机械设备摩擦副的监测诊断

       机械设备的故障与其零部件材质、制造精度、装配精度有关，也就是与构成机械设备的摩擦副状态有关。在机械设备运行中加强对摩擦副进行状态监测诊断，就可以预先发现设备的异常，及时采取技术措施，从而避免或推迟故障发生，确保设备的正常运行。所以研究机械设备摩擦副的监测诊断不仅为企业解决现场问题，而且可以为企业带来可观的经济效益。

一、使用多种监测诊断技术对机械设备摩擦副监测诊断

       摩擦副的摩擦、磨损过程是复杂的物理、化学及力学等变化的过程，所以应从多方面对反映出的信息(例如温度、振动和噪声、磨损量等)来监测，并对结果进行综合分析，则可准确地估计和预报设备的异常。
　　1、摩擦副表面温度的监测诊断
　　摩擦副在工作过程中，有的工作表面很快能产生高温，并且很快从表面向内层扩散，温度场的分布与两表面粗糙度、摩擦副材料的导热性、结构尺寸、工况条件及散热条件等均有关。最终摩擦表面温度将取决于摩擦发热和结构散热的平衡。
　　摩擦表面温度对摩擦磨损性能影响很大。它可以改变摩擦副材料的性能，一般情况是，温度高，材料硬度降低，磨损随之增加；它还改变润滑油品的性能，当温度升高时，易引起润滑油品氧化和热降解。所以对摩擦副表面温度进行监测诊断是很重要的。
　　摩擦副表面温度监测最常用的接触式测温仪表是热电偶温度计，它结构简单，便于安装，准确度高，热惯性小，便于远距离传送信号。在非接触式测温方式中，红外测温技术及仪器得到了迅速的发展和应用，例如：红外点温计、红外热像仪、红外电视和红外成像系统等，它们已较为广泛应用在电力、交通运输、冶金、化工、电子等行业。
　　2、振动和噪声的监测诊断
　　机器在正常运行时，其振动状态参数(例如频率、振幅等)是在一定范围内的，当机器出现故障时，振动的形式及其状态参数值会有较大的变化，甚至发出不同程度的噪声，利用振动测量系统就可以诊断故障发生的原因和部位。振动监测技术适用于机械设备的轴承、齿轮等摩擦副，也适用于旋转机械转子不平衡、转子不对中等引起的机组振动。
　　随着振动监测诊断技术的不断推广和深入，信号分析仪已朝着操作简单、携带方便、后援软件支持强大等方面发展，例如ENTEK公司的EDL数据采集器/频谱分析仪、B&K公司的2526分析仪等。
　　噪声监测诊断是通过噪声测量和分析来确定机器设备故障的部位和程度，现场实用的方法有近场测量法、表面振速测量法、频谱分析法、声强法等，其中频谱分析法是一种识别声源的重要方法，它是利用噪声测量分析系统对噪声信号进行功率频谱分析以确定主要噪声源，从而确定噪声增加的原因和故障部位。近年来用声强法来识别噪声源的研究进展也比较快，已有多种用于声强测量的双通道快速傅里叶变换分析仪出现，仪器中声强探头具有明显的指向特性，在现场作近场测量，既方便又迅速。
　　3、磨损量的监测诊断
　　磨损量是评定摩擦副材料的耐磨性和机械零件磨损程度的一个重要指标，它的测量方法可分为离线测量和在线测量。离线测量有称量法(称量零件磨损前后的质量变化)、测量法(测量零件磨损表面的法向尺寸变化)、表面轮廓法(利用表面形貌仪测出零件在垂直于磨损轨迹方向上的表面轮廓图形和各种表面形貌参数的变化量)等方法。离线测量法只能确定摩擦表面磨损量的总值，不能确定磨损量在摩擦表面的分布情况，而且需要拆装机器零件，易改变摩擦副的相互位置，破坏摩擦副表面的磨合性能。
　　在线测量是在机器运行中实时磨损监测，它反映出零件在摩擦过程中磨损变化的情况，该方法的出现使磨损监控、预测技术达到新的水平。这种方法就是放射性同位素法，它是先将零件进行放射性同位素自动辐照活化处理，使其具有放射性，然后通过测定活化后磨损微粒的放射性强度的变化来推算出相应的磨损量。这种方法测量精度很高，可达10-5～10-6g，而且可以在机器运转中自动记录零件磨损量的变化，随时得到磨损的测量结果。90年代初，德国已实现了从辐照活化零件到测量仪器制造与在线实时磨损测量的全过程，应用水平居世界领先地位。

