铁谱加热分析法诊断机械故障探究

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1、铁谱加热分析法诊断机械故障探究张玉婷，李佳，李健（大庆石化公司检测公司设备监测诊断中心，黑龙江大庆163714）摘要：本文阐述了铁谱片加热分析法的原理。通过加热铁谱片在显微镜下观察滚动轴承和齿轮磨损磨粒在不同温度下的回火色，比较分析可以发现铁谱片加热到375℃以上时，滚动轴承磨损磨粒与齿轮磨损磨粒表面回火色存在较明显的区别。这一方法对于既有滚动轴承又有齿轮的机械设备，可以有效判断故障来源，结合其他机械设备故障诊断方法，能够提高诊断的准确率。关键词：铁谱技术；加热分析；故障诊断；磨损1概述1.1研究背景我国自20世纪80年代初开始，在不断学习、吸收发达国家先进经验

2、的基础上，对设备故障诊断技术[1]从理论到应用做了大量的研究和开发工作，取得了巨大的成就，并迅速在化工、石化、电力、钢铁和航空等部门获得了应用。该技术的发展与应用，极大地节省维修费用，减少停机损失，使企业的经济效益最大化。设备故障诊断技术主要以振动监测及润滑油监测为主。润滑油监测较振动监测也具有重要的作用。通过对润滑油采样和分析处理，就能取得设备各摩擦副的磨损状况信息，从而对设备所处工作状态作出科学的判断。目前国内外在利用油样分析诊断机械故障的方法中，铁谱分析技术和光谱分析技术应用比较广泛。采用铁谱分析油样能够直观的反应磨损颗粒的数量、颗粒分布、形态和成分等多种

3、信息。其中铁谱片加热分析法是铁谱分析技术中识别磨粒合金成分十分有效的手段。1.2铁谱片加热分析法的基本原理铁谱片加热分析法[2]主要利用了金属材料在不同的温度下回产生不同颜色的回火色这样一个自然现象。而这一自然现象则源于金属材料氧化膜的生长这一化学过程和在氧化膜厚度上形成光的干涉这一物理效应，见图1。假设图中的磨粒由铁系金属组成。在常温下，铁系材料与空气接触，就会发生氧化反应。通常，这个氧化膜极薄而使肉眼不可分辨。当铁系材料处于加热状态并高于200℃时，表面膜会进一步生长，其厚度和光学特性趋于均匀。假设其厚度为δ，当光线照射在磨粒上时，首先有一部分光能被氧化膜表

4、面上反射，形成图中的光束1。而另一部分光能穿过氧化膜，经材料基体表面反射后返回空气，形成图中的光束2。根据物理光学原理，这两束光因有2δ的光程差而相互有了相位差。再度合成后，必然会发生干涉现象。如果照射在磨粒上的光是含有各种波长的白光，则其中某种颜色的光若其波长符合光程差等于半波长奇数倍的条件时，此颜色光经磨粒表面反射后将消失。这个条件可写成(k=0,1,2…)整理后有(k=0,1,2…)式中δ—氧化膜厚度；λ—光的波长；n—氧化膜的折射率。该式说明，当磨粒表面氧化膜的厚度恰恰等于某一单色光1/4波长的奇数倍时，其表面就呈现出该单色光的互补色。例如，当氧化膜的厚

5、度是蓝/紫色1/4波长即约0.038μm时，磨粒表面呈草黄色。当氧化膜增厚，是波长较长的红/橙色光1/4波长即约0.055μm时，磨粒表面呈黄色。不同材质金属表面氧化膜生长速度是不一样的。因此可以根据加热后同一温度下金属材料表面的颜色来判断材料的合金属类。这就是铁谱片加热分析法的原理。图1磨粒表面形成回火色示意图1.3试验意义目前的铁谱片加热分析技术可以通过加热制好的谱片至330℃区分出铁系金属和有色金属。铁系金属进一步还可以区分出铸铁和低碳钢；有色金属可以进一步区分出巴氏合金、铜以及一些白色有色金属。但是对于既有滚动轴承又有齿轮的设备，出现异常状况后通过润滑油

6、检测其故障根源，仅在显微镜下观察磨粒形貌，特别是在谱片上磨链分布密集的情况下，很难区分出谱片上磨粒是来源于滚动轴承还是齿轮。本文通过铁谱片加热分析法将制好的谱片加热至不同的温度，观察比较滚动轴承和齿轮磨损磨粒表面回火色的变化。2试验过程2.1试验条件（1）加热设备：可调式封闭电炉；（2）加热温度[3]（℃）：200±10，275±10，330±10，375±10，400±10，480±10，540±10；（3）保温时间（s）：每个温度档90，共计630；（4）冷却方式：自然冷却；（5）观察设备：铁谱显微镜；（6）照明方式：白色反射光，绿色透射光。2.2试验方法将

7、滚动轴承严重磨损的挤压机使用的润滑油和齿轮严重磨损的混炼机使用的润滑油分别制成谱片，置于铁谱显微镜视场下，仔细观察以备比较。电炉由室温开始加热，当温度到达200℃时，电炉恒温，将两个铁谱片放在电炉上，保温90s，取下谱片，自然冷却。待铁谱片温度降至室温后，将铁谱片放在铁谱显微镜载物台上进行观察，与加热前的同一视场进行比较。按照试验设置的七档温度，重复以上操作。3试验结果与分析工业生产中，通常滚动轴承的材质是低合金钢，齿轮的材质是碳素钢或低合金钢。表1与表2分别列出了试验中两组铁谱片加热至不同温度后磨粒表面的回火色。表1滚动轴承磨损磨粒在不同温度下的回火色回火温度

8、/℃回火色200无明显变