旋轉式鐵譜儀譜片磨粒定量分析方法研究*

(中國礦業大學機電工程學院 江蘇徐州 221116)

鐵譜分析技術[1]在航空、石油、交通、煤炭、機械、軍工等領域有著廣泛的應用和發展。目前，鐵譜分析儀主要有直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀和旋轉式鐵譜儀3種[2]。直讀式鐵譜儀是利用高梯度強磁場作用，使磨粒沉積于玻璃管內壁上，根據透射過玻璃管的光強度來分析沉積磨粒，但只能獲取磨粒的體積信息。分析式鐵譜儀和旋轉式鐵譜儀都是通過形成鐵譜片供進一步觀察分析，以獲取磨粒的形貌、尺寸、顏色、濃度、種類等大量信息。其中旋轉式鐵譜儀制得的譜片沉積面積大，沉積的磨粒密度較低，一定程度上改善了磨粒鄰近和疊加的現象[3]，特別適用于污染和磨損較為嚴重工況的油樣。

鐵譜分析主要有定性分析方法與定量分析方法[4]，這兩種方法均需借助配套儀器才能實現。定性分析方法是通過顯微鏡直接觀測磨粒，獲得形貌、尺寸、顏色等特征參數，但其準確性受分析人員的經驗豐富程度限制，且對分析人員的熟練度要求較高；定量分析方法是直接獲取磨損顆粒濃度、尺寸等定量信息，分析結果較為客觀、準確。CHEEMA等[5]研發了一種便攜式定量鐵譜分析工具，其利用微型攝像機捕獲流經管架形成薄層的油樣中的磨粒圖像，經圖像處理實現磨粒特征參數分析，但該工具只能識別50～300 μm的磨粒。鄭文培等[6]研發了一種制譜與定量分析相結合的分析儀器，通過在譜片平臺上下分別安裝平行光發射器與接收器，經光密度檢測實現鐵譜定量測量。楊志伊等[7]研發的GMJ-1光密度測量儀是通過加裝在顯微鏡上的光密度計實現鐵譜信息定量采集，雖取代了定性分析方法中操作人員的觀測，但其仍需手動測量，測量效率較低，人為誤差較大。

針對GMJ-1光密度測量儀存在的測量效率低，易造成人為誤差等不足，本文作者設計了一種旋轉式鐵譜儀譜片磨粒覆蓋率測量分析系統。該系統通過控制鐵譜顯微鏡電動載物臺的運動路徑，在其成像光路中利用光電傳感器實時采集磨粒覆蓋率信息，采用LabVIEW上位機軟件完成磨粒信息的采集、分析與處理。

1 旋轉式鐵譜儀的定量分析方法

1.1 旋轉式鐵譜儀的工作原理

旋轉式鐵譜儀工作原理如圖1所示，電機驅動磁頭旋轉，油樣從磁頭幾何中心滴加到玻璃基片上，在離心力作用下向四周輻散[7]。油樣中鐵磁性及順磁性磨粒在磁場力、離心力、液體黏滯阻力和重力的共同作用下，沉積在基片上，并且沿磁力線方向(徑向)排列，殘油從基片邊緣甩出，基片經清洗、固定和甩干處理后，制成譜片[8]。旋轉磁頭由永磁體、極靴和磁軛共同構成閉合磁路，極靴上的3個同心環形氣隙作為工作磁場，決定了制譜過程的磁場強度和沉積范圍，磨粒在基片上形成內、中、外3個環形磨粒沉積圈[9]。

圖1 旋轉式鐵譜儀結構示意圖

1.2 譜片的磨粒分布特征

磨粒個體特征(如體積、橫截面積、水平移動速度等)決定了其在譜片上的沉積位置，根據旋轉式鐵譜儀磁頭的構造和磨粒運動具有的隨機性，沉積參數相同的磨粒最終沉積的位置距磁頭幾何中心的距離應該相等。因此，3個同心磨粒沉積圈上所有半徑相等的區域都構成等概率沉積區域[10]。

圖2所示是利用攝像機和光學顯微鏡拍攝的鐵譜圖，其中(A)是由旋轉式鐵譜儀制取的完整譜片，(B)是50倍放大下的內、中、外三圈磨粒圖像，(C)是分別選取三圈中a、b、c 3個視場經400倍放大觀察的圖像。通過圖像(B)可以觀察到，內圈內側為嚴重磨損顆粒沉積比率最大的地方，中圈內側磨粒沉積比率也大于外側，外圈外側磨粒沉積比率高于內側。通過a、b、c 3個視場，觀察到嚴重磨損顆粒集中沉積在內圈，即內圈磨粒尺寸最大，中圈次之，外圈磨粒尺寸最小。內圈內側直觀地反映出嚴重磨損顆粒的種類與數量特征，中圈內側是摩擦聚合物、各種氧化物和弱磁性非鐵金屬顆粒的主要沉積區域，外圈外側集中分布著因腐蝕磨損形成的小尺寸顆粒[11]。通過觀測各磨粒沉積圈磨粒沉積比率最大區域，可以直接獲取磨粒的磨損程度和沉積比率信息，在反映嚴重磨損顆粒種類和數量變化方面，客觀上起到了放大的效果而更敏感，有助于提高分析的準確性[12]。