　二、润滑油品分析诊断技术是机械设备摩擦副监测诊断的重要技术

       润滑油品分析诊断技术就是从机械设备润滑系统的润滑油中获取各种信息，从而对机械设备摩擦副的磨损与润滑状态进行监测诊断。综合采用润滑油品分析诊断技术可以满足机械设备故障诊断的四个基本要求，即指出故障发生的部位、确定故障的类型、解释故障发生的原因、预告故障发生的时间。该技术已对发动机系统、齿轮传动系统、轴承系统、液压系统等的监测诊断卓有成效，成为机械设备摩擦副监测诊断的重要技术。
　　润滑油品分析诊断技术包括油品性能分析技术和油品中磨损微粒监测诊断技术两类。两类技术均以摩擦学理论及设备诊断学为基础，在应用时相辅相成，互相补充。
　　1、润滑油品性能分析
　　润滑油品在使用过程中由于氧化、凝聚、水解、分解等作用，使油品变质和油品中的添加剂消耗、变质，导致润滑性能变差。所以应对机械设备的在用润滑油品定期进行性能分析，动态监测油品质量变化情况，以确定科学、合理、经济的换油周期和保证机械设备处于良好的润滑状态。
　　实验室使用的运动粘度测定仪、闪点测定仪、机械杂质测定仪、水分测定仪等油品性能分析仪器，具有测试精度高、测试方法符合标准的优点，但不能用于现场监测。便于现场监测的油品性能分析仪器发展很快，在众多的仪器中，美国超谱公司的PAI油料测试仪器工具箱由于监测项目多、重量轻、尺寸小、便于携带而受到欢迎。它可以监测的项目有粘度、总碱值、总酸值、污染度、含水量、氧化度、积炭、硅含量、金属磨粒含量、燃油稀释度等。
　　在用润滑油品污染度监测可采用遮光型自动颗粒计数器、激光型自动颗粒计数器、电阻型自动颗粒计数器、dcA便携式污染监测仪等。其中dcA便携式污染监测仪是美国DIAGNETICS公司最新推出的一种在线监测油品污染仪器，该仪器携带方便、操作简单。
　　由于红外吸收光谱技术可以获得分子结构化学变化的信息，所以根据红外吸收光谱技术研制成的FT-IR红外光谱仪，可以从新润滑油与在用润滑油的特定波数所对应的吸光度谱线峰位的差别中，定量地监测在用油品中有机化合物的污染影响程度。它还可以监测在用油的氧化物、硫化物、硝化物、积炭、水分、燃油稀释度、砂粒灰尘的污染度，以及添加剂降解情况。
　　内燃机油、齿轮油、液压油等油品性能分析时，一般要考虑其质量指标，尤其是油品的承载性能。承载性能评价的试验方法在世界各工业发达国家都已经标准化，有很强的可比性和通用性，它不仅可以测试润滑油品的抗磨性，而且广泛用于控制油品质量和开发研制新油品。
　　2、润滑油品中磨损微粒的监测诊断
　　在用润滑油中的磨损微粒包含着有关零部件的磨损状态、机器工况以及系统污染程度等丰富信息，通过对磨损微粒的监测，在不停机、不解体的情况下即可推断出设备发生异常磨损的部位、原因及发展趋势。
　　润滑油品中磨损微粒的监测诊断技术主要是铁谱技术和光谱技术。铁谱技术是利用高梯度强磁场作用，将在用润滑油样中分离出磨损微粒，借助仪器去检验分析磨损微粒的形貌、大小、数量、成分等，进而对相关摩擦副的磨损状态、机械设备的运转状态进行诊断。由于分离、检测磨损微粒方法的不同，研制出不同的铁谱仪，例如，在实验室里使用的有直读式铁谱仪、分析式铁谱仪、旋转式铁谱仪等。现场自动连续监测的，直接装在润滑系统中的在线式铁谱仪有：OLF-1型在线铁谱仪、ZX-1智能在线铁谱仪、MODEL56磨粒铁谱仪等，它们都具有自动完成定时采样、数据分析、显示、打印、通信及声光报警等功能。
　　润滑油光谱分析技术可以有效地监测在用润滑油品所含磨损微粒的成分及其含量的变化。光谱分析技术可分为原子发射光谱技术(AES)和原子吸收光谱技术(ASS)，相应的仪器有原子发射光谱仪和原子吸收光谱仪。原子吸收光谱仪分析灵敏度高，分析可靠，但由于存在油样预处理较繁、待测多种元素需多个元素灯等缺点，致使操作麻烦、分析速度慢。原子发射光谱仪由于操作简单、油样不须处理、分析速度快、分析精度高等优点而发展很快，它特别适合含有多材质摩擦副(例如发动机系统)的设备群体监测。具有代表意义的仪器有美国SPECTRO INCORPORATED公司的超谱M型油液分析直读光谱仪，美国BAIRD CORPORATION公司的FAS-2C型油料分析光谱仪和MOA型油料分析光谱仪。
　　超谱M型油液分析直读光谱仪是美国三军机械设备状态监测采用的仪器，是目前世界上公认的最先进的轻便型油液分析光谱仪。它可以定量检测润滑油及燃油中的磨损微粒、污染元素、添加剂成分等，其检测精度高、分析速度快、操作简便，由于仪器采用全封闭，故可以用于污染环境下现场监测。
　　MOA型油料分析光谱仪是在FAS-2C型油料分析光谱仪基础上研制出的小型、轻便式多元素油料分析光谱仪。它分析速度快，一小时可分析60个油样，并突破了光谱仪不能检测大磨损微粒的限制，可以检测A1、Fe、Ag、Si、Ti、Mg等六种元素的较大颗粒。它也具有分析燃油成分的功能，可判断燃油是否变质或被污染。由于仪器小型、轻便、对环境条件要求不高，所以也适宜现场监测。
　　机械设备的故障形式多种多样各不相同，原因是复杂和交错影响的，故障源也可能是多源头的，所以应综合采用多种监测技术和手段，再借助于专家的知识和经验或专家系统，才能够可靠地诊断机械设备的状态异常或摩擦副故障的部位和原因。