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1、铁谱分析技术的研究进展第21卷第12期2007年12月化工时刊ChemicalIndustryTimesVo1.21,No.12Dec.12.2007铁谱分析技术的研究进展尹新李梦媛(南京铁道职业技术学院,江苏南京210015;*南京市第十三中学,江苏南京210008)摘要化工设备正向系统化,精密化,自动化和高速化的方向发展,机械设备运行状态的监控和故障诊断技术备受关注.本文介绍了铁谱分析技术的原理和特点,总结了铁谱技术在润滑剂性能评价,生物,医疗领域及运转装置的状态分析,预测中的应用和研究,指出了利用铁谱技术监控运转化工机械设备的研究及计算机辅助铁谱诊断设备运行系统软件的开发具有广阔的前景.
2、关键词铁谱技术故障诊断化工设备专家系统ProgressinFerrographyYinXinLiMengyuan(NamingInstituteofRailwayTechnology,JiangsuNaNing210015;*NamingThirdteenthMiddleSchool,JiangsuNaming210008)AbstractThechemicalequipmentisintheurgentsituationtobemoresystematical,delicate,automaticandhi【ghspeed,technologyofmonitoringtheoperating
3、equipmentandmalfunctiondiagnosingbecomesmoreandmoreimportant.TheprincipleandcharacterofFerrographywereintroduced,whichsumedupitsapplicationandprogressinabilityoflubricant,biology,medicaltreatmentaswellasanalysisoilinrunningequipment.Theissueofmakinguseofferrographtomonitorrunningchemicalequipmentand
4、tobuildaexpectsystembycomputeradditiondiagnosissign/ficantinthefutureWS,Spro-posed.Keywordsferrographymalfunctiondiagnosischemicalequipmentexpertsystem20世纪70年代初期,国际上出现了一种新的磨粒检测技术铁谱技术(Ferrography).它是由美国麻省理工学院机械系的w.W.Seifert和美国Foxboro公司的V.C.Westcott共同研究并命名的.它的基本原理】是可在正常运行设备中抽取少量的润滑油样,经过一定的处理,利用专门设计的高梯
5、度强磁场装置,把油样中金属磨损磨粒分离出来,进行磨粒,形状及组成等的定性和定量分析.铁谱分析主要由直读式铁谱仪和分析式铁谱仪进行油样的检测分析,以获得机械磨损的可靠信息,再由专家系统等相关软件据检测结果诊断机械磨损的部位,性质和程度,并作出运转设备故障预测等.铁谱分析技术对于摩擦系统的各种摩擦故障的诊断十分敏感,它可在不停机的情况下通过分析油液中的微粒,检测出系统中一些不收稿日期:20071031作者简介:尹新(1964),女.硕士,副教授.研究方向:生物化工?_54_正常磨损的轻微征兆.上世纪80年代,铁谱技术逐步传人我国并得已发展.而今铁谱技术在国内外应用范围涉及石油化工,生物及医疗工程,
6、航空,航海,铁路等各个领域,并在发挥越来越重要的作用.道夔查塑型生研究与应用利用铁谱分析可检测出润滑油中的润滑剂,添加剂以及金属磨擦修复剂等在摩擦,磨损过程中形成的反应产物,可进行润滑剂的配方和评价润滑油性能的研究.20世纪70年代,ScottD3】和RedaAA【】通过对润滑油试验的铁谱观察研究认为:不同的润滑油在相互作用的摩擦表面上形成的摩擦聚合物是不同的,规尹新等铁谱分析技术的研究进展2007.Vol_21,No.12目圆格相同但添加剂配方不同的润滑油在相互作用的表面上形成的摩擦聚合物也不相同.英国Swensea大学的JonesWREsJ曾用铁谱和光谱两种分析方法进行了柴油机润滑添加剂对