圖2 鐵譜磨粒分布特征

1.3 定量測量參數選取

旋轉式鐵譜儀譜片定量分析的參數主要有內圈磨粒覆蓋率AI、中圈磨粒覆蓋率AM、外圈磨粒覆蓋率AO、磨損嚴重度AI-(AM+AO)、磨損烈度指數Is和磨粒濃度W等[13]。其中，磨損烈度指數Is能夠表示出機械設備的磨損速度和磨損程度，是定量分析中最常用的判斷指標，靈敏度優于其他指標，它綜合反映了機械設備的磨損速率和磨損量。

根據楊志伊等的研究[11]，在同一等概率沉積區隨機選取8個視場進行定量觀測，其平均值能夠以90%以上的置信概率代表相應的等概率沉積區所有磨粒的定量參數值。結合磨粒分布特征，每個磨粒沉積圈只需采集8個磨粒覆蓋率最大值，其均值即可代表該磨粒沉積圈的磨粒覆蓋率。因此，磨損烈度指數Is計算公式修正為

(1)

2 測量分析系統的自動測量方法研究與裝置設計

2.1 磨粒覆蓋率測量方法確立

根據旋轉式鐵譜儀譜片上磨粒的等概率沉積規律，每個磨粒沉積圈磨粒覆蓋率最大的區域位于同一等概率沉積區，呈圓環狀，采集鏡頭沿徑向由譜片中心到邊緣，必然會采集到磨粒沉積比率最大的視場。基于此，提出如下磨粒覆蓋率測量方法：電動載物臺運動，使顯微鏡鏡頭由譜片中心沿徑向移動，實時采集譜片內、中、外環的磨粒覆蓋率，并依次提取各環最大值。每環等間距選取8條采集路徑，共獲取24個磨粒參數信息，再經均值處理獲取各磨粒沉積圈的磨粒覆蓋率均值。

2.2 測量分析系統自動測量裝置的設計

如圖3(a)所示，測量分析系統由數據采集模塊和運動控制模塊組成，通過LabVIEW上位機應用程序實現數據采集、分析、處理和電動載物臺運動控制。

圖3 測量分析系統組成與測量原理

數據采集模塊主要由透射光源(科信儀器，DM-9068型)、光電傳感器(龍信達科，LXD1010CE型)、I/V轉換放大器、濾波器、數據采集卡(阿爾泰，USB3202)和計算機等組成。其中，透射光源安裝在顯微鏡底座上，光電傳感器安裝在鐵譜顯微鏡第三目上。圖3(b)所示為系統測量原理，當透射光透過無磨粒潔凈玻璃基片時，光電傳感器感應光信號并轉換成原始電壓信號，經信號放大、濾波、信號采集，最終傳輸到上位機LabVIEW應用程序中，經數值處理，顯示出當前磨粒覆蓋率數值為0.0；當無透射光透射時，由光電傳感器獲取的原始電壓信號經傳輸、處理，顯示出當前磨粒覆蓋率數值為100.0。對系統的磨粒覆蓋率“0.0”值與“100.0”值進行標定后，當透射光透過譜片磨粒沉積區時，光電傳感器獲取原始電壓信號，經傳輸、處理，在上位機上顯示出當前的磨粒覆蓋率數值。

運動控制模塊主要由計算機、運動控制卡(樂創，MPC08)、轉接板、驅動器、電動載物臺(科盈創拓，LY220DPY50×50M)等組成。自動采集過程中，鏡頭由譜片中心沿徑向移動，實時采集磨粒覆蓋率信息，并同步顯示在應用程序窗口上，每采集完一個磨粒沉積圈，系統便提取出其磨粒覆蓋率最大值。當采集完外圈磨粒定量參數，系統便改變電動載物臺X、Y軸運動參數使鏡頭復位到譜片中心，接著沿下一條路徑采集，直至采集完8條路徑上的磨粒信息。

3 測量分析系統的測試實驗

為了驗證旋轉式鐵譜儀譜片磨粒覆蓋率測量分析系統的可靠性與實際性能，通過實驗測試分析依次驗證系統的線性度、準確性、重復性以及對設備故障的監測性能。

3.1 線性度與準確性測試實驗

采用一組標準遮光片(遮光率分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%)，分別固定到測量分析系統的電動載物臺上，依次點擊“復位”、“標定”、“采集”，每張遮光片隨機測量3個遮光率值，并計算其遮光率測量值的均值，采用MATLAB程序進行回歸分析與誤差計算。

3.2 磨損工況模擬實驗

采用M2000型摩擦磨損試驗機生成檢測油樣，其原理如圖4所示，摩擦副由45鋼加工的環、塊組成，潤滑油為SAE 10W-40汽車發動機油。實驗開始加載200 N，以200 r/min轉速運行3 h，再加大載荷到400 N，運行3 h，繼續加大載荷至600 N，運行3 h。實驗中，每隔1 h抽取油樣樣品一次，采用KTP-Ⅲ型旋轉式鐵譜儀將每次獲取的油樣制成一張譜片，共9張，根據油樣抽取時間依次給譜片編號。

