铁谱技术及其特点

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在各种机械设备中，由于金属表面间的相对运动使摩擦副表面不断产生大量的磨削碎片和微粒，即磨损颗粒。对于有润滑油的摩擦副，磨损颗粒会进人润滑油中。尽管磨损颗粒的形成机理非常复杂，磨损颗粒的尺寸极其微小（通常为几十纳米到几十微米），但其数量、尺寸、外貌、成分等却反映了不同的磨损方式和磨损过程，这些不仅为分析研究磨损过程、颗粒的形成提供了直接信息，而且为分析诊断机械设备的运行状态提供了依据。
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( G1 y8 D7 ?- `7 D/ |# @       1．铁谱技术的起源与发展
1 V  ^7 T& o4 W9 |9 x; h5 J6 o铁谱技术是20世纪70年代出现的一种磨损颗粒分析新技术。它利用高梯度磁场的作用将机器摩擦副中产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来，并使其按照尺寸大小依次沉积在一显微基片上而制成铁谱片，然后置于铁谱显微镜或扫描电子显微镜下进行观察；或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内，通过光学方法进行定量检测，以获得摩擦副磨损过程的各类信息，从而分析机器的磨损机理和判断磨损的状态。
# S" O  ?/ z3 y' t$ o7 i铁谱技术的原理最早由美国麻省理工学院W. W. Seifert和美国Foxboro公司V. C.Westcott于1970年提出，并于1971年研制出用于分离磨损颗粒并进行观察分析的仪器—铁谱仪和铁谱显微镜。此后，铁谱技术迅速被许多国家所接受，并由最初的实验室磨损机理研究逐步发展成为用于机器状态监测和故障诊断的重要工具。经过30多年来的发展与研究，铁谱技术在摩擦学基础研究和机器状态监测中获得了广泛的应用，其作用与重要性已得到普遍的承认。不仅在价格昂贵的关键装置（如喷发动机等）与零件（如滚动轴承）运行中得到普遍应用，而且在批量生产的中小型机械定型前也得到应用，以改进设计和产品结构，提高产品质量。总之，铁谱技术在国民经济建设及国防建设的各个部门，如航空、舰船、铁路、电站以及汽车、拖拉机、液压、机床、矿山、石油、化工等机械设备的状态监测与故障诊断方面，都得到了广泛的应用。

$ F- ~. U  Q& ?6 G/ U/ C. k       2.铁谱技术的工作范畴
完整的铁谱技术包括从机械设备润滑油液取样开始，一直到完成对磨粒的识别与分析，提出对被监测设备工况状态的报告。铁谱技术的主要工作内容包括以下几方面：
6 S1 \: F7 E/ {' [. r0 [       (1)油液的取样及处理；
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       (2)分离磨粒，制备铁谱片；

       (3)磨粒的检测、识别与分析；

       (4)提出分析结论及报告。


. o' f% R5 U" n3 A目前，实现铁谱技术的基本设备和工具主要有各种类型的铁谱仪、铁谱显微镜、扫描电子显微镜、计算机及磨粒图谱集等。
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铁谱仪的用途主要是从设备润滑油样中有效地分离出磨粒，制备铁谱片或完成磨粒的有关定量测定与分析。
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! N7 Z6 V1 S9 N  c铁谱显微镜的作用主要是进行铁谱片上磨粒的定性观察、检测与分析。
+ t. E! m3 d6 c$ k3 ]- v" R扫描电子显微镜的用途主要是对有重要信息的磨粒进行深入的微观检测和磨粒材质等分析。
目前，在铁谱分析技术中，计算机的作用已不局限于数据处理，计算机已成为磨粒识别与分析的重要工具。随着计算机信息处理技术和人工智能技术的迅猛发展，计算机在自动识别磨粒、铁谱诊断自动化方面将会发挥日益重要的作用。
* b2 I. h. T% y1 ^" Q铁谱技术对磨粒的识别与分析主要分为定性分析和定量分析两种方式。所谓定性铁谱分析主要是对磨损颗粒的形态（形状及表面形貌）、尺寸进行观察，从对磨粒形态特征、颜色、尺寸大小和差异程度以及材质成分组成的分析，来判断机器零部件的磨损类型、部位、严重程度及磨损机理。定量铁谱分析则是借助铁谱片（或铁谱沉淀管）上磨粒的百分覆盖面积来确定不同尺寸磨粒的相对含量，从而定量地给出机件的磨损速度估计。目前，应用铁谱技术来分析机器的磨损状态，主要是从以下四方面来进行的：
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  s3 ]& b) d! T（1）根据主要磨粒的形成、颜色和尺寸等特征来判定机器（及有关零部件）所处的磨损阶段以及相应阶段发生的磨损类别（如疲劳、剥落、腐蚀等）及其磨损的程度；
（2）根据磨损量（即磨损曲线）对机器的磨损进度进行量的判断；
; Y5 X& p) e! E; g' B" X2 @（3）根据磨损严重性，确定机器磨损的剧烈程度；
  s. y8 ~8 C& b（4）根据磨粒的材质成分来判断机器磨损的具体部位及磨损零件。
由此可见，铁谱技术是一项技术性较高、涉及面较广的磨损分析与状态监测技术。

