基于模糊理论的磨损故障诊断研究.doc

1、目 录第一章 绪论11.1 故障危害11.2 磨损故障诊断的意义11.3 模糊理论在磨损故障诊断中的应用2第二章 模糊理论的基础知识52.1 模糊关系52.1.1 模糊关系52.1.2 模糊矩阵62.2 模糊逻辑62.3 模糊变换、判决及关系82.3.1模糊变换82.3.2 模糊关系方程92.4 基于模糊综合决策的融合诊断技术102.5 本章小结11第三章 模糊理论在磨损故障诊断中的应用123.1概述123.2 常见的磨损故障诊断方法133.2.1 理化分析法133.2.2 磁性塞子检测法133.2.3 油样光谱分析法163.2.4 油样铁谱分析法213.3 油样分析诊断案例283.4 本章小

2、结36第四章 结论37致 谢38参考文献38内 容 提 要磨损故障是机械设备中最常见的故障形式，通常采用油样分析的方法来进行故障诊。然而单一的故障诊断方法诊断准确率有限，本文采用基于模糊理论的融合诊断方法。综合常用的理化指标分析、磁性塞子检测法、光谱分析及铁谱分析技术,分别实现发动机磨损故障的定位、定性及定因的单项诊断。在此基础上，应用模糊综合评判矩阵来对各诊断方法的诊断结果进行融合决策，减小故障诊断的不确定性，并解决各诊断方法的诊断结果间的冲突问题，提高了诊断精度,从而实现磨损故障的融合诊断。最后以发动机磨损故障的融合诊断为实例验证了本文的方法的正确性和有效性。关键词磨损；故障诊断；模糊理论

3、；数据融合Wear Faults Diagnosis based on Fuzzy TheoryAuthor: Tutor:AbstractWear faults of mechanical equipments is the most common form of the faults, and fuel samples analysis method is usually used to diagnose this faults, But the accuracy of a single fault diagnosis method is limited. a new method ,fu

4、sion diagnosis of wear faults based on Fuzzy theory is put forward . the new method composite physical and chemical analysis、particle counter diagnosis technology、the spectrum analysis and the lubricant iron spectrum analyses. they are used respectively to diagnose engine wear faultsparts , properti

5、es , and reasons. On this basis, using the fuzzy comprehensive evaluation matrix to realize the fusion decision of diagnosis results of the diagnosis methods , the diagnosis methods reduce the uncertainty of fault diagnosis, and solve the conflict between the diagnosis results and improve the diagno

6、sis accuracy, so as to realize the fusion diagnosis of wear faults. Finally, an example that the fusion diagnosis of wear faults is given to show that the presented method is corrective and effective. the uncertainty of the fault diagnosis is decreased moderately,and the accuracy of the fault diagno

7、sis is increased greatly.Key wordsWear Fault ;Fault Daignosis ; Fuzzy Theory ; Data Fusio40基于模糊理论的磨损故障诊断研究作者 指导教师 第一章 绪论1.1 故障危害随着机械工业和航空技术的不断发展，现代化设备的关键部件结构日益复杂，在追求高性能低成本的同时，其滑油系统中各摩擦副零组件更趋于高载荷、高温、高速及轻质量，因此容易发生各种磨损故障，从而严重影响发动机的安全性、可靠性。制造业是现代社会国民经济中的基础部门。各种类型的机床是现代制造业的主要设备，他们通常长期工作在高速或重载的情况下，其传动系统容易

8、发生磨损类故障，这一类故障危害很大，初期会导致机床设备工作状态不稳定，降低加工精度，如不及时处理，甚至会导致整个机床丧失工作能力。当前，制造业所使用的现代化机床呈现出高精度化和大型化的发展趋势，对于高精度的机床设备，磨损故障会降低加工精度，使得产品质量无法控制；而对于大型化机床设备，磨损故障不但会降低产品质量，而且可能导致灾难性的工业事故。因此，对于机床磨损故障进行监控和诊断对我国现代化建设具有极其重要的意义。1.2 磨损故障诊断的意义磨损故障综合监控通过润滑油监控,可以在出现重大故障之前诊断出部件早期失效及潜在故障,从而降低故障损失及事故发生率。设备润滑与磨损状态监测（以下简称油液监测）是设