7、发动机磨损性能影响的研究,结果表明:该添加剂起着控制腐蚀磨损的活化剂作用,防止了表面的严重磨损.此外,JonesWR采用铁谱技术在4X10kJ柴油机上进行了润滑油化学添加剂对气缸磨损性能的研究,结果表明:润滑油中加入添加剂的含量不同,其气缸磨损程度亦不同.1984年西安交通大学润滑理论及轴承研究所【6,7采用铁谱技术为一种新型活塞压缩机的润滑油及其最佳运行工况的选配进行研究,取得了满意的结果.1999年徐敏8等对润滑油添加剂性能进行研究,3种添加剂硫代磷酸三苯酯(TPPT),磷酸三甲苯酯(TCP)和2一硫醇基苯咪噻唑(MB)以不同的量加入到油样中,得出3种添加剂的最优比例配制以达到最佳的润滑效
8、果.2000年BijwejayashreeJ等对商业车辆中油的使用周期进行比较,评估.徐敏利用铁谱技术对硫代磷酸三苯酯u0J在季戊四醇酯中的摩擦学性能进行研究,结果表明:硫代磷酸三苯酯是良好的添加剂,在高温下性能更优.2003年4月,雷爱莲uIJ在选择内燃机磨合油的研究中指出:采用的两种磨合油规范能完成6113B型柴油机的出厂磨合,其中,采用兰州研发中心研制的9号磨合油能缩短磨合时间,且该磨合油的发动机只有较轻的摩擦,说明其形成的润滑效果更好.2004年尹新等采用铁谱技术对机车中添加了金属摩擦表面改性剂的润滑油的性能和机理进行研究表明,该机车行驶了25000km后,润滑油中金属元素的含量仍在运
9、行正常浓度的范围,且金属元素质量浓度的含量变化趋于平缓,金属摩擦表面形成了超硬,超滑的保护层.日铁谱技术在生物及医疗领域中的应用研究与应用铁谱技术成功地应用于人体关节润滑液的分析.人膝关节发生磨损时,将产生磨粒,这些磨粒由关节结构材料组成,通过磨粒的铁谱分析可研究其磨损状况及机理,成为人体关节炎关节及退化关节诊断和人体移植关节磨损研究的辅助手段.这一起源于机器润滑油中磨粒分析与检测的工业技术,已进入到生物及医疗技术领域,已能实现对人体骨关节润滑液中的有机物磨损颗粒的分离,检测与相关诊断.1977年,美国MearsDC,HanleyEN等将铁谱技术应用于人体移植关节及人体关节磨损情况的检测研究,
10、认为采用该技术对润滑液的分析是研究人造关节和退化关节的磨损率及其生物学特性的一种十分有用的方法.在手术关节更换中,这一技术不仅用作关节磨损检测,而且还可以作为关节移植设计和材料选择的一种先进辅助手段.1980年EvansCH,BowenEFLMJ等开发一种使人膝关节滑液中磨粒磁化并进行铁谱分析的方法.利用铁谱技术对人膝关节滑液的抽出物和关节生理盐水冲洗液进行磨粒分析.它可能成为一种无损伤,评定关节磨损率和研究磨损机制,病理的手段.这种技术可作为骨性关节炎与类风湿关节炎的早期鉴别诊断,治疗评估和病程预测的新方法.1985年MearsDC,EvansCHu,等从病人的关节中抽取滑液,在分析式铁谱仪
11、上,液样被微量泵输送到与磁铁呈一定角度的玻璃基片上,磁化的磨粒在磁场的作用下,由小到大依次沉积在玻璃基片上,将该玻璃基片在显微镜下观察发现:关节炎病人的关节滑液中有异常的不同粒径的磨损磨粒.1998年顾正秋,娄思权6J等对5位骨性关节炎和5位类风湿关节炎患者的关节滑液中的磨粒铁谱分析发现:骨性关节炎滑液中的软骨磨粒为条,块状,而类风湿性关节炎滑液的软骨磨粒呈球状.利用双色显微镜可清楚地观察到铁谱基片上的骨,软骨和纤维组织磨粒.铁谱技术通过对人膝关节滑液中磨粒的定性及定量分析,初步研究结果表明:类风湿性关节炎关节磨损机制为粘着磨损,骨性关节炎关节的磨损机制以疲劳磨损为主,而重症骨关节炎关节磨损伴
12、有犁削作用,导致产生大量骨磨粒.口遭夔查鋈整菱重奎坌堑预测中的研究与应用铁谱技术可通过对机器润滑油中磨粒的分析,对设备运行状态进行监测及故障诊断.它所研究的对象可以从一对简单的摩擦副到一个复杂的摩擦系统.一55目圈2007.V.I.21,No.12论文综述OvewiewofThesises)该技术在飞机,汽车的发动机及铁路机车,船舶,船艇的柴油机中研究应用较多.随着现代产业的机械化,自动化程度的提高,运动机械故障,事故引发的后果越趋严重.根据摩擦学的原理,通过铁谱技术对这些故障事故的早期诊断和预报的研究就越显重要.2O世纪7O年代,ScottD,WestcottVCE17,18对飞机发动机润滑
