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柴油机油液分析与故障诊断柴油机油液分析与故障诊断 摘要 机械设备状态监测及预知维修技术是机械设备现代管理的主要内容。随着现代生产的高速发展，其重要性也日益突显。现代生产的连续性和自动化特点，对机械设备的安全可靠运行提出了更高的要求，要求机械设备不出现故障，如果有故障隐患能够及时发现，及早采取有效措施，不至于发生大的事故。铁路机车就是具有这一特点的设备，所以开展机车柴油机的故障诊断具有积极的现实意义和经济效益。 在此次的毕业设计中，通过查阅大量的文献，从零开始学习油液分析技术的方法、手段和仪器设备等，主要学习了铁谱分析技术和光谱分析技术的优缺点及其技术状况。在对油液分析技术基本了解的情况下，结合实例分析对油液分析做进一步的学习和总结。本文结合机车柴油机润滑系统的特点，根据金属元素在机车柴油机的分布，运用光谱分析技术对机车柴油机的故障点和故障类型做出判断，并简单分析了光谱分析的元素参考限值的规律；学习对铁谱图像的识别，了解机械的磨损类型，再结合机车柴油机摩擦副的特点，运用铁谱分析技术对机车柴油机的磨损情况做出判断，以期能对机车安全状况做一个正确的判断。 关键词：机车柴油机;润滑油;磨损;光谱分析;铁谱分析 I Diesel Engine Oil Analysis And Fault Diagnosis Abstract Mechanical device condition monitoring and preventative maintenance are the main content of modern management of machinery.With the rapid development of modern production，they become more and more important.There is a higher requirement for safe and reliable operation of mechanical equipment from the continuity and automation characteristics of modern production. It is required that mechanical equipment have to accident,hidden faults be discovered in time,effective measures be adopted early to avoid any major accident.Railway locomotives have such kinds of characteristics.It is therefore full of practical significance and ecnomic benefits to do fault diagnosis of locomotive diesel engines. In the graduation project, I adopted an extensive literature to understand methods, means and instruments and so on of the Diesel engine oil analysis from scratch, major learned the Advantages and disadvantages of ferrography and spectroscopy and their technical condition. After I have a basic understanding of the oil analysis, binding instance on oil analysis further learning and summary. The article combined the characteristics of