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3．铁谱技术的特点
       多年来的工业应用表明，铁谱技术具有以下基本特点。
' ^" R. _- g8 z0 x6 F6 d      （1）具有较宽的磨粒尺寸检测范围和较高的检测效率
       机械设备摩擦副磨损状态的发展与磨损颗粒的尺寸和数量变化有密切的关系，因而，有效地检测几微米到上百微米的磨粒的数量变化具有特别的意义。目前，国内外对润滑油中磨粒监测分析方法主要有光谱分析法、磁塞检测法和铁谱分析法等。
1 _9 [4 n4 [: _$ j, o, V% ]6 G       如表1所示，光谱分析检测磨粒的有效尺寸范围是<5μm，其中对于＞2μm的磨粒其检测效率就大为降低。磁塞检测法只能有效地检测出上百微米至毫米级的磨粒。
                                       表1   各种分析方法对磨粒尺寸的敏感范围
       铁谱分析方法对从几微米到几百微米甚至毫米级的磨粒都有满意的检测效果。大量检测表明，这一尺寸范围正是绝大多数机械设备摩擦副发生磨损时产生的磨粒的尺寸范围。
1 q: Y8 K, ?7 {3 Q+ ~6 \0 z       正是由于铁谱技术具有较宽的磨粒尺寸检测范围，所以在机器摩擦副磨损状态分析中，铁谱分析方法较其他方法得到了更为广泛的应用。
* _7 O8 n! ?) X+ Z     （2）能同时进行磨粒的定性检测和定量分析
! n& q5 M) T, a  [       与润滑油磨粒其他分析技术相比，铁谱技术较光谱方法、磁塞方法的一个最大优点就是能够同时实现对磨粒的定性观测（观察磨粒的形态、尺寸、颜色、表面特征等）和定量分析（测量磨粒量、磨损烈度、磨粒材质成分等），这不仅给分析机械设备磨损状态、故障原因和研究设备失效机理等提供了更全面而宝贵的信息，而且大大提高了机械设备状态监测的可靠性。
* p7 m: W' {3 @6 N5 B     （3）能够准确监测机器中一些不正常磨损的轻微症兆，具有磨损故障早期诊断的效果铁谱技术的另一特点就是，它能准确地监测出机械系统中一些不正常磨损的轻微症兆，如早期的疲劳磨损、粘着、擦伤与腐蚀磨损等，从而为设备状态监测人员提供宝贵的信息，避免机械事故的发生。
- y1 G& x3 ]( S, C) V; E; g5 G    由于铁谱分析技术具有以上特点，所以在故障诊断中同其他磨屑检测方法相比，它具有自己独特的优势。表2给出了利用各种分析技术对液压油进行故障诊断时，诊断结果可靠性的统计。
                                               表2  诊断结果可靠性的统计

然而铁谱分析技术也有其不可避免的缺点：
       (1)对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低，故在对如柴油机这种含有多种材质摩擦副的设备进行故障断时，往往感到有所欠缺；
; O: m0 `' U! h/ o, v       (2)作为一门新兴技术，铁谱分析的规范化不够，分析结果对操作人员的经验有较大的依赖性，若缺乏经验，往往会造成误诊或漏诊。