铁谱的定量分析

    铁谱技术的定量分析是用一个或几个参数值来描述设备磨损特征和磨损状态的方法。由于铁谱分析技术影响因素较多，所以至今尚无一套完整、统一的论述，本节介绍的仅是几种常用的观点和方法。
    1．定量铁谱的理论依据
    磨损颗粒的最大尺寸与磨损方式有关，如果测量出或计算出铁谱片上大颗粒的尺寸以及它们在颗粒总数中所占的比例，就可以推断抽取油样时机器所处的磨损方式和程度，这是定量铁谱的第一个理论依据。
    第二，机械的磨损率是磨损工况的重要指标，机械磨损率的改变，必然导致润滑油中磨屑生成和沉积的平衡浓度改变，因此可以把铁谱片上磨屑的总数作为定量铁谱分析的另一个指标。
    2．光密度计原理
    铁谱技术的定量分析最简单的方法是密度计法，光密度计是用光敏元件测定铁谱片上光亮度的仪器。假设铁谱片上沉积磨屑是单层覆盖（这可以通过人为降低磨粒浓度加以实现），那么铁谱片上的光亮度就与透光面积成正比，即与磨屑的覆盖面积成正比，那么用光亮度值就可以推算铁谱片上磨屑量的多少。若设清洁的玻璃谱片上的光亮度为I_P（此时磨屑覆盖面积为0)，带有磨屑沉积的谱片光亮度为I_P，那么此时磨屑沉积的光密度定义为：

                                     （11-1）

    由于光强度与透明光面积成比例，所以：

                                   （11-2）

    式中Ao—铁谱显微镜上光密度孔径面积；
        Ap—光密度孔径被颗粒遮盖的面积。由式（11-1）和式（11-2）可得：

              （11-3）

    由式(11-3)可得颗粒遮盖面积的百分率，亦称百分覆盖面积Ai

                                   （11-4）

    3．定量参数
    利用铁谱显微镜测定铁谱片上分别代表大颗粒的DL（或AL）和代表小颗粒的Ds（或As)，可以得到一系列参数。
    对磨粒的监测表明，在正常磨损过程中所产生的磨损颗粒的最大尺寸一般在15μm以下，其中大多数是2μm或更小一些的磨粒，而任何不正常的磨损过程中，其大多数磨损颗粒的尺寸大于15μm。所以，磨损过程的第一特征是磨损颗粒的最大尺寸与磨损方式有关。
    考虑上述情况，用直读式铁谱仪对设备的润滑油进行连续监测。在正常磨损过程中DL（或AL)值近似等于Ds（或As)值，即DL≈Ds。当设备出现非正常磨损情况时，一方面磨损的速率急剧上升，光密度读数明显增大；另一方面，大磨损颗粒的相对尺寸急剧增大，大颗粒与小颗粒的数量比例发生明显变化，即DL（或AL）的值将远远地大于小颗粒Ds（或As）的值。
    因此，为了从数量上表征磨损变化程度和磨损速率，引人了磨损烈度指数lo:

           （11-5）

    对旋转式铁谱仪，三圈磨粒各自的光密度读数为A_L, A_M和A_s..

                           （11-6）

    式中（D_L＋D_s）或（A_L＋A_s）值的大小，表明非正常磨损状态发生时，磨损颗粒增加的情况，反映不同时间磨损数量的变化，通常称为总磨损。
    总磨损：

   

    累计磨损度：

    

    累积总磨损∑（D_L＋D_s）表示系统每次测量总磨损量的累积值。

        (D_L-D_s)或（A_L-A_s）表征非正常磨损状态变化程度，反映不同磨损时间里磨损颗粒尺寸比例的相对变化，称为磨损度。

    磨损度：

    

    累计磨损度：

    

    累积磨损严重度∑（D_L＋D_s）表示大颗粒读数和小颗粒读数之差的累积值。

    由总磨损和磨损度的定义可知，磨损烈度指数Io或IA正是从总磨损和磨损度两方面综合评价设备在不同时刻的磨损程度，表征了设备实际状态。
    除上述参数之外，常用的定量参数还有大颗粒百分比PLP，即大颗粒在颗粒总量中所占有的百分数：
          （11-7）
    或
     （11-8）
    定量参数的选择，主要取决于监测参数的选择，对于大多数设备，通常使用以下方法来定量分析设备磨损情况。
    (1)分别以D_L, D_s和1_o为纵坐标，以运转时间为横坐标划出曲线，根据曲线急剧上升情况来判磨损的状态。
    (2)分别以∑(D_L+D_s）和∑(D_L-D_s)为纵坐标，以运转时间为横坐标画出曲线，根据曲线突然互相靠近的一点作为磨损严重程度的特征。
    (3)以累积值∑D_L作为取样时间函数，绘成曲线。由于每一新读数均被加到以前所有读数的总和上，而该累积值总和又相对于取样时的设备运行小时绘成曲线，因此若读数相同且取样频率也相同，则图形为一直线，如果读数增加，所得曲线的斜率也增加，则表明异常磨损的开始。
    4.铁谱片图像的数值处理法
    图像分析系统是近20年来迅速发展起来的一种定量研究图形的仪器。它利用扫描摄像机将显微镜里的图像输人图像分析仪，按照给定的灰度反差对几何图形进行定量分析。其测量的基本参数有面积、周长、弦长、方位、投影长度和计数等。若利用计算机软件对这些基本参数按照一定的数学模型进行处理，就可以再派生出一系列所需要的参数，这就为探索与磨损机理有关的磨损颗粒的几何形态的内在规律，进一步发现能反映磨损特征的参数提供了充分的依据。目前已使用的数学模型有韦布分布函数、线性回归法、中心取矩法等。
    5.影响定量参数可靠性的因素
    铁谱定量的可靠性主要与铁谱仪的线性响应、颗粒的沉淀效率和铁谱仪的重复性这三个参数有关。
    (1)铁谱仪读数的线性响应
影响定量读数与磨损颗粒间线性响应的原因是摩擦颗粒的重叠。颗粒如果发生重叠，则沉淀的磨损颗粒数量与它的遮光量之间不呈线性关系。实验表明，直读式铁谱仪的最佳线性关系区在0~50，分析式铁谱仪的最佳线性关系区在0~70。因此，当油样的定量铁谱值超过最佳线性范围时，应将高磨损颗粒浓度的油样稀释至适当的浓度。
    (2)颗粒的沉淀效率
    颗粒的沉淀效率是指油样通过铁谱仪时能沉淀下来的颗粒与全部颗粒之比。
    铁谱仪对大颗粒有较高的沉淀效率。例如油样第一次通过谱片时，大于2μm的颗粒能沉淀80％，而0.1μm的颗粒只能沉淀50％。而大颗粒正是设备磨损状态的灵敏反映，这为铁谱仪技术准确地监测设备磨损状态提供了基础。
    (3)仪器的重复性
    铁谱定量数据重复性较差，这与磨损颗粒沉淀过程的随机性有很大关系。对分析式铁谱仪，AL的误差系数可达38％，As的误差系数在0.1-0.18之间波动；直读式铁谱仪DL的误差系数在0.1～0.15之间，Ds不超过0.06。铁谱定量重复性差的主要原因有两个方面：一是仪器（如分析式铁谱仪）中液体流动速度不恒定，进入谱片的位置不确定等；二是沉淀粒子对磁场的影响。铁谱仪操作者的熟练与经验可以减少测试中的一些随机误差，在实际监测中，有实际经验的人员只测取一次基本上就可以满足监测要求。