locomotive engine lubrication system, according to the metal elements in the distribution of locomotive diesel engines, applyed spectroscopic techniques on the failure points and fault types of locomotive diesel engine to judge,and analysis simply the law of spectral analysis of element reference limits; The article learned on the iron spectral image recognition, Understanded the mechanical wear type,and combined with the locomotive diesel engine friction characteristics,used ferrography on locomotive diesel engine wear to have a judgment, in order to be able to do security situation on the locomotive. Key words: locomotive diesel engine; Lubrication oil; Wear; Spectrum analysis;Iron spectrum analysis II 目 录 摘要 . I Abstract . II 1 概述 . 1 1.1 机油油液分析的目的和意义 . 1 1.2 设备故障诊断的目的和意义 . 1 1.3 机油油液分析方法的确定 . 1 2 油液分析技术的应用及技术现状 . 3 2.1 光谱分析技术的应用及技术现状 . 3 2.1.1 光谱分析技术的特点 . 3 2.1.2 光谱仪的类型 . 3 2.1.3 光谱分析技术的现状 . 3 2.2 铁谱分析技术的应用及技术现状 . 4 2.2.1 铁谱分析技术的特点 . 4 2.2.2 铁谱仪的类型 . 5 2.2.3 铁谱分析技术的现状 . 6 2.3 润滑油理化指标分析及技术现状 . 7 2.3.1 定性分析 . 7 2.3.2 定量分析 . 7 3 机车柴油机简介及其润滑系统 . 8 3.1 本文的分析对象 . 8 3.2 机车柴油机简介 . 8 3.3 机车柴油机的润滑系统 . 8 4 光谱分析技术的分析 . 10 4.1 金属元素在机车柴油机的分布简介 . 10 4.2 光谱分析技术对机车柴油机故障诊断中的应用 . 10 4.3 光谱分析技术实例分析 .11 4.4 光谱分析元素含量参考限值的分析 . 13 5 铁谱分析技术的分析 . 15 5.1 机车柴油机的主要摩擦副 . 15 5.2 铁谱图像的识别 . 16 5.2.1 内燃机的几种磨损类型 . 16 5.2.2 内燃机产生的典型磨粒 . 17 5.3 铁谱分析技术的实例分析 . 20 6 结束语 . 22 6.1 总结 . 22 6.2 展望 . 22 谢辞 . 23 参考文献 . 24 附录A：外文资料英语原文 . 25 附录B：外文资料译文部分 . 29 华东交通大学毕业设计 1 概述 1.1 机油油液分析的目的和意义 润滑的目的在于用第三种物质(液体、气体、固体等)将两摩擦表面分开，避免两摩擦表面直接接触，减少摩擦和磨损。众所周知，摩擦磨损是造成机器零部件失效的三种主要形式(磨损、腐蚀和断裂)之一；是降低机器和工具效率、准确度甚至使其报废的一个重要原因。随着工业生产的不断发展，人们愈来愈深刻认识到摩擦消耗了大量能量。有人统计，全世界有三分之一至二分之一的能量消耗在摩擦上。零件的磨损直接影响到机器的性能和使用寿命。据统计，大约有百分之八十的破损零件是由于磨损造成的。磨损失效不仅造成大量材料和部件浪费，而且可能导致灾难性的事故后果，如机毁人亡等。