柴油机润滑油磨粒监测技术评析

(中国人民解放军92557部队,广东 广州 510720)
 摘 要：介绍了各种柴油机磨粒监测技术的工作 原理，并分析了各种监测方法的优缺点，使这些技术在柴油机状态的监测中能够更好地应用 。
关键词：润滑油；磨粒监测；油液监测技术
中图分类号：U664  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2008)19—0107—02

随着现代工业对生产设备管理的科学性、高效性要求越来越高，油液监测技术已经成为生产 设备润滑管理和状态检测的重要技术，油液监测技术是设备磨损状态监测和故障诊断的重要 方法。它是基于摩擦学原理的机械磨损故障诊断技术，通过分析被监测的机械设备在用润滑 油液中磨损颗粒的情况、污染状况以及理化性能指标来监测系统的润滑和磨损状态，并以此 来判断机械的运行工况和预报机械故障的发生部位和类型。

由于柴油机内部摩擦副中相互接触的金属表面不同的磨损方式和速度造成了磨损微粒总量、 磨损微粒尺寸和磨损微粒形貌的不同，研究油液中磨损颗粒的尺寸分布可以判断机器磨损处 于什么阶段；分析磨损颗粒的化学成分，有助于判断磨损部件、故障的位置；观察磨损颗粒 的形貌，可以判断磨损类型。

现有的磨粒监测技术按照其工作原理可分为光谱型、光学型、电磁型、导电型 、微空阻尼 型等，下面分别介绍其工作原理并评析其优缺点。
1 光谱分析型磨粒监测技术

任何元素的原子，都是由带正电的原子核和围绕其运转的电子组成。正常情况下，原子处于 稳定状态即基态，若基态吸收了一定外来能量△E，则外层电子跃迁到更高的能量级，原子 处于激发态，处于激发态的原子不稳定，短时内会发射出能量△E而跃迁到基态。原子发射 或吸收的能量△E，以光的形式存在，具有特定的波长。由于原子结构不同，每种元素都有 其特征谱线。根据元素的特征谱线可以对元素进行定性分析，根据特征谱线强度的变化可对 元素进行定量分析。依靠测定原子从激发态跃迁到基态时发出的特征谱线，以确定元素种类 的分析称为发射光谱分析〔1〕，依靠测定原子从基态跃迁到激发态是吸收特征波长 光的强度，以确定元素浓度的分析称为吸收光谱分析。

根据以上原理研制，并在油样磨粒分析应用较多的是原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪、X －射线荧光光谱仪等。吸收和发射光谱仪的主要缺点是探测大于5微米的粒子的能力不是很 强，而X－射线荧光光谱仪不受大颗粒的限制，能提供更真实的元素浓度信息。
2 光学型磨粒监测技术
2.1 显微镜技术法

用光学显微镜进行颗粒计数和观察磨粒形貌是一种常规方法，目前国际上采用的方法有透射 光显微镜计数法和入射光显微镜技术法。其主要内容和步骤是：用微孔滤膜过滤一定容积的 油液，将油液中的磨粒全部收集在滤膜表面，然后在显微镜下观测磨粒的大小并按要求的尺 寸范围计数。该方法能够直观地观察到磨粒的实际形貌和尺寸，并能大致判断磨粒的种类， 所需设备比较简单，费用低。但人工计数需要的时间长、易疲劳，计数的准确性很大程度上 取决于操作者的经验和主观性。
2.2 避光型颗粒计数法

利用磨粒的遮光特性可对油液中的磨粒进行直接监测，其原理是：当油液流经具有狭窄通道 的传感器时，磨粒的避光作用使光电元件接受的光量减弱，使其输出的电压产生脉冲信号。 由于被遮挡的光量与磨粒的投影面积成正比，故输出脉冲电压的幅值直接反映磨粒的大小， 因而可测出磨粒的分布。
2.3 光散射型颗粒计数法

将油液置于传感器内，用激光进行扫描，利用磨粒的光散射特性可测出磨粒的颗粒分布。其 原理是：当激光束射向悬浮在油液中的磨粒时，一部分被吸收，而另一部分被散射。通过测 定散射光强随散射角的变化，可以确定磨粒的尺寸及其分布。

上述两种方法检测的粒度范围较宽，并可测出有色金属颗粒。缺点是团粒的聚集、气泡和水 珠都会影响测量结果，且不能反映磨粒的形状，设备价格昂贵。另外，不透光的油液不能使 用这种方法。
3 电磁型磨粒监测技术

电磁型磨粒监测技术的工作原理是利用磁场捕获铁磁性磨粒，进而采用不同方法对其进行检 测和分析。
3.1 磁塞技术

应用较早的磁塞技术，它是利用设置在油路系统中的磁性元件（磁塞）拦截和吸附油液中的 铁磁性磨粒。它可分两类：一类是定期将磁塞从油路中取出，测量所捕获磨粒的量，用显微 镜检查磨粒的粒度和形状；另一类是在磁塞中装有传感器，将捕获的磨粒量转换成电信号， 此电信号与捕获的铁磁性磨粒总量成正比，当捕获的磨粒达到某一定值时，通过控制元件引 发一次冲洗过程，磁塞类传感器的优点是能够在线监测，但只能检测黑色金属的磨粒浓度且 精度不高，也不能反映磨粒的粒度分布。