9、备开展润滑管理、设备状态维修的重要基础工作，是提高设备可靠性、保证设备安全运行的重要手段。油液监测技术就是通过对设备在用润滑油的理化性能指标、磨损金属和污染杂质颗粒的定期跟踪监测，及时了解掌握设备的润滑和磨损状态信息，诊断设备磨损故障的类型、部位和原因，为设备维修提供科学依据，指导企业进行设备的状态维修和润滑管理，从而预防设备重大事故的发生，降低设备维护费用。通过对设备在用润滑油主要理化指标的定期跟踪监测，及时发现设备用油的劣化程度及污染原因，评价设备的润滑状态，指导企业采用合理的润滑方式和换油周期。通过对设备在用油中磨损金属颗粒的定量、定性分析，监测诊断设备主要摩擦副的磨损失效状态及原因，指

10、导企业及时采取视情维修措施，保证设备安全运行。磨损故障诊断通过运用多种专业检测手段连续对设备用油的监测，可发现设备的润滑事故隐患，预报设备润滑事故的发生，提高设备的可靠性，避免重大事故的发生。节约维修费用，指导视情维修，大大降低企业总维修成本。设备是企业生存与发展的根本，有效延长设备的使用寿命能提升企业设备管理水平。1.3 模糊理论在磨损故障诊断中的应用磨损故障诊断的原始数据的主要来源如下: 通过安装在试车台上的各种传感器测试的试车台监测数据; 通过在取油口取油,并对采集的油样进行各种分析而得到的实验数据。这些原始数据可以分为取样部位、铁谱数据、光谱数据、颗粒计数数据、理化分析数据。各种原始数

11、据对故障定位、定性、定因诊断的有效性:对于定位诊断,光谱诊断的有效性最高,铁谱诊断次之,取样部位也能提供一定的定位信息,因此,可以利用铁谱、光谱及取样部位三种信息以实现定位融合诊断;对于定性诊断,除铁谱数据外,其他原始数据能提供的信息均很少,因此,只有利用铁谱数据来实现故障的定性诊断;对于定因诊断,铁谱分析数据的有效性最高,理化分析能提供一定的信息,因此,可以利用铁谱数据和理化分析数据来实现故障的定因融合诊断。颗粒计数分析对磨损故障的定位、定性及定因诊断有效性较低,可以不予考虑。据工作原理和检测手段的不同,目前油样分析方法可分为铁谱分析法、光谱分析法、颗粒计数分析法及理化分析法等。如果综合各种

12、油样分析技术,则可以使它们相互补充、相互验证,从而大大提高故障诊断准确率。综合诊断方法可以使诊断准确率达到70 %以上。由此可见,融合诊断有利于提高诊断精度。滑油监控方法各有所长,但单一滑油监控技术的诊断准确率有限,往往容易造成一些故障类型的漏报。滑油光谱监控是目前最具代表性的航空润滑油监控技术,能有效监测绝大部分磨损类故障产生的各种磨粒,但对于滑油中因轴承疲劳失效产生的较大尺寸(大于10m)剥落产物检测效率较低。主轴轴承的疲劳失效引起的发动机故障对飞行安全影响极大,也是最难预报的发动机故障类型。在滑油光谱监控基础上,引入与之互补的能有效监测滑油中较大磨粒的大磨粒滑油监控手段,通过采取多技术综

13、合监控和融合诊断技术,是提高滑油监控故障诊断准确率的有效途径。典型的与滑油光谱互补的大磨粒监控技术包括铁谱分析、自动磨粒检测、X荧光能谱分析(EDXRF)和滑油滤和磁塞(金属屑信号器)分析等。其中,铁谱技术能直观地验证滑油较大铁磁性磨粒的形貌和类型,但缺点是检测时间较长,检测结果定量效果较差,检测效果依赖操作人员的技能和经验。自动磨粒检测技术是一种智能化油液监控技术,检测结果为通过自动识别的颗粒数量、磨粒类型及尺寸分布,兼具铁谱分析和颗粒度检测的优点,但缺点是不能识别颗粒的元素成分。铁谱技术和自动磨粒检测技术均能有效监测滑油中较大尺寸磨粒,可与光谱分析技术互补。但由于自动磨粒检测技术兼具铁谱分