为了减少摩擦副间的摩擦和磨损，保证机器设备的安全运行，延长其使用寿命，可以对摩擦副间的工作表面进行润滑。正确的利用润滑是减少摩擦的一个有效途径。为了保证良好的润滑，就必须选择性能优越的润滑机油，并确定经济合理的换油周期，因此对设备润滑机油油液的分析愈来愈受到人们的重视。 1.2 设备故障诊断的目的和意义 世界各发达国家设备维修体制从预防维修制向状态维修制发展，状态维修的基础是设备的诊断技术。机油油液的分析是设备诊断的手段之一。通过对各阶段机油油液进行分析，对设备的运行状态进行监测。因为机油中磨料的数量及特征和设备发动机的零部件的磨损状态密切相关，通过对机油中磨粒材料的尺寸、形状、浓度等进行分析，可对发动机磨损状况进行监测，由于机油中包含的磨损微粒携带着机械运动的大量信息，因此，对机油中的磨粒的监测和分析是判定机械设备运行状态，对其进行故障诊断的重要并且有效的办法。 目前，先进国家己广泛采用和推广机油状态分析及监测技术。实践证明，这种技术可以确保机械设备安全可靠运行，减少突发机械事故的发生率，并在节约维修费用，减少环境污染，降低材料消耗等方面起到重要作用。同时对机器运行状态的正确判断，可使维修体制从定期计划维修及事后维修转向根据设备的运行状态而进行的状态维修。为企业带来巨大的经济效益，据日本有关资料，采用设备诊断技术之后，每年的维修费用可以减少百分之二十五至百分之五十，而故障停机时间减少百分之七十五。 1.3 机油油液分析方法的确定 机油油液分析技术是设备诊断技术的方法之一。实践证明，不同的磨损作用过程(跑合期、正常磨损期、严重磨损期)，产生的磨料有不同的特征(形态、尺寸、表面形貌、数量和粒子的分布)，它们反映和代表了不同的磨损失效类型(粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损腐蚀磨损等)。根据磨料的材料和成分的不同，就可以分辨磨料的来源。因此，机油油1 李飞荣：柴油机油液分析与故障诊断 液分析技术对研究机械磨损的部位和过程，磨损失效的类型，磨损的机理有重要作用，而且也是在不停机、不解体的情况下对机械设备状态监测和故障诊断的重要手段。 一般的机油油液分析工作分为采样、检测、诊断、预测和处理五个步骤。采样必须要采集能够反映当前机器中各个零部件磨损状态的油液，使其具有代表性。检测是指对油液进行分析，测量油液中磨损颗粒的浓度及粒度分布，从而初步判断机器的磨损状态。当判定属于异常磨损时，需要进一步诊断，确定磨损的零部件和磨损类型。预测是指采用一定的数学处理方法，预测机器在未来时刻内磨损状况变化的动态趋势，计算处于异常磨损状态的机器部件的剩余寿命。确定对机器的维修方式，维修时间，确定是否更换零部件。 油液分析有很多分析方法，如光谱分析方法、铁谱分析方法及油品理化指标分析方法等。据文献介绍自XX年以来，利用铁谱、光谱和油的理化性能分析等方法，对50多台设备的液压系统进行了状态监测与故障诊断，事后通过系统拆检测量摩擦副摩擦和观察磨损表面形貌，对故障原因和磨损程度进行确认，对发生各类故障后出现异常磨损20台系统的诊断结果，进行了统计与评价，结果见图1-1。 准确率图1-1反映了几种监测方法的诊断效果及其对某类故障的局限性。在三种监测方法中，铁谱监测方法的平均准确率达70%，尤其对磨料磨损，其准确率高达85%，而油品性能分析方法对于各类磨损故障的诊断准确率仅为20%。 有意义的是，对20例故障采用铁谱和光谱综合应用进行监测和诊断，则明显提高了诊断结果的可靠性，诊断正确率提高到92%，重要的是对于分析各类故障的原因以及采用何种措施等方面综合诊断技术提供了更为可靠的信息。综上所述，不同的监测方法对不同故障类型各有其特长与局限性，只有采用光谱技术、铁谱技术综合利用的方法，才能发挥各个方法的特点。 图1-1 油液分析统计直方图 2 华东交通大学毕业设计 2 油液分析技术的应用及技术现状 2.1 光谱分析技术的应用及技术现状 2.1.1 光谱分析技术的特点 光谱油液分析技术是一种用于预防性维修领域中的一种成功的快速评定方法。它适用于任何的封闭的润滑系统。诸如各种燃汽轮机、蒸汽机、柴油机、汽油机、变速箱、齿轮箱、压缩机和液压系统等。 