鐵譜技術在設備監測與診斷的實際應用(2)

  二、柴油機磨損狀態測的應用
   柴油機磨損狀態的鐵譜監測，目前已應用於鐵路機車、船舶、艦艇等方面。柴油機是一種摩擦副多、潤滑狀態複雜、工作條件惡劣（高溫、往複、變速）、使用材料種類多的機械設備。據統計，一台6缸柴油發動機竟有摩擦副600對以上，而每一對摩擦副的潤滑狀態又隨著運轉參數的變化而變化。長期以來，柴油機的磨損，特別是柴油機中三大摩擦副（缸套一活塞環、凸輪一挺桿、曲軸一軸承）的磨損一直是影響柴油機性能和使用壽命的關鍵問題。因此，研究在不解體、不停車的情況下對柴油機潤滑油定量抽樣檢查，以監測其磨損狀態、預防和診斷機械故障、提高運行可靠性，具有極其重要的意義。
   目前應用鐵譜技術來監測柴油機的磨損狀態和進行故障診斷，其實際應用主要有如下幾個方面。
    1．分析柴油機的磨損類型和識別磨損部件
    通過鐵譜片加熱法，目前，已能分析柴油機的磨損類型和識別其磨損部件。例如，用某台船用柴油機油樣製備的鐵譜片，經加熱330℃后，其大部分磨粒呈現出草黃回火色，表明此時柴油機的磨粒是鑄鐵材料磨粒。經過觀察，發現大部分磨粒已經被嚴重氧化，加之在譜片加熱前已見到一些磨粒有回火色斑點，這些現象表明，這是高溫磨損所致，據分析可能是因潤滑不良引起。此外，經監測發現磨粒的數量和尺寸比正常狀態下多得多，據此說明柴油機已開始發生異常磨損。
對該船用柴油機油樣的鐵譜分析還發現了嚴重磨損磨粒，並呈現有藍色的回火色斑點以及大的暗金屬氧化物磨粒，其表面呈灰白色，與鋼磨粒加熱550℃后顏色特徵相同。上述現象表明，這些磨粒在其生成過程中，它們的表面上已產生有一層厚的氧化膜，說明當時的磨損狀態已進人異常情況。在取出上述油樣數周后，便發生了因一個汽缸油路堵塞而使其咬死損壞的嚴重故障。
   2．柴油機的磨損狀態監測及工況診斷
    通過定量鐵譜分析可以監測柴油機的磨損狀態以及設備工況的磨損率，從而給出柴油機的磨損趨勢圖並進行工況診斷。
   在進行機械設備狀態監測時，不同的機械設備、不同的工況將會有不同的磨損趨勢圖。通常，通過對監測對象進行長期監測，記錄特定工況條件下設備的磨損趨勢圖，可以制定出合理的、行之有效的正常磨損基準線和非正常磨損的監督線以及嚴重磨損的限制線，從而為設備的現場狀態監測提供判斷準則。如圖3所示是取某設備穩定磨損工況階段多次測量的I_S值的平均值I_S線值，取該基準線值與3倍的測量值的偏差值之和為限制線值。I_S值平均值I_S及偏差值S可由下式求得：

   圖3 機械設備磨損趨勢圖及基準線、監督線及限制線
    某汽車製造廠利用鐵譜分析方法來研究縮短汽車發動機調試磨合的時間。該廠生產的汽車發動機原先始終採用三階段總計55min的磨合規程（冷拖20min→空運轉15min→低負荷運轉20min)。由於汽車生產量的迅速增長以及發動機設計與製造工藝水平的提高，完全有可能也非常有必要縮短調試磨合時間。經試驗研究表明，該廠生產的發動機調試磨合規程由原來的55min縮短為35min（冷拖10min→空運轉15min→低負荷運轉10min），縮短了36.4%。為了檢驗這一暫行規程的磨合效果及探討進一步縮短調試磨合時間的可能性，利用鐵譜分析方法進行了多種調試磨合方案的試驗研究，可以進一步縮短到20min，效率提高了175%。在改進過程中發現，提高零件表面加工質量和清潔度，減少污染顆粒、表面毛刺，加強零件表面清理，提高裝配質量，是縮短髮動機調試磨合時間的必要條件。
     三、滾動軸承和滑動軸承磨損狀態監測的應用
    軸承是各類機器中的重要支承零件，它的失效或損壞將直接影響機器工作的可靠性。因此，在機器狀態監測中，一直將軸承列為監測重點。
   近些年來，國內外研究結果表明，當軸承接近疲勞時，球形磨粒的大量出現以及總磨損I_G＝(A_L－A_S)和磨損烈度指數I_A＝（A_L－A_S)值的突然增大，可視為軸承疲勞剝落的先兆。圖4是對306軸承疲勞失效過程監測出的鐵譜曲線。通過研究，總結出磨損量和磨粒形態與滾動軸承疲勞失效的對應關係，並據此提出提高軸承質量的一些途徑。

  圖4 306軸承疲勞失效的鐵譜曲線
     鐵譜技術監測滑動軸承的工況也同樣有效。美國Foxboro公司分析實驗室取得了許多這方面的成功應用。例如，在對一台船用電動機軸承監測中，發現其油腔中取出的油樣中含有大量的銅合金磨粒和鐵的紅色氧化物磨粒后，隨後對其拆檢表明，軸承止推面上的巴氏合金層已發生嚴重磨損。經重新澆注安裝后，油樣的直讀鐵譜讀數大大降低。
    四、飛機發動機磨損狀態監測的應用
   飛機發動機是一種可靠性和安全性要求極高的機械設備，因而各國都在積極採用各種先進設備對其進行工況監測。目前鐵譜技術已成功地應用於監測飛機發動機的運行狀態，進行故障預報。
    圖5～圖7是英國D. Scott等人採用直接鐵譜儀監測軍用飛機發動機工作狀態及磨損工況的實例。其中圖5是用直讀鐵譜儀測定的DL、Ds鐵譜讀數繪製的Is-t趨勢圖，表示飛機發動機的磨損狀態及工況，圖示曲線表明，No.72發動機的狀態正常，而No. 21發動機異常，需拆卸檢修。

圖5 No.21、No.72發動機Is-t曲線

圖6 No. 72發動機累積總磨損、磨損烈度趨勢

圖7 No.21發動機的累積總磨損、磨損烈度趨勢

圖6和圖7是D. Scott等人採用累積總磨損Σ(D_L一D_S)值的「趨勢分析」來預報發動機的磨損狀態及工況的實例。這種趨勢分析是以時間的函數標繪出發動機的累積總磨損值和累積磨損烈度值的變化曲線，據此來分析與評定發動機的磨損狀態和工作狀況。監測表明，當累積總磨損值和累積磨損烈度值的曲線隨時間而呈穩定升高時（圖6），表明發動機工作正常，處於正常的磨損狀態。如果這兩條曲線的斜率在某一時間迅速增加，即兩條曲線出現相互靠近趨勢時（如圖7所示），則表明發動機已發生嚴重磨損。當兩曲線出現交叉時，表明發動機已開始損壞。通過對兩曲線的變化趨勢分析，已成功進行了多台飛機發動機磨損狀態及工況的分析與診斷工作。