì)磨屑形貌及其成份的觀察，還能提供關(guān)于磨損發(fā)生機(jī)理及發(fā)生部位的信息；直讀式鐵譜儀只能進(jìn)行一次測(cè)量，不能將沉積管從磁場(chǎng)中取出后再放上去重新讀數(shù)；而分析式鐵譜儀制成的譜片可以保存起來，供以后觀察分析用；制譜過程較慢，制作一個(gè)完整的譜片約需半小時(shí)，且制譜時(shí)要求較嚴(yán)格，故一般只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。常用作油樣的精密分析。
旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀除具有分析式鐵譜儀的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外,還具有下列優(yōu)點(diǎn)： 操作簡(jiǎn)便，不需專門技術(shù)；對(duì)不同粘度的潤(rùn)滑油可選用不同的轉(zhuǎn)速，使用范圍更廣；儀器附有清洗液系統(tǒng)，以最大限度地減小污染；在整個(gè)操作過程中，不會(huì)使磨屑產(chǎn)生附加的機(jī)械變形，克服了分析式鐵譜儀在制譜中微量泵對(duì)磨屑的碾壓效應(yīng)；分析油樣的效率高；(制譜:1min VS 30min)制片成本低；沉積區(qū)面積大：分析式鐵譜儀的譜片只有60mm長(zhǎng)，在入口區(qū)的沉積面積內(nèi)，磨屑可能大量重疊，而RPD譜片上三道環(huán)沉積區(qū)面積大，磨屑能充分地彼此分離，避免重疊。
鐵譜分析由以下四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成：1.采樣2.制譜3.觀測(cè)與分析4.結(jié)論。鐵譜分析的主要優(yōu)點(diǎn)：與其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法相比，鐵譜技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）具有較高的檢測(cè)效率和較寬的磨屑尺寸檢測(cè)范圍，可同時(shí)給出磨損機(jī)理、磨損部位以及磨損程度等方面的信息；
（2）定性分析與定量分析相結(jié)合，提高了診斷結(jié)論的可靠性；
（3）可對(duì)磨損故障作出早期診斷，能準(zhǔn)確地檢測(cè)出系統(tǒng)中一些不正常磨損的輕微征兆，如早期的疲勞磨損、粘著、擦傷和腐蝕磨損等。
在目前國(guó)內(nèi)大多工礦企業(yè)，鐵譜技術(shù)是被應(yīng)用最為廣泛的一種油液監(jiān)測(cè)技術(shù)。鐵譜技術(shù)的核心設(shè)備是鐵譜儀，它是利用高梯度磁場(chǎng)的作用將機(jī)器摩擦副中產(chǎn)生的磨損顆粒從潤(rùn)滑油液中分離出來，并使其按照尺寸大小依次沉積在基片上而制成鐵譜片，然后置于鐵譜顯微鏡或掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，以獲得摩擦副磨損過程的各類信息，從而分析機(jī)器的磨損機(jī)理和判斷磨損的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行預(yù)防性維修或采取相應(yīng)的措施。鐵譜分析具有較寬的磨粒尺寸檢測(cè)范圍和較高的檢測(cè)效率，能同時(shí)進(jìn)行磨粒的定性與定量分析。
2光譜分析
光譜分析技術(shù)原用于樣品的化學(xué)成分分析，最早將這一技術(shù)移植到機(jī)械設(shè)備上的是1942年美國(guó)的一家鐵路公司。至1953年美國(guó)已有32家鐵路公司利用油光譜技術(shù)進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)機(jī)車柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。1969年起美國(guó)所有B747名航飛機(jī)均已采用這一技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)，從70年代開始出現(xiàn)了一些世界性的專業(yè)公司，如美國(guó)的Caterpiller公司，日本的小松制作所等用油光譜技術(shù)為國(guó)際用戶進(jìn)行服務(wù)。我國(guó)從80年代初期開始起步，發(fā)展較快的是鐵路部門。
油樣光譜分析，就是利用油樣中所含金屬元素原子的光學(xué)電子在原子內(nèi)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的特征譜線來檢測(cè)該種元素的存在與否，而特征譜線的強(qiáng)度則與該種金屬元素的含量多少有關(guān)。這樣，通過光譜分析，就能檢測(cè)出油樣中所含金屬元素的種類及其濃度。以此推斷產(chǎn)生這些元素的磨損發(fā)生部位及其嚴(yán)重程度，并依次對(duì)相應(yīng)零部件的工況作出作出判斷。
油樣光譜分析包括原子吸收光譜分析和原子射光譜分析兩大類。光譜分析法的優(yōu)點(diǎn)為：檢出限低，靈敏度高；準(zhǔn)確度高；分析速度快；試樣用量小；應(yīng)用范圍廣；儀器操作較簡(jiǎn)便。不足之處：信息量有限原子光譜分析只能提供關(guān)于元素及其含量的信息，而不能提供磨屑形貌的信息。因此，要根據(jù)油樣光譜分析的結(jié)果直接對(duì)摩擦副的狀態(tài)作出判斷有很大的困難，只能用于分析含量較低且顆粒尺寸很小(＜10μm)的磨屑，而異常磨損狀態(tài)下所產(chǎn)生的磨屑粒度一般較大，一般只能用于故障的早期監(jiān)測(cè)與預(yù)防；與鐵譜分析技術(shù)、磁塞技術(shù)等方法相比，油樣光譜分析的成本要高得多，一臺(tái)光譜儀的價(jià)格約為60萬人民幣，為分析式鐵譜儀的十幾倍；光譜儀對(duì)工作環(huán)境要求苛刻，需要在專門建造的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作。