圖4 M2000磨損試驗機原理圖

3.3 重復性測試實驗

取代表3種工況的譜片2、譜片5、譜片8依次進行定量測量，系統沿8條路徑依次采集內、中、外三環的磨粒覆蓋率實時值，并提取各環磨粒覆蓋率最大值，從而計算各譜片的磨損烈度指數Is值。每張譜片重復測量10次，通過分析Is值的重復性相對標準偏差驗證系統測量的重復性。

3.4 磨損工況判別實驗

通過測量分析系統自動采集9張譜片的磨粒覆蓋率信息，記錄每張譜片測量參數：AImax、AMmax、AOmax及Is值，通過分析試驗機運行過程中載荷變化帶來的磨損參數變化，驗證系統對磨損狀態的監測性能。

4 實驗結果與分析

4.1 系統線性度與準確性實驗結果與分析

對標準遮光片的遮光率實際測量值進行回歸分析得到的回歸曲線如圖5所示，曲線的截距、斜率分別為-0.224、1.005，則回歸方程為y=1.005x-0.224。經計算，該回歸模型的相關系數R=0.996，統計量F=15 985，R趨近1，F較大，表明回歸直線對樣本點的擬合程度很高。同時，查表F>F0.01(1,6)=13.75，P<0.01，F對應的概率P很小，因此回歸模型假設成立，遮光片的標準值與系統測量值存在極顯著的線性關系，系統滿足線性度要求。遮光片的實際測量值與其遮光率標準值的相對誤差最大為1.70%，最小為-1.10%，因此系統的測量相對誤差不到2.0%，準確度較高。

圖5 遮光率測試數據擬合曲線

4.2 系統重復性實驗結果與分析

圖6(a)所示為系統沿一條采集路徑實時采集的磨粒覆蓋率與采集位置的關系曲線，內、中、外3個磨粒沉積圈依次分布在5～6 mm，9～10 mm，14～15 mm區域，這與磁頭的3個環形磁場分布位置相吻合。同時，系統在各環的磨粒覆蓋率較大一側分別提取磨粒覆蓋率最大值，通過數值處理獲取各譜片的磨損烈度指數Is。

圖6 系統重復性測試結果

圖6(b)所示為譜片2、5、8磨粒的磨損烈度指數Is重復采集結果。同一張譜片的Is值幾乎相等，且都分布在重復性允許范圍內，即磨損烈度指數Is值的重復性相對標準差RSD均小于10%，均滿足系統測量重復性要求，證明了文中測量分析系統具有較好的重復性，能夠滿足測試系統的要求。

4.3 變負荷工況模擬實驗結果與分析

圖7所示為旋轉式鐵譜儀譜片磨粒的AImax、AMmax、AOmax及Is值與運行工況的關系曲線?？梢?，200 N負荷下各定量參數基本穩定并處于較低數值；運行3 h后，改變載荷至400 N，各定量參數數值上升，隨后維持在上升后的水平；運行6 h后，加大載荷至600 N，各定量參數數值再次上升至較高水平，隨后繼續維持該水平。整個監測過程中，各定量參數在不同程度上反映出磨損工況的改變，其中磨損烈度指數Is變化最為明顯，清晰地反映出磨損工況的變化。測量過程中，通過顯微鏡(400倍)觀測譜片內圈磨粒，圖7中a、b、c分別為磨損運行2、5、8 h油樣所制取譜片的內圈磨粒圖像?？梢钥闯?，第一次加載前，磨粒數量較少，且磨粒尺寸較??；加載至400 N，磨粒數量增多，尺寸增大；繼續加載，出現尺寸較大的磨粒，且磨粒數量進一步增多。說明該測量分析系統可以實現對設備磨損工況的預檢。

圖7 磨粒定量參數與運行工況的關系曲線

5 結論

(1)針對旋轉式鐵譜儀定量分析方法中存在的工作量大、工作效率低等問題，并基于旋轉式鐵譜儀工作原理、譜片磨粒分布規律，搭建了旋轉式鐵譜儀譜片磨粒覆蓋率測量分析系統。該系統利用光電傳感器獲取磨粒信息，控制顯微鏡電動載物臺運動，實現了譜片磨粒定量信息自動化采集、處理與分析。

(2)完成了系統線性度、準確性、重復性等檢測實驗，實驗結果表明，所設計的測量分析系統滿足線性度要求，測量相對誤差不到2%，系統準確性較好，重復性相對標準差小于10%。

(3)完成了磨損工況判別實驗，根據各磨粒定量參數的變化情況，能準確判斷所監測設備故障的發生，滿足預期設計要求。

(4)該系統提高了鐵譜定量分析的效率，降低了實驗人員的工作強度。同時，該系統基于鐵譜顯微鏡的光學成像，亦便于操作人員觀測譜片實現定性分析，提高了測量的可靠性。