14、析和颗粒计数的主要优点,且自动化和智能化程度高,因此通过综合比较可见,应用光谱分析与自动磨粒检测技术对实施润滑油综合监控,是弥补滑油监控单项技术局限性,有效预报各种磨损类发动机故障的最佳技术组合。第二章 模糊理论的基础知识2.1 模糊关系2.1.1 模糊关系所谓关系R，实际上是A和B两集合的直积AB的一个子集。现在把它扩展到模糊集合中来，定义如下：所谓A，B两集合的直积AB=(a,b)|aA，bB中的一个模糊关系，是指以AB为论域的一个模糊子集，其序偶(a,b)的隶属度为，可见是二元模糊关系。若论域为n个集合的直积，则A1A2A3An称为n元模糊关系，它的隶属函数是n个变量的函数。因为直积空间

15、R=XX中有20个“序偶”，序偶(20,1)中的前元比后元大得多，可以认为它的隶属度为1，同理认为序偶(9,5)的隶属于“大得多”的程度为0.3，于是我们可以确定“大得多”的关系为=0.5/(5,1)+0.7/(7,1)+0.8/(9,1)+1/(20,1)+0.1/(7,5)+0.3/(9,5)+0.95/(20,5)+0.1/(9,7)+0.9/(20,7)+0.85/(20,9)综上所述，只要给出直积空间AB中的模糊集的隶属函数，集合A到集合B的模糊关系也就确定了。论域AB为有限集时，模糊关系可以用模糊矩阵表示。2.1.2 模糊矩阵设A=a1,a2,an，B=b1,b2,bn，则模糊矩阵

16、可写成=(rij)=式中0 rij 1；i=1,2,，n；j=1,2，m。rij表示集合A中第i个元素和集合B中第j个元素组成的序偶隶属于Fuzzy关系的程度。定义1：设Fuzzy矩阵=aij和=bij，若有Cij=aij，bij=aijbij，则=Cij为Fuzzy矩阵的并和，记作=定义2：设Fuzzy矩阵=aij和=bij，若有Cij=aij，bij= aijbij，则称Cij=cij为Fuzzy矩阵和的交，记作=定义3：设Fuzzy矩阵=aij，则1-aij称为的补矩阵，记作。定义4：若有Fuzzy矩阵，且=aij，=bij，令=且中的元素为Cij=则称为Fuzzy矩阵和的积。2.2 模

17、糊逻辑在多值逻辑中，如N值逻辑，逻辑值可以取0，1，2，N-1个。我们规定，Fuzzy命题P的逻辑值V（P）=X是在0,1连续闭区间内任意取值。因此，将研究Fuzzy命题的逻辑称为连续性逻辑。由于它主要用来研究Fuzzy集的隶属函数，所以也称为Fuzzy逻辑。连续逻辑运算规则如下：逻辑并：XY=max(X,Y)逻辑交：XY=min(X,Y) 否 定： =1-X限界差：XY=0（X-Y）界限和：XY=1（X+Y）界限积：XY=0（X+Y-1） 蕴涵：XY=1（1-X+Y） 等价：XY=（1-X+Y）（1-Y+X）通常，一个模糊逻辑公式常称为Fuzzy函数，由于Fuzzy函数是在0,1区间任意取值

18、，所以在处理Fuzzy函数中，以解析法为处理手段，与二值逻辑处理方法相比较，难度较大。最恰当的办法是在0,1闭区间上把Fuzzy函数变量x分成有限个等级，采用多值逻辑的方法来处理Fuzzy的逻辑问题。为简明易懂，我们以n=2为例加以分析。第一级a1x1，第二级0xa1，必须有 xza1 （3-1）或 a1 （3-2）或 a1 （3-3）对式（3-1）分解如下：xa1与a1与za1其中，a1可写成y1-a1以此类推，可得满足f(x,y,z)的x,y,z的范围为：第一组第二组第三组与上述相反，若已知Fuzzy变量的范围，也可以推出Fuzzy函数的表达式。我们可以在0,1闭区间上将Fuzzy函数分成

