铁谱技术在设备监测与诊断的实际应用(1)

    在机械设备状态监测与故障诊断技术中，油液监测诊断技术最能体现现代机械设备状态监测的发展趋势特点，这主要是由于它可以满足机械设备诊断的4个基本要求：
    (1)指出故障发生的部位；
    (2)确定故障的类型；
    (3)解释故障产生的原因；
    (4)预告故障恶化的时间。
    其中，铁谱技术以其对磨粒分离的简便性，沉积的有序性，观测的多样性以及对大磨粒的敏感性等优点而在机械设备状态监测与故障诊断中得到了广泛应用。
    一、齿轮箱磨损状态监测的应用
    齿轮传动是机械系统中应用最广、最重要的组成部分之一，它的运行状态将直接影响机械系统的工作状况。近年来，铁谱诊断技术在齿轮磨损状态的监测与故障诊断方面应用较多，也较为成功。
    图1是齿轮传动的工作状况及对应的齿轮失效形式。图中横坐标是齿轮工作线速度，纵坐标是齿轮工作载荷（或扭矩），这两个参数的大小变化将决定齿轮的工作状况及其主要失效形式。
    (1)在过载磨损线的左侧，齿轮磨损是因低速重载的工作条件造成齿面润滑油膜破裂而产生的。此时生成的磨粒为尺寸很大的片状游离金属磨粒，但因速度低，故没有表面擦伤或发热而产生氧化的痕迹。
    (2)在齿面速度较高时容易形成润滑油膜，因此可以承受较高的工作载荷。但超过疲劳点蚀线就会在齿轮节线附近产生疲劳点蚀磨损。载荷更高时，如果超过一定限度还会造成轮齿折断。
    (3)如果齿轮工作速度增大，进入擦伤线的右侧，就会产生严重的擦伤或胶合磨损。此时，因为齿面润滑油膜破裂造成齿面拉毛，伴随着严重的发热，会出现明显的表面氧化磨损。
    (4)无论是疲劳点蚀还是擦伤磨损一旦发生，磨粒的产生速率就会增加，并使齿轮润滑油中的磨粒浓度很快升高。

图1  齿轮传动的工作状况及失效形式

    采用分析式铁谱技术对磨粒进行观察分析，对于识别磨损类型十分有效。通过铁谱技术的监测与诊断，可以预报齿轮传动异常磨损的发生和磨损状态的转变。

    图2是美国安德森等人采用铁谱技术监测一齿轮箱磨损状态的结果图。图(a)、(b)和（c）分别为大、小磨粒铁谱读数DL、Ds和磨损烈度指数Is与齿轮工作时间的关系曲线。从图中可以看出，在齿轮箱磨合时表现出较高的磨损率，随着齿轮箱磨合过程结束，磨损率下降并趋于稳定，在齿轮箱进入破坏性磨损期时其磨损率又迅速增大。
    根据国内外铁谱研究者应用铁谱技术对齿轮传动磨损状态的监测表明，齿轮传动按运动寿命可分为磨合磨损、正常磨损和异常磨损（非正常磨损）三个阶段。异常磨损又可进一步分为过载、过速和疲劳三种类型。每个阶段和每种类型均会产生特定的特征磨粒，因此可从磨粒的尺寸、尺寸分布、数量、成分和形貌等方面识别不同的磨损阶段和类型。
    (1)磨合磨损

图2  齿轮箱寿命试验DL、Ds及Is与时间t的关系

    齿轮磨合过程是机加工表面向光滑表面转化的过程。带有加工划痕表面的磨合，会产生细长的游离金属磨粒，通常磨粒的长宽比约为5：1。磨粒的实际尺寸和厚度取决于轮齿表面的粗糙度，即加工划痕的几何形状。磨合磨损与正常磨损相比，磨粒数量大约多2倍，且大磨粒与小磨粒的数量比较高。

    (2)正常磨损
    大量的齿轮正常磨损磨粒是薄片状的游离金属磨粒，通常长宽比为2:1，长度与厚度比为10：1。磨粒的尺寸范围在长度方向低于15μm，而大部分在2μm以下。
    (3)疲劳磨损
    齿轮疲劳剥落磨损的磨粒是表面光滑的片状游离金属磨粒，其长宽比约为6:1，长度与厚度之比约为5:1。磨粒的尺寸范围在长度方向可达150ttm。大于15μm的大磨粒主要落在15～25μm的范围内。大磨粒与小磨粒（＜2μm）的数量比很高，约为1:50或更高。磨粒的总量大约是正常磨损时的3~5倍。
    (4)过载磨损
    低速齿轮的过载磨损磨粒是片状的游离金属磨粒，其长度与厚度比约为10:1。磨粒尺寸范围在长度方向可达1mm，这取决于过载程度。初始过载时产生150μm或稍小的磨粒。大磨粒与小磨粒的数量比随载荷增加而加大，磨粒总量大大高于正常磨损，磨粒表面常显出滑动的擦痕。
    (5)过速磨损
    过速会造成轮齿的擦伤或胶合，产生的磨粒是游离的金属片粒，带有一些表面氧化的迹象。长度与厚度比约为10:1，磨粒的尺寸范围为150μm下，大磨粒与小磨粒的数量比较低，为1:500或更低，磨粒的总量比正常磨损时大。