3磁塞
磁塞檢測(cè)法早于油樣鐵譜分析技術(shù)，是在飛機(jī)、輪船和其他工業(yè)部門中長(zhǎng)期采用的一種檢測(cè)方法。
基本原理是將磁塞安裝在潤(rùn)滑系統(tǒng)中的管道內(nèi)，用以收集懸浮在潤(rùn)滑油中的鐵磁性磨屑，然后用肉眼對(duì)所收集到的磨屑大小、數(shù)量和形貌進(jìn)行觀測(cè)與分析，以此推斷機(jī)器零部件的磨損狀態(tài)
。
磁塞檢查法是一種簡(jiǎn)便易行的方法，適用于磨屑顆粒尺寸大于100μm的情況。由于機(jī)器零部件的磨損后期一般均出現(xiàn)尺寸較大的顆粒，因此，磁塞檢測(cè)法是一種很重要的手段。
磁性磨屑的識(shí)別是磁塞檢測(cè)成敗的關(guān)鍵，也是一項(xiàng)復(fù)雜而艱難的工作，沒有一成不變的經(jīng)驗(yàn)，英國(guó)航空公司歐洲部[British Airways, European Division (B.E.A),Heathrow]將所取得的磁性磨屑中碎片的特征列舉了出來以提供參考。
紅外光譜技術(shù)只反映分子結(jié)構(gòu)的信息，對(duì)原子、溶解態(tài)離子和金屬顆粒都不敏感，換言之在通過油液分析對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，紅外光譜儀不能代替原子發(fā)射（吸收）光譜儀、鐵譜儀、顆粒計(jì)數(shù)和理化性能分析。因此在以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)為目的的現(xiàn)代油液分析技術(shù)中，此五種技術(shù)－－紅外光譜分析技術(shù)、原子發(fā)射（吸收）光譜技術(shù)、鐵譜技術(shù)以及顆粒計(jì)數(shù)技術(shù)和理化分析技術(shù)既各自獨(dú)立存在又相互補(bǔ)充，成為用于油液監(jiān)測(cè)的工業(yè)摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本配置。下圖為各種監(jiān)測(cè)技術(shù)的磨損顆粒度范圍。
結(jié)論
通過對(duì)工作油液（脂）的合理采樣，并進(jìn)行必要的分析處理后，就能取得關(guān)于該機(jī)械設(shè)備故障診斷各摩擦副的磨損狀況：包括磨損部位、磨損機(jī)理以及磨損程度等方面的信息，從而對(duì)設(shè)備所處工況作出科學(xué)的判斷。三種油樣分析技術(shù)的共性是都可用作鐵磁性物質(zhì)顆粒(光譜分析不僅限于鐵磁性物質(zhì))的收集和分析，但各有不同的尺寸敏感范圍，三種油樣分析方法的檢測(cè)效率隨顆粒尺寸的變化情況。光譜技術(shù)、鐵譜技術(shù)以及磁塞這三種油樣分析技術(shù)對(duì)鐵磁性顆粒的敏感尺寸范圍分別為：光譜：＜10μm、鐵譜：1～100μm、磁塞：100～1000μm，這三種油樣分析技術(shù)所提供的信息也不盡相同，因而各有其應(yīng)用場(chǎng)合。
.jpg)
分析鐵譜是根據(jù)磨粒的直觀分析對(duì)摩擦副的磨損性質(zhì)和嚴(yán)重程度做出判斷的，故有別于光譜和直讀鐵譜等數(shù)值性測(cè)試技術(shù)，其對(duì)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的依賴性并不強(qiáng)。只要油樣有較好的代表性，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象有足夠的了解，利用分析鐵譜往往能通過單個(gè)油樣的分析對(duì)有關(guān)設(shè)備的磨損狀態(tài)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的判斷，故有所謂“一錘定音”之說。但由于分析鐵譜實(shí)驗(yàn)難度較大，產(chǎn)出率較低，且為非定量分析，對(duì)分析人員的主觀判斷和經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)，作為常規(guī)監(jiān)測(cè)手段并不適宜。而由分析鐵譜衍生出來的直讀鐵譜，由于其對(duì)較大尺寸的鐵磁性顆粒也非常敏感，可有效彌補(bǔ)光譜分析的不足而作為日常磨損監(jiān)測(cè)的手段。
分析鐵譜技術(shù)的核心在于磨粒分析和在此基礎(chǔ)上對(duì)磨損狀態(tài)的判斷。而之前的磨粒獲取和分離，從對(duì)象和方法上均可擴(kuò)展，從而拓寬這一技術(shù)的外延和應(yīng)用范圍；鐵譜技術(shù)是一門新興的摩擦學(xué)應(yīng)用技術(shù)，其是機(jī)械設(shè)備故障診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié),隨著有關(guān)研究的逐步深入及其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，相信其應(yīng)用價(jià)值也將進(jìn)一步顯現(xiàn)。