19、n个有限等级，再采用多值逻辑方法来处理Fuzzy函数的问题。2.3 模糊变换、判决及关系2.3.1模糊变换在线性代数中，若给出矩阵A=(aij)mn和列向量X，就可以得到Y=AX式中Y也是一个列向量，其各项可按下式计算：yi=其中，i=1,2,，m。用矩阵形式可表示为在模糊系统中，设有两个有限集：若是U与V之间的一个Fuzzy关系，=(rij)mxn (0rij1)并有U上的Fuzzy子集=（a1,a2,an）(0ai1, i=1,2,，n)并有V上的Fuzzy子集=（b1,b2,bn）(0bi1, i=1,2,，m)它们之间满足=时，则称是的象，是的原象，并称是U到V上的一个Fuzzy变换。

20、也可以说，是和的合成。其合成规则如前所述。2.3.2 模糊关系方程如果已知输入和变换器，求出，这就是综合评判，即Fuzzy变换问题。如果已知和求（或已知和求）这就是即Fuzzy综合评判的逆问题，需要通过求解Fuzzy关系方程来解决。 Input Output =如果在 =的Fuzzy关系中，已知和，需要求，这便是求解Fuzzy关系方程问题。该方程的类型属于=型，即已知和求。我们首先把它展开：（x1,x2,xm）=（b1,b2,b3,bn）按最小最大法则可得如下形式：(r11x1)(r21x2)(rm1xm)=b1(r12x1)(r22x2)(rm2xm)=b2(r1nx1)(r2nx2)(rm

21、nxm)=bn2.4 基于模糊综合决策的融合诊断技术在社会和经济领域中，Fuzzy决策和综合评判具有重要意义。在社会生活中，人们要对某些问题进行评判和决策，以提出和选择令人满意的方案。决策一定是在评判的基础上进行的，否则决策方案就不会是最优的。因此评判和决策是不可分割的整体。在故障诊断中，单征兆诊断的结果是相互交叉、重叠的，最终的诊断结果应是多征兆诊断结果的综合。此综合的理论即是模糊综合决策。模糊综合决策分一级模型和多级模型，多级模型是一级模型的扩展。在此，对应的三要素为：因素集：即为征兆种类集S=s1, s2, sn =第一种征兆，第二种征兆，第n种征兆。决策集：即为诊断结果集F= f1,

22、f2, fm =故障1，故障2，故障m。单因素决断：即单征兆诊断结果，将所有单征兆诊断结果构成矩阵则决策模型为 式中，权重矩阵，cij表示第j种征兆对第i种故障的权重。诊断结果，=故障1可信度，故障2可信度，故障m可信度2.5 本章小结本章主要介绍了模糊理论的相关基础知识。包括模糊关系、模糊矩阵、模糊逻辑、模糊变换、模糊判决及综合决策。第三章 模糊理论在磨损故障诊断中的应用通过油样分析来了解机器的工作状态已经有很长的历史了，最初是通过油液的自身的理性化性能如粘度、酸度、水分等的变化来判断机器的工作状态的。由于油样分析方法对机械磨损故障检测的灵敏性和有效性，目前已成为机械故障诊断的主要技术手段之

23、一。根据工作原理和检测手段的不同，目前油样分析方法可分为铁谱分析法、光谱分析法、颗粒计数分析法及理化分析法等。各种油样分析方法各有所长，而单一油样分析技术的诊断准确率均有限，如果综合各种油样分析技术，可以使它们相互补充相互验证，从而大大提高故障诊断准确率，综合诊断方法可以使诊断准确率达到70%以上。由此可见，对多种油样分析方法进行融合诊断具有十十分重要的意义。3.1概述由于油液在机器的润滑系统或液压系统中，作为润滑剂或工作介质是循环流动的，其中包含着大量的由于各种摩擦副产生的各种磨损残物，称为磨屑或磨粒。人们在实践中认识到这种磨损残余物携带的关于机器状态的信息远比油液本身理化性能变化的信息要丰