13、油中的铁元素磨损磨粒的分析式铁谱检测表明:润滑油中金属铁磨损磨粒的粒径稳定在23m时,发动机磨损状态未发生异常.1989年Corsos等【193对发动机的金属磨粒进行研究指出:从润滑油中的某些大磨粒可预测发动机的异常磨损.1992年PoleyJ检测分析了小型柴油机运行中的润滑油,初步讨论了通过对铁元素和硅元素磨粒的检测来监控与预测柴油机运行状态的方法.2000年刘玉斌等lj利用铁谱分析技术制成发动机在用机油谱片,研究了谱片上磨粒总量累积效应和大磨粒总量累积效应两个参数与发动机运行状态的对应关系,指出根据谱片上磨粒的数量,形状,粒径,表面形貌及颜色,可以确定发动机故障原因及其部位.2001年Kr
14、etheRE2J在铁谱技术的可能性一文中指出,原子发射光谱分析的不足就在于其所能检测的磨粒粒径范围较小(<5m)以及不能确定磨粒的形貌特征,而油液中磨粒的粒径在5至15m至几10m的过渡区间,一般正是设备从稳定磨损向严重磨损转化的阶段.铁谱分析技术可以弥补油料原子发射光谱分析技术的这一缺陷.2002年董海虹L20J通过油液检测诊断了船舶柴油机出现的故障,该研究还提出了金属铁异常磨粒为铸铁大磨粒,磨粒粒径在20m以上,表面粗糙,常带有划痕.铸铁大磨粒的数量,粒径和形状是判断缸套异常磨损的主要信息.最常见的有色金属磨粒为铜磨粒,铜磨粒的特征是金黄色,多为厚片状,反映了连杆小头衬套及一些铜基合
15、金零件的磨损状态.2002,2003年朱少兵,用光谱,铁谱分析对港机状态监测和故障诊断的应用研究中指出:发动机主要磨损颗粒为铁颗粒,在铁磨粒浓度变化不大,但铝,铜,铅,铬的含量升高时,则常伴随有发动机的异常磨损;变速箱主要磨损颗粒为铜颗粒,此时铁磨粒的增加则表明有异常磨损;液压系统对润滑油清洁度要求非常高,任何金属含量升高都表明存在异常磨损.发一56一动机和变速箱出现异常磨损一段时间后,机械设备往往会出现相应故障,但液压系统一旦出现异常磨损颗粒,很短时间内设备就会出现故障.2002年7月麻士琦J利用直读式铁谱对CAT3400系列柴油机油液进行研究,根据这台及其它同类设备的历史运行数据,归纳出如
16、表1所示的判别该柴油机磨损程度并提出相应处理方法的各参数指标值.表1直读铁谱判据表2003年3月周顺J对润滑油中有色金属磨粒的研究发现:铜合金借助其本身的黄红色易于对其作出识别;铅/锡合金磨粒主要来自轴承的铅/锡镀层,它往往是因油膜瞬时中断,金属发生干磨擦而擦伤剥落.因为伴有较高温度,所以铅/锡金磨粒被氧化,有时甚至发生熔化而使其具有圆形边缘,在400倍或1000倍显微镜下观察,其表面可看到桔红色氧化斑点.2003年刘玉斌等8J将柴油机润滑油中的沙砾等杂质有规律地沉积到谱片上,并诊断出叉车柴油机喷油泵柱塞断裂的原因.张冬梅29J用铁谱技术对飞机发动机运行进行监测研究,提出了目前铁谱分析技术的特
17、点和不足,以及铁谱的发展趋势.2004年6月,陈红卫J对铁路内燃机车柴油机磨损进行监测,制定了铁谱分析诊断标准:对于直读式铁谱分析数据,小磨粒浓度(D)值小于1O,大磨粒浓度(DI.)值小于18时,可视为正常磨损,否则视为异常;对于分析式铁谱,正常磨损磨粒在210m以下,呈链状分布,稀疏且排列有序.口垦望随着现代化大生产的发展和科学技术的进步,化工机械设备正向系统化,精密化,自动化和高速化的方向发展.其结果是一方面提高了生产率,降低了生产成本,但另一方面,如果机械设备发生故障造成停机,停产,哪怕只是很短的时间,将会造成很大的经济损失和社会影响.我国化工系统传统的维修管理方尹新等铁谱分析技术的研
