李国福李山孙树军
摘要：介绍以光谱、铁谱高精密技术在生产科研中应用，分析铁谱、光谱检测技术各自的优缺点。利用铁谱的优点检测机械磨粒的大小；利用光谱的优点检测各元素机械磨粒的ppm值，从中发现各元素ppm的变化规律，从而，为预测维修提供依据，避免出现重大机械事故，节约成本费用。
关键词：光谱铁谱技术监测诊断应用
设备状态监测与故障诊断技术是上世纪七十年代发展起来的,在近二十年来,发展较快,并得到了广泛的应用,而且也给企业带来了巨大的经济效益。在我局，设备维修方式正从定期维修为基础的计划性维修向以设备实际运行状态为基础的预测性维修过渡。我站在建站之初，就开展了设备状态监测与故障诊断技术，对不同的诊断对象形成了不同的诊断技术和诊断方法，其中主要检测技术有：温度检测技术、无损探伤检测技术、振动检测技术、噪声检测技术、车辆检测技术、油液分析技术。本文主要讲述的是油液分析技术中的两个主要方法铁谱分析和光谱分析。
一、铁谱分析和光谱分析技术
设备在运转过程中，其内部各对摩擦副作相对运动，摩擦副处于正常磨损时，产生的金属磨粒在15μm以下；若发生异常磨损，产生的金属磨损颗粒一般较大，个别的甚至超过100μm，油中的金属元素浓度梯度值陡然增加。机械设备在不同的磨损状态下产生带有不同状态特征的磨损颗粒留存于润滑油系统中，这些磨损颗粒在尺寸、形貌和数量等方面都直接反映了机械摩擦副工作表面的状态，这是判断机械设备工作状况正常与否的直接依据。
润滑油的光谱分析是以发射光谱为主要手段，根据物质受到电弧、火花等能量的直接激发会产生光谱，而每个元素有其固定的波长（特征光谱线），这是发射光谱分析的定性基础，而光的强度就是定量的基础。由此可以通过发射光谱仪迅速正确地得到润滑油中各元素的种类及含量值，通过数据积累以及数据处理所得到的规律或模式相对照，就可以判断摩擦副的磨损状况。光谱分析的特点是速度快、分析数据准确和适合于大量数据的采集。但是该检测技术有如下局限性：
（1）它对5μm以下的磨粒发光，对于大于5μm的磨粒就无能为力；
（2）光谱分析能监测油中所含元素的浓度，所反映的是各摩擦副磨损积累的含量，而不能获得磨粒尺寸和形貌等方面的信息。
铁谱技术的创新之处在于它能鉴别摩擦副处于不同磨损状态时所产生的不同特征的磨损颗粒，它着重于对金属磨粒的形貌和尺寸大小的分析。铁谱技术能检测出机械设备润滑油中的单个磨粒。借助于铁谱显微镜能观察磨粒形态，直观反映出机械设备主要摩擦副的磨损情形。当磨粒在数μm以上时，铁谱技术的优越性将得到很好的体现。同样，虽然铁谱分析具有其它检测技术所不及的优点，但其本身也存在以下缺陷：
（1）分析速度慢，操作繁琐、费时；
（2）在磨粒识别以及磨损类型、磨损程度和故障判断方面过多地凭借着人的经验积累，从而限制了其应用和普及。
由此可见，每一种监测技术都有自己的长处和不足。只有当光谱和铁谱两种技术联合应用，互为补充、充分发挥各自特长，才能使机械设备工况监测与故障诊断的成功率得到进一步提高。
二、铁谱光谱监测系统
2.1系统的组成
1）铁谱仪及其辅助仪器：分析式铁谱仪；直读式铁谱仪；铁谱显微镜；光密度仪。
2）光谱仪：M型（美国生产）发射光谱仪。
2.2系统的分析过程
1）工作流程
铁谱光谱监测系统的流程框图如下图所示：
2）数据处理
光谱数据处理光谱仪测出的各元素光谱数据（ppm）是在一个换油期内各磨损金属元素的总量。对于正常磨损情况，各元素的光谱读数在一定范围内波动，同时各元素单位时间的增量值也在一个控制范围内。根据设备生产厂家提供的资料、维修人员的经验以及长期检测的数据，制定被监测设备润滑油中各元素单位时间的递增量的控制标准。对于每一个油样，计算机所接收到所测的光谱数据后，先计算各元素的增量值，然后判断各元素及其增量值是否在控制范围内。若超出，则打印超限的元素及其超出值。