油液的光谱分析技术是当今工业和军事领域中所有油液分析方法中最重要和最具有意义的测试手段。它具有以下优点: 分析速度快。 测量准确。本身可以用标准油进行标定，准确性很高，发射光谱仪的误差在1ppm以下，而吸收光谱仪则在0.1ppm以下。 发现问题早。 能够检测出溶解到溶液中的化学元素，这是其它技术很难办得到的。 能够有效地测出冷却液的泄漏和燃油的污染，而这是内燃机的经常故障。 对工作条件广泛适应。 易于和计算机相联组成自动监测系统。 现代专用光谱仪的优势在于自动化程度高，分析速度快，定量准确而又可进行多元素分析。但由于受到工作原理局限，它不可能得到有关磨损元素存在方式(如:形态、大小等)方面的信息。故不可避免的影响了故障预报和诊断的准确率。所以，寻求能弥补其不足的新方法，就成为必然之趋势了。 2.1.2 光谱仪的类型 光谱仪的类型有发射光谱仪、原子吸收光谱仪、红外光谱仪、紫外可见光分光光度计等。 2.1.3 光谱分析技术的现状 定性分析 光谱分析技术能够分析出油液中所含的各种元素及其浓度，定性分析就是根据油液中出现的元素和这种元素的来源来判断是什么性质的故障，若这种元素来自摩擦副则说明这种元素是由于磨损产生的，而且根据各摩擦副的材料就能准确判断产生磨损元素的具体位置，这是其它技术所不能做到的。若这种元素来自冷却液的添加剂，那么就能判断冷却液泄漏的故障。若这种元素来自灰尘，则能判断油液的污染情况等。 定量分析 光谱分析技术的定量分析就是根据油液中元素含量值的大小来判断发动机异常磨损3 李飞荣：柴油机油液分析与故障诊断 是由于油液的原因造成的还是设备本身不良造成的。国内外都用这种方法做定量的分析。 目前，国外一些发动机厂家，在经过大量的数据积累，并用计算机对数据进行处理后，结合实践而得出发动机在正常使用期范围内机油中有关各种元素的稳定含量参数，用户定货时对参数提出要求，厂方可以告之，有的国家如加拿大等己建立了光谱油液分析的专家系统。 我国目前还没有达到这一水平，只是利用光谱分析所能测出的每种元素的ppm(百万分之一)值，来判断设备是否正常。对于矿山的具体情况来说，设备型号比较复杂，不同型号的设备，构造原理，各种技术性能不尽相同，那么正常使用周期存在于机油中元素的种类、浓度则不相同。一般的经验是，不同的用户、不同型号的设备、不同的工况，只有通过长期的自行监测，积累和加工诸多数据，逐个确定每种设备，每种元素的标准含量参数，制定监测标准，修改标准，达到逐步完善，这是光谱分析的必由之路。国内应用光谱油料分析技术较好的企业只是制定了一套较合理的磨损元素含量的预警值，也没有做到对机器运行状态的预测预报。 2.2 铁谱分析技术的应用及技术现状 2.2.1 铁谱分析技术的特点 铁谱技术是七十年代出现的一种新的油液分析方法，它利用高梯度磁场将经稀释后的机油中所含的机械磨损碎屑按其微粒大小有序地分离出来沉积在玻璃基片上(分析式铁谱仪)，或玻璃管内(直读式铁谱仪)。通过对磨屑进行有关形状、大小、成分、数量及粒度分布等方面的定性和定量观测，便可判断机械设备的磨损状况，获得有关摩擦副磨损状态的重要信息，预报零部件的失效。 用双色显微镜特有的性能，借助其透射光、反射光和偏振光等不同的照明形式，采用各种滤色片或扫描电子显微镜来观察沉积在玻璃基片上有序排列的磨粒，依据磨粒的形状特征、表面颜色、光学特征尺寸大小及其分布等等，分析机器的工作状态、磨损类型以及磨损程度，并通过分析磨粒来源来推断机器的磨损部位。 铁谱分析方法与其它方法比有如下优点： 铁谱分析法能分离出润滑油中所含较宽尺寸范围的磨屑，也就是说，它的应用范围较广，图2-1出了各种分析法对不同大小的磨屑的敏感范围。从图中可以看出油液光谱分析对10µm以下的大颗粒敏感，大于10µm的磨屑反应迟钝，磁塞、滤纸等方法对大于10µm的大颗粒敏感，对小磨屑反应迟钝。而铁谱分析法对0.1-102µm以上的颗粒都敏感。 铁谱分析法可以利用铁谱仪将磨屑不重叠地沉积在玻璃基片上，从而可以对磨屑同时进行定性观察分析和定量测量来判断机械的磨损程度，同时还可以对磨屑的组成元素进行分析，以判断磨损产生的出处，即磨损发生的地点。 