18、究进展2007.VoI.21.No.12法是凭经验定期全面拆检所有装置,其耗时长,费用惊人.这样的维修管理往往既造成在定期维修时对大量正常设备的盲目拆检出现重组装负效应,又常常出现生产运行中因隐患造成设备意外故障致使停产乃至突发事故.利用铁谱技术可早期发现异常,预测故障,实现有针对性的主动维修,直至实现计算机辅助维修,以最大程度地减少维修费用,提高设备的利用率,这对提高我国化工企业生产管理水平也具有重要的意义.铁谱检测分析与计算机科学及相关工程学结合,构建计算机辅助维修与管理系统,实现故障诊断处理及运行寿命预测已成为今后铁谱技术的发展趋势,可以相信这一技术也会得到不断完善和发展,它将会应用到更
19、多的领域.参考文献1SeertWW,WesteottVC.AMethodfortheStudyofWearParticlesinLubricatingOilJ.Wear,1972,(21):27422魏海军.油液检测技术及应用J.世界海洋,2004,27(2):51523ScottD.DebrisExaminationAPrognoticApproachtoFailurePreventionJ.Wear,1975,(34):15224RedaAA,BowenR,WesteottVC.CharacteristicsofParticlesGeneratedattheInterfacebetween
20、SlidingSteelsurfaceswearJ.Wear,1975,(34):2612635JonesWR.SphericalArtifactsonFerrogramesJ.Wear,1976,(37):1931956西安交大润滑理论及轴承室.应用铁谱技术进行齿轮磨损状态识别及故障诊断的指南R.西安交通大学科学技术报告,西安:西安交通大学,1987,87927西安交大润滑理论及轴承室.铁谱数据库R.西安交通大学科学技术报告,西安:西安交通大学,1987,87938徐敏.铁谱技术对润滑油中添加剂在磨擦下的研究J.石油炼制与化工,1999,30(3):4951【9Bijwejayashree,
21、Gargamik,Gandhi,0P.ReassessmentofengineoilperiodicityincommercialvehiclesJ.LubricationEnginering,2000,(1):232410徐敏.硫代磷酸三苯酯在季戊四醇酯中的摩擦学性能及作用机理的研究J.润滑与密封,2002,(1)212411雷爱莲,聂钢,孟言俊.铁谱技术在选择内燃机磨合油和磨合规范中的应用J.汽车工业与材料,2003,(4):22.12尹新,张赣道.光,铁谱技术对修复剂性能与机理的研究J.化工时刊,2004,18(12):3537131415161718192021222324252627
22、282930MearsDC,HanleyEN,WesteottVC.,eta1.Feography:ItsApplicationtotheStudyofHumanJointWearJJ.Wear,1978,50(1):115117EvansCH,BowenER,BowenJ.,eta1.SynovialfluidanalysisbyferrographyJ.BiochemBiophyMeth,1980,(2):11EvansCH,MearsDC,MeknightJL.Apreliminaryferrograpliesurveyofthewearparticlesinhumansynovialf
23、luidJ.ArthandRheum,1981,(7):912顾正秋,娄思权,等.人膝关节滑液中磨粒的铁谱学初步研究J.骨与关节损伤杂志,1998,13(3):159160ScottD,MillsGH.AnExploratoryInvestigationoftheAp-plicationofFerrograohytotheMonitoringofMachineryCondi-tionfromtheGasStreamJ.Wear,1978,(48):201208WesteottVC,ScottD.PredictiveMaintenancebyFerrographyJ.Wear,1977,(44)
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