24、富得多。例如通过各种现代化方法已能对磨粒的成分、数量、形态、尺寸和颜色等进行精密的观察和分析。因而能够比较准确的判断故障的程度、部位、类型和原因。因此，目前在机械故障诊断领域中，油样分析方法的概念实际上已无形中转变为油样磨损残余物的分析了。我们知道磨损、疲劳和腐蚀是机械零件失效的三种主要形式和原因，而其中磨损失效约占80%左右，由于油样分析方法对磨损监测的灵敏性和有效性，因此这种方法在机械故障诊断中日益显示其重要地位。3.2 常见的磨损故障诊断方法3.2.1 理化分析法油样理化分析也是油样的常规分析，是用物理化学的方法对油样的各种理化指标进行测定，设备诊断中需要分析的项目一般为粘度、水份、酸度

25、（值）和机械磨屑（杂质）等，在这些项目上各类润滑油都有其正常值控制标准。上述各指标是衡量润滑油使用性能的最简便的常用尺寸。通过这些指标的测定可实现对机械设备润滑系统的监测、预测和预防因润滑不良而引发的设备故障。3.2.2 磁性塞子检测法磁塞检查法是最早出现的一种检查机器磨损状态的简便方法。它是在机器的油路系统中插入磁性探头（磁塞）以搜集油液中的铁磁性磨粒，并定期进行观察以判断机器的磨损状态的。这种方法只能用于铁磁性磨粒的检测，而且当磨损趋向严重，出现大于50mm以上的大尺寸磨粒时，才能显示较高的监测效率。因此，与其他方法相比，这种方法对早期磨损故障的灵敏度较差。但由于其简便易行，故目前仍为一种

26、广泛采用的方法。磁性探测中用得最多的探测器是磁性塞子、简称磁塞，有柱形也有探针形的，这种方法是用磁铁将悬浮在润滑油中的磨屑与油分开，对这些磨屑进行测量和分析，判别油中含磨屑的浓度，还可以对磨屑的形状和尺寸进行观察，推断零部件磨损程度和磨屑的来源和成因。我们将根据英国航空公司欧洲部丰富的资料而编成的用于磁塞法分析的磁性磨屑碎片式样的特性列于表3-1中。油样分析方法中的总失效指示效率 （3-1）式中，e1传输效率，它等于传输磁塞安装处的磨屑数量与零件磨损产生的磨屑数量之比； e2被磁塞捕捉到的磨屑数量与达到磁塞安装处的磨屑总数量之比； e3有指示效力的磨屑数量与被磁塞捕捉到的磨屑数量之比。由公式（

27、3-1）见，为提高效率，磁塞应装在主通道上，磁铁头应尽量靠近主通道中心线，不要过滤网、油泵或其他液压件的阻隔，同时应加大磁塞的磁场强度等。表3-1磨屑中碎片的特性来源碎 片 的 特 性滚 珠轴 承 （1） 圆形的、“玫瑰花瓣”式的、径向分开的形式；（2） 高度光亮的表面组织，带有暗淡的十字线和斑点痕迹；（3） 细粒状、淡灰色、闪烁发光钢球的碎片：（1） 开始时(特别是在轻负荷NNNN七)鳞片的形状大致是圆的，并且由于钢球和滚道的点与点接触而产生径向分开和印痕。，有时在钢球的表面上出现细的十字形表面疲劳线；（2） 微粒在放大1020倍下，表面上有很小的斑点痕迹，这是由于具有研磨突出部分的金属的细

28、粒状结构，这些突出部分会有闪光作用，这对于优质钢是易于识别的鳞片往往是中心较厚的“体形”。通常一面是高度磨光的表面，而另一面是均匀的灰色粒状组织：（3） 在重的初负荷下，微粒呈较暗黑色，但移向光源时却闪烁发光：（4） 其后产生的下层材料是较黑色的、有更不规则形状，并具有较粗糙的结构滚道的碎片：表面破碎的碎片，通常一面是很光亮的，并像钢球的材料一样，带有暗淡的十字划痕；同时与滚柱轴承的滚道材料有相似的特性，形状大致是圆的滚 柱轴 承 滚道的碎片：（1） 不规则的长方形；（2） 高度光亮的表面组织，沿运行纵向带有划痕；（3） 细粒状、浅灰色、闪烁发光；（4） 由于表面实质上是平的滚动接触，因而划痕

