鐵譜加熱分析法診斷機(jī)械故障探究.doc

鐵譜加熱分析法診斷機(jī)械故障探究張玉婷，李 佳，李 健（大慶石化公司檢測(cè)公司設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷中心，黑龍江 大慶 163714）摘 要：本文闡述了鐵譜片加熱分析法的原理。通過(guò)加熱鐵譜片在顯微鏡下觀察滾動(dòng)軸承和齒輪磨損磨粒在不同溫度下的回火色，比較分析可以發(fā)現(xiàn)鐵譜片加熱到375以上時(shí)，滾動(dòng)軸承磨損磨粒與齒輪磨損磨粒表面回火色存在較明顯的區(qū)別。這一方法對(duì)于既有滾動(dòng)軸承又有齒輪的機(jī)械設(shè)備，可以有效判斷故障來(lái)源，結(jié)合其他機(jī)械設(shè)備故障診斷方法，能夠提高診斷的準(zhǔn)確率。關(guān)鍵詞：鐵譜技術(shù)；加熱分析；故障診斷；磨損1概述1.1研究背景我國(guó)自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，在不斷學(xué)習(xí)、吸收發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備故障診斷技術(shù)1從理論到應(yīng)用做了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，取得了巨大的成就，并迅速在化工、石化、電力、鋼鐵和航空等部門獲得了應(yīng)用。該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，極大地節(jié)省維修費(fèi)用，減少停機(jī)損失，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。 設(shè)備故障診斷技術(shù)主要以振動(dòng)監(jiān)測(cè)及潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)為主。潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)較振動(dòng)監(jiān)測(cè)也具有重要的作用。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油采樣和分析處理，就能取得設(shè)備各摩擦副的磨損狀況信息，從而對(duì)設(shè)備所處工作狀態(tài)作出科學(xué)的判斷。目前國(guó)內(nèi)外在利用油樣分析診斷機(jī)械故障的方法中，鐵譜分析技術(shù)和光譜分析技術(shù)應(yīng)用比較廣泛。采用鐵譜分析油樣能夠直觀的反應(yīng)磨損顆粒的數(shù)量、顆粒分布、形態(tài)和成分等多種信息。其中鐵譜片加熱分析法是鐵譜分析技術(shù)中識(shí)別磨粒合金成分十分有效的手段。1.2鐵譜片加熱分析法的基本原理鐵譜片加熱分析法2主要利用了金屬材料在不同的溫度下回產(chǎn)生不同顏色的回火色這樣一個(gè)自然現(xiàn)象。而這一自然現(xiàn)象則源于金屬材料氧化膜的生長(zhǎng)這一化學(xué)過(guò)程和在氧化膜厚度上形成光的干涉這一物理效應(yīng)，見(jiàn)圖1。假設(shè)圖中的磨粒由鐵系金屬組成。在常溫下，鐵系材料與空氣接觸，就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。通常，這個(gè)氧化膜極薄而使肉眼不可分辨。當(dāng)鐵系材料處于加熱狀態(tài)并高于200時(shí)，表面膜會(huì)進(jìn)一步生長(zhǎng)，其厚度和光學(xué)特性趨于均勻。假設(shè)其厚度為，當(dāng)光線照射在磨粒上時(shí)，首先有一部分光能被氧化膜表面上反射，形成圖中的光束1。而另一部分光能穿過(guò)氧化膜，經(jīng)材料基體表面反射后返回空氣，形成圖中的光束2。根據(jù)物理光學(xué)原理，這兩束光因有2的光程差而相互有了相位差。再度合成后，必然會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。如果照射在磨粒上的光是含有各種波長(zhǎng)的白光，則其中某種顏色的光若其波長(zhǎng)符合光程差等于半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的條件時(shí)，此顏色光經(jīng)磨粒表面反射后將消失。這個(gè)條件可寫成 (k=0,1,2)整理后有 (k=0,1,2) 式中 氧化膜厚度；光的波長(zhǎng)；n氧化膜的折射率。該式說(shuō)明，當(dāng)磨粒表面氧化膜的厚度恰恰等于某一單色光1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，其表面就呈現(xiàn)出該單色光的互補(bǔ)色。