铁谱数据处理铁谱仪测出的铁谱读数是设备的磨损率。若一台设备运转正常，其磨粒浓度与磨粒分布均将保持不变；异常磨损将引起磨粒浓度与磨粒分布超出预先制定的基准值。这是采用铁谱数据监控设备磨损状态的基础。对于每一个油样，用直读式铁谱仪进行测定，得到一组数据。将所测数据输入计算机进行处理，得到代表磨损过程的磨损量、磨损发生的严重性以及总磨损程度等一组指标，将这些指标与其基准值比较。若超出，则表明设备机械工况有可能不正常。
3）磨粒分析
在铁谱、光谱的定量数据表明被监测设备出现异常时，则利用分析式铁谱仪对同一油样制取铁谱片。将铁谱片放在铁谱显微镜下，利用铁谱图像分析系统或由人工进行磨粒分析。由此对被监测设备的磨损状态做出最终的判断并提出维修的建议。
4）趋势分析
如果在利用铁谱数据和光谱数据判断检测设备的机械工况的同时，还能准确预报设备未来的运转趋势（磨损趋势）的变化，则可对设备未来的运转情况做到一定程度的掌握，为设备的未来监测与维修提供重要的信息。
三、在设备管理中的应用
铁谱光谱监测系统的应用对象是油润机械设备和液压系统。它不受工作环境、背景噪声、工作速度以及摩擦副运转方式等限制，具有较广的应用范围。在机械设备日常管理、实现预测性维修、可靠性分析和寿命预测方面已经和将要起到重要作用。每个油样分析结束后，向设备使用单位提供设备运行、注意监视和停机维修的意见。
实例一、采油一厂气采站有13台进口压缩机组，气举原油为采油一厂总原油产量的40%以上。几年来，我们分析在用油品391个，共出数据5665个，预报了32次润滑不良和异常磨损，先后避免了10次设备事故隐患，维护成本下降46%，大修周期延长了三分之一，开机时率国内最高，接近美国同类机组水平。下表是采油一厂气采站11#、2#天然气压缩机的机油监测诊断情况：
11#、2#天然气压缩机油光谱监测数据表
设备编号及部位
11#天然气压缩机
2#天然气压缩机
监测日期
2003.03.20
2003.06.20
2003.03.20
2003.06.20
主要磨损金属及污染含量
X106
Fe
Cr
Cu
Al
Pb
Sn
Ni
Ag
Si
5.9
0.5
0.6
0.5
1.1
0
0
0
94.3
127
36
48
5.2
8.9
1.4
2.8
3.1
753
2005.4
0.2
5.2
1.1
0.7
0
0
0
5.9
427
2.2
40
1.3
0.9
1.1
2.2
0
260
由表中油样分析结果可见:11#压缩机在2003年3月20日取样分析,油品理化分析均正常。2003年6月20日分析结果，因沙和灰尘污染严重，导致严重的磨料磨损，磨损金属的Fe、Cu、Pb、Cr含量有所上升，应停机检修。通过换油，清洗机油滤网，调整空气滤清器，磨损恢复到正常。2#压缩机在2003年3月20日分析属正常，2003年6月20日分析，Fe、Cu含量急剧上升，磨损严重，建议停机维修，结果发现连杆铜套磨损面达20%，铜套已有裂纹出现，避免了大的事故发生。仅这次分析节约资金520万元。
实例二、测井公司2003年4月15日送来柴油机油CD15W/40要求进行油样分析，并要求判断磨损情况。从理化分析来看，粘度的变化率已超过换油指标，对其进行磨粒分析，一方面直读铁谱大颗粒DL值较大，另一方面发现油中有钢和铸铁的擦伤及切削磨损颗粒，这是该机组存在拉缸的征兆。建议测井公司组织检修，发现该柴油机有一缸发生了轻微拉缸，由于发现及时，处理及时，避免了因拉缸事故恶化所导致的轴瓦烧损、曲轴受伤的恶性事故。经过换油、保养，5月份取样分析，磨粒状况处于正常状态，表明该机已恢复了正常运行。
参考文献
1、《机械设备诊断学的探讨》，杨树子、师汉民等，华中工业学报，1987；
2、《机械故障诊断基础知识》，雷继尧、何世德等，西安交通大学出版社出版，1991.5；
3、《机械故障诊断案例汇编》，何正嘉、黄昭毅，西安交通大学出版社出版，1991.6；
4、《基于黑板的铁谱图像解释系统研究》，崔屹，北京科技大学博士论文，1992；
5、《铁谱图像分析系统的开发》，杨明忠、梁华等，94年中国铁谱技术会议论文集，1994。