29、是沿滚道走的；（5） 滚道和滚柱两者的外侧往往首先破碎，一般是先出现矩形鳞片，而后逐渐恶化，变成很不规则的“块状”：（6） 内滚道首先恶化，继而是滚柱，最后是外滚道。滚珠和滚柱轴承绕转和打滑碎片：（1） 形状通常是粒状的：（2） 碎片是黑色灰尘保持架的碎片：（1） 是大而薄的花瓣形鳞片；（2） 有光亮的表面组织；（3） 呈铜色；（4） 开始时的碎片是细的青铜末，继而是大的铜色花瓣形鳞片。这种鳞片除非出现了分散的钢的微粒，或钢的微粒嵌在鳞片中，或是有较厚的块状青铜微粒时，才意味着有严重的故障。滚 针轴 承 （1） 尖锐的针形，与刺类似；（2） 粗的表面组织；（3） 深灰色闪烁发光。巴氏合金轴承（

30、1） 平的或球形的一般形状；（2） 平滑的表面组织：（3） 外表有类似焊锡飞溅物或银；（4） 在正常的磨损情况下，对把材料扩散到轴承表面的微小空腔中的轴承，在回油中是很少有碎片的；（5） 当轴承开始发生故障时，微细如发丝的裂纹在任意方向出现，在轴承的表面上造成一般的开裂作用。作用在轴承上的局部油压常常在13.8kRa20.7MPa的范围内，使油进入微细如发丝的裂纹中并终于使微粒松动，微粒在受热时便散落而变成平的。这些碎片常常或是沉积在轴承的另一面，或是沉积在回油路中。当正进入油流时，由于它们的可熔条件，常常形成类似焊锡的细小球体。铝和20%锡轴承（1） 不规则形状；（2） 平滑表面组织，并有细

31、的平行线纹；（3） 外表像焊锡状，银色带有黑线纹；（4） 这些轴承有良好的耐疲劳性，并且在微粒实际上分离开和进入回油油流以前，一般先有一定的故障进展状态。齿 轮咬接的碎片：（1） 不规则形状；（2） 光泽的表面组织，带有许多小的凹痕；（3） 呈灰色，类似焊锡的飞溅物；（4） 由于在齿轮与齿轮之间研磨成碎片，有时可见到齿轮牙齿的压印伴有刻痕，或者只能看见刻痕。正常的磨损碎片：（1） 不规则断面的微细如发丝的织绞物，很短并混有金属粉末；（2） 粗糙的表面组织；（3） 呈深灰色；（4） 小的细发丝状织绞物通常是团在一起，当在磁性探头上时，呈现较厚实的状态。故障碎片：（1） 不规则形状；（2） 表面组

32、织研擦成带有刻痕；（3） 外表粗糙，暗灰色而带有亮点；（4） 这些微粒都是在研磨不规则形状、呈黑色的高亮点而产生的。鳞片有时呈现着齿轮牙齿的外形。一般外侧磨得更光，并有明显刻痕，有时还伴有热变色。材料没有光泽，而且比由轴承产生的碎片较粗糙一些；（5） 由于齿轮的滚动接触特性，在齿尖产生逐点接触，其斑点与滚珠轴承相似，齿的侧面是滑动接触，生成的平行划痕与轴承中滚子的碎片类似；（6） 下层碎片是很不规则的，长而撕裂，这一状况由于齿轮的进一步研磨作用而加重。收集在磁性探头上的碎片，当作为分散的微粒来观察时，似乎是一些金属的织绞物、成碎条状、长而细薄的不规则外形，可以把它比作粗糙的细丝。3.2.3 油

33、样光谱分析法油样光谱分析法分为原子吸收光谱和原子发射光谱法两种。主要是根据油样中各种金属磨粒在离子状态下受到激发时所发射的特定波长的光谱来检测金属类型和含量的。一般用ppm（百万分之一）来表示。这种方法起源于40年代，应用历史较长，因而比较成熟。它提供的金属类型和浓度值为判定机器磨损的部位及超高浓度提供了科学依据，但不能提供磨粒的形态、尺寸、颜色等直观形象。因而不能进一步判定磨损类型及原因。此外，这种方法分析的磨粒最大尺寸不超过10mm，一般当2mm时检测效果达到最高，根据最新的研究结果表明，大多数机器失效期的磨粒特征尺寸，多在20200mm之间。这一尺寸范围对于磨损状态的识别和故障原因的诊断

