機械設備摩擦磨損標準鐵譜圖譜分析技術研究

姚春江，陳小虎，陽能軍，幕連好，袁曉靜

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機械設備摩擦磨損標準鐵譜圖譜分析技術研究

姚春江1，陳小虎1，陽能軍1，幕連好2，袁曉靜1

（1.火箭軍工程大學 作戰保障學院，陜西 西安 710025；2.火箭軍駐濟南地區軍事代表室，山東 濟南 250010）

針對鐵譜分析圖譜識別與診斷困難的問題，運用長期積累的知識和鐵譜圖，根據機械設備摩擦磨損的規律、形式與磨損程度，對鐵譜圖形進行分類分級，形成了正常、切削、滑動、疲勞和復合五大磨損磨粒。對各類磨損磨粒進行分級，定義各類各級鐵譜磨粒的特征，形成了標準鐵譜分析圖，為鐵譜圖的可靠分析提供重要的參考。

鐵譜分析；摩擦磨損；鐵譜圖

機械設備運行過程中必然會出現摩擦磨損，磨損會降低機械設備工作效率、加速機械報廢時間、引發安全問題。機械的磨損顆粒都被潤滑油吸收，油液監測技術是通過檢測分析潤滑油中磨損顆粒的濃度、尺寸、數量等特征[1-2]，來判別潤滑油質量，診斷設備的運行狀態。

機械設備摩擦磨損是一個復雜過程，設備在不同的運行環境、不同的狀態下會產生不同的磨損顆粒，磨損顆粒的形狀、大小、數量等特征能夠有效反映設備當前運行的健康狀態。

鐵譜分析技術[3]是從潤滑油液中獲取磨損顆粒，并對顆粒的形狀、尺寸、材料及分布濃度等進行分析，獲得一系列的特征信息，來監測設備運行狀態、診斷設備早期故障，確保設備可靠運行。

鐵譜圖譜的精確分析是運用鐵譜分析技術監測設備運行狀態、診斷設備故障的前提。鐵譜分析技術對分析人員要求較高，需掌握專業的設備潤滑與圖譜分析技術，其分析與診斷的精確性很大程度取決于人的知識和經驗[4]，而分類分級的標準圖譜有助提高分析的精確度和可靠度。

本文利用長期積累的設備潤滑鐵譜圖片及對設備潤滑管理與故障診斷知識，對設備鐵譜圖進行分類分級，形成標準的鐵譜分析潤滑圖譜，為機械設備的鐵譜分析提供標準和參考。

1 鐵譜磨粒分類

1.1 磨損基本形式

磨損是機械設備接觸面相對運動而不停消耗的現象，也是設備運行的必然產物。機械設備在不同運行階段，其磨損狀態與磨損顆粒不同，人們可以利用磨損的程度和磨損顆粒形貌、大小判斷設備運行狀態，監視設備的正常運行。

機械設備主要的磨損形式以下五種[5-7]。

（1）正常磨損。是機械設備在相互接觸的表面上來回滑動及碾壓，然后發生疲勞，由于疲勞在縱向出現裂紋，接著向水平方向發展、脫落，最后形成磨粒。正常磨損就是混合層不斷剝落、再生成、再剝落的過程。

（3）磨料磨損。是指機械設備摩擦副表面上有硬質顆粒或表面上有硬的凸體，在摩擦過程中引起的材料脫落。磨料磨損主要分為二體磨料磨損和三體磨料磨損。

（4）疲勞磨損。是相互接觸的材料表面在交變應力的作用下發生疲勞，造成材料不斷損耗脫落的過程。

（5）腐蝕磨損。是相對運動的兩摩擦副表面，材料表面與有具有腐蝕性的介質相互作用，從而發生的一些化學或電化學反應，導致表面材料損耗的現象。

1.2 鐵譜磨粒的分類

不同的磨損形式會產生不同的磨損磨粒，磨損磨粒的形貌能夠有效反應當前的磨損形式，進而判別設備當前處于什么樣的磨損。

因此，根據磨粒的形貌與磨損形式，鐵譜磨粒可以分為以下五種。

（1）正常磨損磨粒。是指機械設備正常磨損時所產生的磨粒。根據磨損機理和形式，正常磨損磨粒是切混層部分剝落的結果，典型尺寸范圍為0.5～15 μm或者更小，厚度為0.15～1 μm，長軸與厚度之比為3:1～10:1，表面光滑，如圖1（a）所示。