例如，當(dāng)氧化膜的厚度是藍(lán)/紫色1/4波長(zhǎng)即約0.038m時(shí)，磨粒表面呈草黃色。當(dāng)氧化膜增厚，是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅/橙色光1/4波長(zhǎng)即約0.055m時(shí)，磨粒表面呈黃色。不同材質(zhì)金屬表面氧化膜生長(zhǎng)速度是不一樣的。因此可以根據(jù)加熱后同一溫度下金屬材料表面的顏色來(lái)判斷材料的合金屬類。這就是鐵譜片加熱分析法的原理。圖1 磨粒表面形成回火色示意圖1.3試驗(yàn)意義目前的鐵譜片加熱分析技術(shù)可以通過(guò)加熱制好的譜片至330區(qū)分出鐵系金屬和有色金屬。鐵系金屬進(jìn)一步還可以區(qū)分出鑄鐵和低碳鋼；有色金屬可以進(jìn)一步區(qū)分出巴氏合金、銅以及一些白色有色金屬。但是對(duì)于既有滾動(dòng)軸承又有齒輪的設(shè)備，出現(xiàn)異常狀況后通過(guò)潤(rùn)滑油檢測(cè)其故障根源，僅在顯微鏡下觀察磨粒形貌，特別是在譜片上磨鏈分布密集的情況下，很難區(qū)分出譜片上磨粒是來(lái)源于滾動(dòng)軸承還是齒輪。本文通過(guò)鐵譜片加熱分析法將制好的譜片加熱至不同的溫度，觀察比較滾動(dòng)軸承和齒輪磨損磨粒表面回火色的變化。2試驗(yàn)過(guò)程2.1試驗(yàn)條件（1）加熱設(shè)備：可調(diào)式封閉電爐；（2）加熱溫度3（）：20010，27510，33010，37510，40010，48010，54010；（3）保溫時(shí)間（s）：每個(gè)溫度檔90，共計(jì)630；（4）冷卻方式：自然冷卻；（5）觀察設(shè)備：鐵譜顯微鏡；（6）照明方式：白色反射光，綠色透射光。2.2試驗(yàn)方法將滾動(dòng)軸承嚴(yán)重磨損的擠壓機(jī)使用的潤(rùn)滑油和齒輪嚴(yán)重磨損的混煉機(jī)使用的潤(rùn)滑油分別制成譜片，置于鐵譜顯微鏡視場(chǎng)下，仔細(xì)觀察以備比較。電爐由室溫開(kāi)始加熱，當(dāng)溫度到達(dá)200 時(shí)，電爐恒溫，將兩個(gè)鐵譜片放在電爐上，保溫90s，取下譜片，自然冷卻。待鐵譜片溫度降至室溫后，將鐵譜片放在鐵譜顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行觀察，與加熱前的同一視場(chǎng)進(jìn)行比較。按照試驗(yàn)設(shè)置的七檔溫度，重復(fù)以上操作。3試驗(yàn)結(jié)果與分析工業(yè)生產(chǎn)中，通常滾動(dòng)軸承的材質(zhì)是低合金鋼，齒輪的材質(zhì)是碳素鋼或低合金鋼。表1與表2分別列出了試驗(yàn)中兩組鐵譜片加熱至不同溫度后磨粒表面的回火色。表1 滾動(dòng)軸承磨損磨粒在不同溫度下的回火色回火溫度/回火色200無(wú)明顯變化，局部磨粒發(fā)黃275淺黃色330大部分磨粒橘紅色，局部藍(lán)紫色375藍(lán)紫色/藍(lán)色400藍(lán)色480淺藍(lán)色540大部分磨粒藍(lán)白色，局部淺黃色表2 齒輪磨損磨粒不同溫度下的回火色回火溫度/回火色200失去光澤，灰白色275大部分磨粒深草黃色/橘紅色 ，局部藍(lán)紫色330大部分磨粒藍(lán)色，局部深黃色/藍(lán)紫375大部分磨粒淺黃色，局部藍(lán)白色400藍(lán)白色480銀灰色540無(wú)光澤的銀白色表1與表2進(jìn)行對(duì)比，可以看出鐵譜片加熱至200、275、330，滾動(dòng)軸承與齒輪磨損磨粒表面回火色符合常規(guī)的鐵譜片加熱技術(shù)要求即加熱至330碳素鋼或合金鋼磨粒表面的回火色為藍(lán)色或藍(lán)紫色。從整體看，滾動(dòng)軸承磨粒較齒輪磨粒的表面回火色具有滯后性，在加熱至375及以上溫度時(shí)，可以看出，齒輪磨粒表面回火色趨近于淺色以至無(wú)光澤的銀白色，而滾動(dòng)軸承磨粒表面回火色加熱至540時(shí)還具有藍(lán)色光澤。以往應(yīng)用鐵譜片加熱技術(shù)通常僅加熱至330來(lái)識(shí)別磨粒成分，對(duì)于既有滾動(dòng)軸承又有齒輪的設(shè)備，在振動(dòng)監(jiān)測(cè)不能準(zhǔn)確定位故障根源的情況下，可以根據(jù)鐵譜片加熱法將鐵譜片加熱至375或400進(jìn)行判斷。4、結(jié)論1、鐵譜片加熱至375時(shí)，滾動(dòng)軸承磨粒與齒輪磨粒表面回火色具有明顯區(qū)別。2、將鐵譜片加熱至375或400可以區(qū)分滾動(dòng)軸承磨粒和齒輪磨粒，為判斷設(shè)備故障來(lái)源提供了依據(jù)。3、鐵譜片加熱技術(shù)結(jié)合其他機(jī)械設(shè)備故障診斷方法，可以提高診斷的準(zhǔn)確率。參考文獻(xiàn)：1 沈慶根，鄭