磁塞检测方法分析磨粒的尺寸范围大约为25～400微米，具有结构简单，使用方便成本低等 特点，主要用于齿轮、滚动轴承等摩擦副较单一设备的监测。
3.2 铁谱技术

上世纪70年代开始出现的铁谱技术是应用最多且比较成熟的一种电磁型磨粒监测技术。铁谱 技术的原理，就是利用高梯度强磁场的作用，将机器摩擦副内产生的微粒从润滑油液中分离 ，借助各种监测设备和手段，观测和测量分析这些磨粒的形貌、大小、数量、成分等，从而 对机械设备的运行状况、关键零部件的磨损状态进行分析判断。在铁谱诊断分析中，所进行 的铁谱定量和定性分析，主要从以下四个方面来进行：①主要磨粒的类别、形态、尺寸分布及颜色特征。根据它们来判断设备摩擦副所处的磨 损阶段以及相应阶段发生的磨损类型，包括粘着磨损、切削磨损、疲劳磨损、剥落磨损；②磨粒浓度及磨损量。根据不同时间的磨粒浓度及磨粒数量的变化情况绘制机械系统的 磨损曲线，通过它们来确定机械的磨损速率及其变化状态;③磨损严重性。磨粒的尺寸分布代表了各个阶段中磨损发生的剧烈程度；④磨粒的材料成分。通过它们来确定磨粒的来源和判定磨损零件及具体部位。

铁谱分析技术的研究包括采取代表性油样、铁谱仪及制谱技术、磨粒技术、磨粒分析，以及 数据信息的处理等，它是以磨粒分析为基础的状态监测与故障诊断技术，可以较好地分析铁 磁性磨粒的浓度、形状和尺寸，其分析磨粒的尺寸范围较大，也可以分析判断磨粒元素的成 分；对早期非铁磁性磨粒的分析判断难于进行的问题也已经得到解决，只要在油样中针对非 铁磁性磨粒加入相应的磁化液体〔2〕，使这些磨粒磁化，就可以沉积在谱片上。

用双色显微镜特有的性能，借助其透射光、反射光、偏振光等不同的照明形式，和各种滤色 片或电子显微镜来观察沉积在玻璃基片上有序排列的磨粒。依据磨粒的形态特征、表面颜色 、光学特色、尺寸大小及其分布等等，分析机器的工作状态、磨损类型、磨损程度，并通过 分析磨粒来源推断机器的磨损部位。

继传统的分析式铁谱和直读式铁谱仪之后，又相继出现了几种新的铁谱仪，比如旋转铁谱仪 和在线式铁谱仪。

铁谱技术的不足之处表现在：铁谱定量分析的不准确，数据的可重复性差，铁谱定性分析的 不确定，随机性大；制作铁谱谱片需要较长的时间，分析速度不够高；磨粒识别过于依赖分 析者的技术水平和实践经验，人为、偶然性因素较大〔3〕。
4 导电型磨粒监测技术
4.1 介电常数型

介电常数型传感器是通过测量油液中的介电常数〔4〕来反映油液性能的变化。介电 常数是反 映油液导电性能的一个参数，但影响介电常数的因素不仅是磨粒浓度及成分，含水量、总酸 值及相对粘度变化等的影响也很明显，因而介电常数反映的是以上因素的综合影响。利用这 一原理，西北工业大学研制的油液质量快速分析仪能够现场快速检测出油液的油质和水分含 量，缺点是只能笼统判定油质的好坏，而不能找出导致油液质量下降的具体原因。此类仪器 只能作油质的现场快速定性分析。
4.2 电阻型

电阻型的工作原理是当油液流经狭窄通道的电阻传感器时，其中的磨粒通过狭窄通道时产生 的电阻变化表现为一个与它成正比的电压脉冲。电阻变化在一定条件下基本上与磨粒体积成 正比，从而反映磨粒的大小。仪器对脉冲按其大小归档（磨粒体积或粒度的间隔）进行计数 ，因而可给出磨粒体积或粒度的个数分布，仪器也可给出单位体积油液中磨粒总粒数和各档 大小的粒数。这种传感器通常只有当介质中有大量的金属磨粒时才起作用，但由于不同材料 的磨粒其导电率相差很大，而且通常油液电阻率都很大，因此，此方法的灵敏度欠佳。
5 微空阻尼法

其原理是：当油液样品流经一精确标定过的滤网时，由于大于网眼的颗粒都沉积下来，由于 微孔的阻挡作用，流量便会降低，最后小颗粒填充在大颗粒的周围，从而进一步阻滞了液流 ，结果形成一条流量随时间变化的曲线。利用一种专门的数学程序可把该曲线转换为颗粒大 小分布曲线。
6 结束语

这样可以更好地了解柴油机中存在的隐患信息，采取相应的措施纠正非常的磨损状态，降低 事故率，提高其可靠性，经过准确的油液监测分析后，对柴油机检修能做到心中有数，做到 适时维修，避免过剩维修或失修，这样既保证了柴油机运行中使用最低的管理费用，又保证 了设备运行可靠性，提高设备利用率。
［参考文献］
［1］ 胡德庄.光谱和铁谱技术在监测方面的应用［J］.铁道技术监督，2002，(12): 9－10.
［2］ 刘同冈.铁谱技术中非铁磁性磨损颗粒的监测研究［J］.润滑与密封，2004，( 04):58-59.
［3］ 刘建辉.铁谱分析在设备监测诊断中的应用与发展前景［J］.机械工程师，200 7，(3):43-44.
［4］ 严志军.油液监测技术在船舶设备状态监控中的研究和应用［J］.中国设备工 程，2007，(2):52-55.

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