（2）切削磨損磨粒。是由磨粒磨損產生的磨粒，其形狀類似于從車床上切下來的切屑，成帶狀、細條狀和螺旋狀。平均尺寸寬約2～5 μm、長約25～100 μm、厚度約0.25 μm，如圖1（b）所示。出現這種磨粒時，表明設備已經進入非正常磨損時期。

（3）滑動磨損磨粒。是在滑動磨損條件下，摩擦副表面應力超過極限，剪切層遭到破壞，形成的磨損顆粒脫落。一般為塊狀或條狀，表面帶有滑動條紋，有整齊的切口，長度和厚度之比約為10:1左右，如圖1（c）所示。

物化不僅支配著工人的命運,也支配著整個社會。因為人與人的社會關聯正是在實踐中才得以生成,當感性的對象性活動在商品化的生產過程遭遇阻隔,人的實踐活動被時間的空間化所割裂開來,那么在物化的規制下進行的勞動,則不再是屬人的了,就再也不能作為社會中維系人與人交往的紐帶。因此,在資本主義社會中的人,無論身處哪個階級,他只是被打散了的孤立單子而已。一旦取消了勞動所具有的社會聯結功能,物化就掌握了這個社會的命運。

（4）疲勞磨損磨粒。是在交變應力作用下，表面產生裂紋并擴展剝落形成的。疲勞磨損磨粒主要有疲勞剝落磨粒和球狀磨粒。疲勞剝落磨粒通常為光滑的表面和任意不規則界面，并且具有剝落麻點和極小的磨屑。其尺寸大約為10～100 μm，寬為15～25 μm，長度和厚度之比約為10:1左右。球狀磨粒是滾動軸承特有的疲勞磨損磨粒，其直徑一般在1～5 μm，如圖1（d）所示。

（5）復合磨損磨粒。是在極高負荷和速度下，產生的熱量使油膜破裂，產生粘著和疲勞。磨粒具有粗糙的表面和鋸齒形的周邊，大顆粒表面上有擦痕，其尺寸大小在1～150 μm，主要尺寸與厚度之比在4:1～10:1，如圖1（e）、（f）所示。

圖1 不同磨損類型的鐵譜圖

2 鐵譜磨粒磨損程度分級

鐵譜磨粒的類型能夠有效反應當前設備處于什么樣的磨損狀態，但是不能有效反應當前設備摩擦磨損的程度，不能有效判定當前設備處于的故障級別。因此，本文根據長期積累的經驗，對現有的大量鐵譜分析圖譜進行了分類分級，為鐵譜技術分析提供圖譜標準。

根據設備運行狀態與摩擦磨損分析，將標準鐵譜分為10級，其中正常磨損分為1～10級，其他磨損狀態分為3～10級，不同分級代表著機械設備早期磨損直至嚴重磨損過程中不同磨損程度的典型磨損磨粒特性。

2.1 正常磨損磨粒分級

正常磨損磨粒分級分為10級，如表1所示，隨著級數的增加，其磨損程度從輕度磨損逐漸過渡到嚴重磨損。部分典型正常磨損磨粒分級圖譜如圖2所示。

表1 正常磨損分級標準

圖2 典型正常磨損磨粒分級圖

因正常磨損磨粒尺寸較小（通常小于30 μm），數量大，很難根據尺寸分布確立可量度的標準。因此，標準圖庫根據DR（DS＋DL）的濃度（DS代表大顆粒＞5 μm所含濃度、DL代表小顆粒1～2 μm所含濃度）定義不同磨損程度等級。從7級以上通常是長期高負荷工作下磨損比較嚴重的程度。