34、具有特殊的意义。但这一尺寸范围大大超过光谱分析法分析尺寸的范围，因而不可避免的导致许多重要信息的遗漏，这是光谱法的不足之处。目前它主要用于有色金属磨粒的检测和识别。1 光谱分析法的物理原理由原子物理学已知，组成物质结构的原子是由原子核和绕一定轨道旋转的一些核外电子所组成。核外电子所处的轨道与各层电子所含的能量级有关。在稳定态下，各层电子所含的能量级最低，这时的原子状态成为基态。当物质处于离子状态下，其原子受到外来能量的作用时，如热辐射、光子照射、电弧冲击、粒子碰撞等，其核外电子就会吸收一定的能量从低能级跃迁到高能级的轨道上去，这时的原子称为激发态。激发态的原子是一种不稳定状态，有很强的返回基态

35、的趋势。因此其存在的时间很短，约为。原子由激发态返回基态的同时，将所吸收的能量以一定频率的电磁波形式辐射出去。表3-2为一些常用元素的特征波长。表3-2些常用元素光谱辐射的特征波长元素名称CuFeCrNiPbSnNaAlSiMgAg特征波长（）3247 327035793415 2833589023542516309228523281若能用仪器检测出用特征波长射线激发原子后辐射强度的变化（由于一部分能量被吸收）则可知道所对应元素的含量（浓度）。同理，用一定方法（如电弧冲击）将含数种金属元素的原子激发后，若能测得其发射的辐射线的特征波长时，就可以知道油样中所含元素的种类。前者称为原子吸收光谱分析

36、法，后者称为原子发射光谱分析法。1）原子吸收分光光度计的工作原理原子吸收光谱法所用的仪器称为原子吸收分光光度计，它由以下三部分组成（图3-1）元素灯又称为阴极射线管，其灯丝是由待检元素所制成。例如铜(Cu)元素灯工作时将发射特征波长为3247的阴极射线。乙炔空气灯的作用是其高温火焰将油样中各种金属磨粒变成原子蒸汽，即离子状态。检测显示系统包括单色器、光电管、放大器及数字显示屏幕。其作用是检测元素灯发射的射线。射线经光电管转变为电信号，在经放大后又显示屏读出。图3-2上述光度计的工作原理图。设油样中待检元素为铜，则使用铜元素灯发出特征波长为3247和一定强度的电磁波射线，并穿过乙炔空气灯的高温火

37、焰。油样经雾化后吸入燃气火焰所含的各种金属磨粒变成原子蒸汽，其中铜原子将会吸收一部分铜元素灯辐射线的能量而处于激发状态。元素灯辐射线的另一部分透过火焰后强度变弱并进入单色器，并由光电管转化为电信号，经放大处理后由显示屏显示油液中铜的浓度（）。这里所依据的是辐射线经吸收后强度的变化与油液种金属含量浓度之间的某种定量关系。这样关系称为朗伯比尔定律。（3-2）其中A 称为吸光度，定义为，为元素灯辐射光的强度，为元素灯透射光的强度（即辐射光经吸收后减弱后的强度），K为常数，称为吸收系数，其值由实验确定，C为油样中所含待检金属的浓度，l为射线穿透原子蒸汽的厚度。根据以上定律，当测得、并求得吸收光度A 后

38、，即可换算成待检查金属的浓度，由显示屏显示出来。图3-1 原子吸收分光光度计组成框图图3-4 原子吸收分光光度计的工作原理图3-2 原子吸收分光光度计的工作原理1 元素灯；2乙炔-空气灯；3单色灯；4光电管；5放大器；6数字显示器；7试样原子吸收光谱法具有分析的精度很高，取样较少，适用范围较广的特点。其不足之处在于每测一种元素要换一种元素灯，比较麻烦；使用燃气火焰不方便也不安全；除检测元素含量和种类外不能提供磨粒的形状尺寸等直观形象的信息。2）原子发射光谱法的工作原理原子发射光谱法所用的仪器种类较多，但其基本工作原理大致相同，图3-3为其工作原理框图。图3-3中描述出一种发射光谱测定分析系统，

