机械磨损的元素含量分析方法在机械故障诊断中的应用
[摘要] 本文通过对机械磨损机理的分析，研究了几种机械磨损元素含量的分析方法，试图更加有效利用磨损元素监测对机械设备的运行状态进行状态监测。通过研究分析，提出了科学地取样方式，解决了机械设备加油不定时、不定量、不能定时换油以及各磨损阶段特征不同等带来的问题，并在实际工作中的得到了应用。
[关键词] 状态监测 故障诊断 取样方法 元素绝对含量 元素相对含量 元素含量变化率 为了提高设备的可利用率，降低维修费用,各种状态监测和故障诊断技术逐步得到了应用。设备维修体系相应经历事后维修、预防性维修，发展到以状态监测为基准的预测性维修。油样直接与机械设备的运转部件相关，因此，它可以更加直接、客观地反映机械设备的运行状况。在状态监测和故障诊断上，油夜分析已经得到了广泛的应用。
机械磨损是机械故障的主要根源，润滑油中磨粒浓度的大小和形态直接反映了机械设备的运行状态。目前，对油样中微粒的分析，主要有两种：即光谱分析（包括原子发射光谱分析和原子吸收光谱分析）和铁谱分析。铁谱分析主要是定性分析，可以进行粗略地定量分析，分析磨粒较大。光谱分析可以对润滑油（脂）的微量元素进行准确的定量分析。显然，对于机械设备的状态监测和故障诊断的早期预报上，光谱分析具有着十分重要的意义。因此，本文着重于讨论光谱磨粒分析技术。由于光谱分析仪器比较昂贵，现场难以推广，它主要应用于大型机械设备的状态监测和故障诊断上。
1、机械磨损规律及润滑油磨粒含量的理论分析
1.1 机械磨损规律及其分析
存在机械运动，就会有摩擦，摩擦一定产生磨损，磨损遵从三个定律：即体积磨损量与摩擦副相对滑动的距离成正比；与法向载荷成正比；与屈服强度或硬度成反比。机械理论和试验表明：磨损率与摩擦因数之间的关系甚微，通常摩擦因数最多相差一个数量级，而磨损率可以相差3个数量级，这就是说，摩擦因数的变化是很小的，导致摩擦率变化范围大的原因在于法向载荷的变化。因此，摩擦因数的变化可以忽略。
我们知道，机械设备的磨损一般分为三个阶段，在磨合阶段，由于摩擦副表面粗糙及几何形状和装配的微量误差，导致润滑不良，法向载荷很大，摩擦副表面磨损迅速，这也取决摩擦副的状况；在正常磨损阶段，摩擦副配合趋于正常，磨损趋于正常状态，摩擦最小，磨损量最小；经过长期运行，磨损到达一定的量时，进入极限磨损阶段，磨损量急剧增大。
从以上分析可以得知，对于一台设备而言，在正常运转时，法向载荷趋于稳定，摩擦副机械磨损量和时间是一个正比变化的关系；在磨合期，各摩擦副的运行未达到稳定状态，各摩擦副的磨损量与时间是一个正变关系，各摩擦副磨损率趋小，但是，各摩擦副的磨损率趋小的速度是不一样的；在极限磨合期，各摩擦副的运行进入了不稳定稳定状态，摩擦副的磨损量与时间同样时一个正变关系，但各摩擦副磨损率趋大。这些分析为我们通过分析润滑油中的磨粒含量，做趋势分析，进行状态监测和故障诊断，提供了科学的依据。
1.2 润滑油磨粒含量的理论分析
从以上的讨论中，我们知道，摩擦副的磨损量与时间是一个正变的关系，在正常运行状态下，它们成正比关系，按照机械润滑理论，在磨粒溶入润滑油和磨粒沉降达到平衡时，并且，保持机械设备内润滑油的总量一定，润滑油中的磨粒含量与时间的关系也符合磨损量与时间的关系。换句话说，润滑油中的磨粒含量与时间成正变增加，在正常运行状态下，呈正比关系，润滑油中磨粒含量的变化率是一样的。
但在实际应用中，我们发现有时出现反常的情况，有时候，甚至于导致错误的结论，这主要和加油量的控制、取样的时机和取样的位置有关。
因此，要做好润滑油的磨粒含量分析，保持机械设备内润滑油的总量一定，严格遵守取样取样规范是非常重要的。
2、磨粒元素含量反映机械运行状态的机理
2.1 机理
由于机械设备的各个摩擦副在强度、刚度、耐磨性等方面的要求不同，它们对组成材料的要求也有差别，元素构成也就不一样。因此，当某一种或多种磨损元素的含量出现异常时，它必然反映了含有这些元素的一个或多个摩擦副磨损异常。这为我们定位某摩擦副的磨损状态和故障诊断分析提供了分析基础。
2.2 磨粒及污染微粒主要来源（见表1）
对于不同设备而言，磨粒元素可能有一定的差别，在进行分析时，一定要了解设备的实际情况。
表1 主要磨粒的来源
元素种类 |