2.2 其他磨損磨粒分級

相比于正常磨損磨粒來說，切削磨損磨粒、滑動磨損磨粒、疲勞磨損磨粒和復合磨損磨粒要大很多，所以它們的分級主要依據磨粒的尺寸大小，根據不同磨損程度對應的不同磨損磨粒大小進行分級，依據磨粒對應的磨損程度，分為3～10級，如表2～表5、圖3～圖6所示。

表4中，9級顆粒氧化，呈現藍或暗黑的回火色，大球形顆粒，氧化顆粒最大直徑50 μm；10級顆粒氧化明顯，形成黑色氧化物，大的球狀顆粒，氧化顆粒最大直徑100 μm。

表5中，3～6級由正常磨損、異常滑動磨損顆粒和早期片狀疲勞磨損顆粒組成；7～9級由異常滑動磨損顆粒及疲勞磨損顆粒組成、10級由嚴重異常滑動磨損顆粒和疲勞磨損顆粒組成，嚴重氧化，顆粒最大直徑大于100 μm。

表2 切削磨損磨粒分級

圖3 典型切削磨損磨粒分級圖

表3 滑動磨損磨粒分級

圖4 典型滑動磨損磨粒分級圖

表4 疲勞磨損磨粒分級

圖5 典型疲勞磨損磨粒分級圖

3 結論

針對潤滑油液鐵譜分析技術中鐵譜圖片難以分析的問題。運用長期積累的知識與收集的大量潤滑油液分析鐵譜圖片，根據機械設備摩擦磨損的規律，對鐵譜圖按照磨損的形式進行分類，形成正常、切削、滑動、疲勞和復合五大磨損磨粒，并根據磨損嚴重程度，對各類磨損類型進行分級，定義了各級磨損磨粒，形成了各類各級典型標準圖譜。本文形成的標準鐵譜分析圖譜，可以有效提高鐵譜分析的可靠度、降低對分析人員的專業要求，同時可以為鐵譜圖譜的自動分析提供標準支持。

表5 復合磨損磨粒分級

圖6 典型復合磨損磨粒分級圖

[1]陳卓. 淺淡潤滑油的鐵譜分析[J]. 山東工業技術，2015（1）：43.

[2]嚴昌勇. 鐵譜分析在生產中的應用[J]. 有色設備，2016（5）：37-39.

[3]張鄂. 鐵譜技術及其工業應用[M]. 西安：西安交通大學出版社，2001.

[4]李群，劉同岡，張弛，趙金寶，張海聰. 煤礦機械磨損工況鐵譜綜合分析方法研究[J]. 煤炭技術，2017（36）：291-293.

[5]畢舉. 鐵譜圖像磨粒分割評價方法的研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2016.

[6]秦潤軒，卞磊，張紅磊. 鐵譜分析法在某型船舶柴油機的故障診斷中的實際應用[J]. 中國修船，2015（2）：36-39.

[7]劉江然. 基于油液分析的盾構機狀態監測技術研究[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

Research on Standard Ferrography Atlas Analysis Technology for Friction and Wear of Mechanical Equipment

YAO Chunjiang1，CHEN Xiaohu1，YAN Nengjun1，MU Lianhao2，YUAN Xiaojing1

( 1.Combat Support College, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China; 2.Military Representative Office of Rocket Army in Ji’nan, Ji’nan 250010, China)

In order to solve the identification and diagnosis difficulty of ferrography analysis atlas, Classification and classification of Ferrography are established by using knowledge and long-term accumulation of iron ferrography, and according to the regularity, form and wear degree of friction and wear of mechanical equipment. Five wear debris are formed, including normal wear, cutting wear, sliding wear, fatigue wear and composite wear, The classification of various wear debris is carried out, and the various levels characteristics are defined, and a standard ferrography analysis atlas is formed. This provides an important reference for the reliable analysis of ferrography.

ferrography analysis；friction and wear；ferrography atlas

TH117.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.015

1006－0316 (2018) 07－0063－05

2018－02－02

姚春江（1979－），男，浙江嵊州人，博士，講師，主要研究方向為裝備維修保障。