4 华东交通大学毕业设计 图2-1各种分析方法对磨屑尺寸的敏感范围 铁谱分析技术的局限性: 对机油中非铁磁性颗粒的检测能力较弱。在对如柴油机这种含有多种材质摩擦副的设备进行故障诊断时，往往感到有所欠缺。 对非磨损故障的监测效果效果较差，甚至完全不能监测。摩擦系统在运行中还会出现诸如化学腐蚀、侵蚀、污染、机油劣化等非磨损故障。 对取样要求较苛刻。铁谱监测的成败首先取决于能否从润滑系统中取到有代表性的油液，铁谱监测与分析的是几微米到上百微米的大颗粒，这些微粒生成以后即很快沉淀，而过滤器优先滤掉的也是大颗粒。铁谱监测技术对取样的苛刻要求常常不能全部满足，因而在监测与诊断时引入了一些不可靠的因素。 对突发性事故的监测效果差。目前，铁谱技术主要采用确保时间间隔内的取样分析，实现离线监测。对于某些从故障发生至失效，仅几小时甚至几分钟的突发故障，例如，高速运转轴承的突然咬死故障，铁谱监测技术表现出很高的局限性。 过于依赖人的经验。铁谱技术从取样、磨损颗粒的分析直到状态的判断，几乎主要依赖于铁谱监测人员的知识水平和实践经验，即使对同一台设备的同一种故障，不同的人员不仅在测取数据上可能存在差别。铁普技术这一严重局限性，大大影响了其潜在的技术特点的发挥，使得在监测与诊断过程中引入大量的人为的不可靠的因素。近年来，随着计算机技术的发展，计算机图像技术的普及，磨粒的计算机识别方法得到了长足的发展，初步解决了这些问题，铁谱技术成了如今对润滑油油料进行监测分析的主要方法之一。 2.2.2 铁谱仪的类型 铁谱仪的类型有分析式铁谱仪(Analytical Ferrography)、直读式铁谱仪(Direct-Reading Ferrography)、旋转式铁谱仪(Rotary Ferrography)、在线式铁谱仪(Online Ferrography)等 5 李飞荣：柴油机油液分析与故障诊断 2.2.3 铁谱分析技术现状 铁谱的定性分析现状 铁谱的定性分析是借助于双色光学显微镜从观察磨损颗粒的数量、形态、尺寸、颜色及分布等方面来直接判断机器磨损状况的一种方法。 在铁谱分析技术中，磨损颗粒按形态和产生的方式可区分为五类：(1)摩擦磨损颗粒，(2)切削磨损颗粒，(3)滚动疲劳磨损颗粒，(4)滚动滑动磨损颗粒，(5)严重滑动磨损颗粒。 一般认为，最大粒度小于15µm的薄片状磨粒为正常磨损颗粒，其长轴尺寸范围为0.5µm-15µm，甚至更小，通常具有光滑的表面。切削磨损颗粒是形状象车床切削的磨损颗粒，平均宽度为2-5µm，长度为25-100µm螺旋状、圈状和曲线状的磨粒，这一般是较硬零件由于安装不良或出现裂纹造成较硬的刃边穿入到较软的表面，若这种磨损数量增加，则零件的损坏己迫在眉捷。滚动磨损颗粒产生于滚动轴承的疲劳过程中，它包括三种不同形态：疲劳剥离磨屑、球状磨屑和层状磨屑，疲劳剥离颗粒是在点蚀或麻点形成时由剥离的实际材料构成的。球状磨屑是在轴承的疲劳裂纹产生的。层状磨屑是因磨屑粘附于滚动元件的表面之后，又通过接触辗压而形成的，在这种磨屑上经常可以见到空洞。滚动滑动磨损颗粒，一般产生于齿轮的啮合过程中，此磨屑具有光滑的表面和不规则的外形。严重滑动磨损，当滑动表面由于载荷或速度过大而出现的磨损现象称为严重滑动磨损，这类磨屑表面有划痕，有直的棱边。长轴尺寸与厚度的比约为10:1，随着这类磨损程度的加重，表面的划痕和直边也很显著。 图2-2 磨损状况与磨损颗粒尺寸及数量的关系 铁谱定量分析现状 一般说来，机器的磨损状态的变化与润滑系统中磨损颗粒的尺寸和数量的变化相对应，见图2-2。 目前比较通用的定量方法是以谱片入口端55mm处的光密度值做为大颗粒数AL，以50mm处的光密度值为小颗粒数AS，尺寸值介于7-15µm的为大颗粒，2-5µm的为小颗粒，计算Is值Is=(AL十AS) ·(ALAS)，根据Is的变化情况来判断磨损状态的变化。 6 华东交通大学毕业设计 2.3 润滑油理化指标分析及技术现状 2.3.1 定性分析 润滑油物理化学性能是决定其使用性能的基础，并且是由其分子组成决定的。因此，判断一种润滑油是否符合某种机械的使用要求，首先必须对其进行理化性能测试，在各种润滑油的标准中主要是对其理化性能要求进行规定。润滑油的理化性能指标定性分析就是根据该种润滑油的理化性能要求进行分析，判断其是否符合设备的使用要求，来保证设备的正常润滑。 油液理化指标及污染度检测的分析机理在于油液的物理、化学性能指标的变化，反映油液的劣化变化程度，表明油液性能下降程度，超过一定的数值，就应更换油液；另外油液被其他油液稀释、水分或杂质污染程度也可通过理化性能变化和污染度来检测。其主要分析的理化指标有：粘度、PH值、闪点、水分、机械杂质、颗粒数、积炭、乙二醇、氧化等。 2.3.2 定量分析 定量分析主要是对使用中的润滑油进行的质量分析，根据润滑油理化指标的变化量来判断润滑油是否能够继续使用，从而实现润滑油的按质换油。目前，国内矿山企业实现发动机润滑油按质换油的很少，这是一个处在争议和探索的领域，有人认为润滑油的费用在整个设备检修成本中所占的比例较小，没有必要延长换油周期。本文认为，润滑油的使用必须保证质量，固定的换油周期内不一定保证所有油质量都合格，不同的设备状况使润滑油变质的速度不一样，有的油品在固定使用期内也许已经变质，因此润滑油理化性能的定量分析首先保证了用油质量，其次延长了换油周期。是一个具有探索意义和价值的领域。 7 李飞荣：柴油机油液分析与故障诊断 3 机车柴油机简介及其润滑系统 3.1 本文的分析对象 本文的油液分析数据鹰潭工务机械段九江检测车间提供，不是作者本人实验所得。数据的来源设备是61型捣固车。捣固车适用于铁路线路的新线施工、既有线大中修清筛作业后和运营线路维修作业，对轨道进行自动抄平起、拨道、道碴捣固作业，提高道床石碴的密实度，增加轨道的稳定性，消除轨道的方向偏差，左、右水平偏差和前、后高低偏差，使轨道线路达到线路设计标准和线路维修规则的要求，保证列车的安全运行，其整个设备的核心是柴油机，它是设备运行的动力源。 3.2 机车柴油机简介 机车在铁路上运行时线路状况不时变化，又需要按计划时间运行，因而要求机车柴油机的转速和功率在相当宽的范围内变化。从运行工况的时间比例来看，部分负荷约占50，空转占40左右，而标定工况的使用时间很少。铁路分布地区广泛，列车运行时的自然环境条件也在改变，这就要求柴油机具有广泛的适应能力。这就要求机车柴油机不仅在标定工况下，而且更重要的是在部分负荷和空转时燃油和机油的消耗量小，经济性应与机车牵引特性相适应；有一个经济性最好的最低空载稳定转速；性能指标随环境条件的变化小；噪声低，排气烟尘和有害成分少；冷机或热机均能连续可靠起动，一般在+5气温时，起动时间不超过10秒。 机车柴油机具有高功率强化柴油机的典型特征,一般为四冲程V型机，以12缸、16缸最为普遍，也有直列式6、8、10缸的。柴油机的宽度和高度受铁路机车车辆限界标准的限制，机车的允许轴重对柴油机重量也有一定的限制。现代机车柴油机不断提高增压度，同时加大气缸排量。大功率柴油机的单机功率已达5000千瓦，平均有效压力为1.32.0兆帕，燃料消耗率为200225克/。柴油机的附件，如冷却水散热器、风扇和空气滤清器等均布置在机车厢内，机油滤清器、机油换热器一般也布置在机车厢内。柴油机几乎都采用电起动方式，只有个别的采用空气起动。调速系统大多采用液压全速调速器，并装有超速停机、油压保护和超温卸载等自动安全保护装置。 机车柴油机是机车的心脏设备，其机械装置主要由汽缸、活塞、轴承、齿轮及垫片等部件组成。这些部件的失效基本是以机械磨损形式存在，各部件磨损颗粒通常都是悬浮在润滑油中，并同时在发动机油底壳汇集。柴油机是多摩擦副机械，结构复杂，有的运动件工作参数变化频繁，润滑条件较差。为保证机车运行的可靠，对机车柴油机运行工况的监测和维护保养就显得十分重要。 3.3 机车柴油机的润滑系统 机车柴油机润滑系统的功用是把清洁、具有一定压力和温度的润滑油送到各个运动部件的摩擦表面进行强制润滑和散热，以保证机车柴油机运动部件能够可靠地工作。润滑系8 华东交通大学毕业设计 统的主要作用：润滑作用对运动零部件进行润滑，在运动部件摩擦表面形成油膜，避免金属直接接触，从而减少了零部件之间的摩擦和磨损，提高了零部件的寿命，同时也减少了摩擦损失，提高了机械效率；净化作用利用润滑油冲洗零件表面，带走摩擦时产生的金属细末和杂质，从而避