39、高压激发源1用电火花直接激发由回转石墨盘2从油样槽3中带出的油样中的金属磨屑，发射光谱经入口缝隙4进入仪器，经透镜反射的特性光谱6聚焦于焦点曲线7，经过出口缝隙8进入光电探测器9转变成电信号输给信号积分仪10，再从仪器输出到信号处理仪11，最后由打印机12打印出结果，5是光栅，由于对每一元素使用了分开打印和照片探测器读出，这样就可以迅速获得一份完整的分析结果。图3-3 原子发射光谱测定系统1 高压激发源；2一石墨盘；3油样槽；4一人口缝隙；5一光栅；6一特性光谱；7一焦点曲线；8一出口缝隙；9一光电探测器；10一信号积分仪；11一信号处理仪；12一打印机3 油样光谱法的发展应用概况光谱技术原用

40、于样品的化学成分分析，最早将这一技术移植到机械设备上的是1942年美国的一家铁路公司。至1953年美国已有32家铁路公司利用油光谱技术进行内燃机车柴油机状态监测。1969年起美国所有波音747民航飞机均已采用这一技术进行发动机的监测，从70年代开始出现了一些世界性的专业公司，如美国的Caterpiller公司，日本的小松制作所等用油光谱技术为国际用户进行服务。我国从80年代初期开始起步，发展较快的是铁路部门，例如从1992年起铁道部戚墅堰机车车辆工艺研究所就开始对我国内燃机车润滑油的磨粒进行过基础性的研究，并制定了有关监测标准。1985年是石家庄铁道学院与外国公司合作，从1986年开始面向社会

41、承包油样光谱分析业务，几年来除承担平朔煤矿八十余台工程机械和铁道部工程指挥部的五百余台进口公车国内机械的油样分析外，还多国产EQ140汽车的油样分析标准及大机群油样分析管理中的组织、技术、经济问题进行了研究，取得了初步的成果。至1989年我国铁路机务部门已引进直读式发射光谱仪等有关油光谱分析设备十几台，在现场使用中起到了良好效果。例如郑州机务南段利用引进的FAS2C型直读式发射光谱仪于1989年对内燃机、柴油机冷却水泄露及摩擦副故障进行监测，多次预报成功，准确率到70%以上。广州机务段自1986年开展有关谱分析技术以来，仅自1988年1月至1989年7月一年多来既节省停车时间160天，节省维修

42、费用两万多元。在冶金矿山部门开展有关谱分析技术应用最早并取得了较好效果的是江西铜业公司所属的德兴铜矿。它是我国目前最早的一间露天铜矿，拥有各种进口材选及运输设备价值达数亿元。自1985年4月开展油样分析技术的应用以来所获得的经济效益已在百万元以上，它是我国有色冶金部门已制定出较完备的油光谱分析监测标准的少数单位之一。3.2.4 油样铁谱分析法基于上述各种方法都存在着不同程度的不足之处，不能满足机械故障诊断技术发展的需要，于20世纪70年代初期出现了一种新的磨损分析技术，即铁谱分析技术。即基本的方法和原理是把铁制磨粒用磁性方法从油样中分离出来，在显微镜下或用肉眼直接观察，以进行定性及定量分析。这

43、种方法不仅可以提供磨粒的类别和数量的信息，而且还可进一步提供其形态、颜色和尺寸等直观特征。摩擦学的研究表明，磨粒的类别和数量的多少及增加的速度与摩擦面材料的磨损程度及磨损速度有直接关系，而磨粒的形态，颜色及尺寸等则与磨损类型，磨损进程有密切关系。因此这种方法判别磨损故障的部位、严重程度、发展趋势及产生的原因等方面能发挥全面的作用。近几年来研究和实践的结果更进一步表明，铁谱分析方法比其他诊断方法，如振动、性能参数法等能更加早期的预报机器的异常状态，证明了这种方法应用上的优越性，因此尽管这种方法出现较晚，但发展非常迅速，应用范围日益扩大，目前已成为机械故障诊断技术中举足轻重的方法了。经过油样铁谱分

44、析的仪器称为铁谱仪。自1971年在美国出现一台铁谱仪的样机以来，经过二十几年的发展，至今已形成了分析式铁谱仪，直读式铁谱仪、在线式铁谱仪和旋转式铁谱仪等四种各具特点的铁谱仪。其中前两种较成熟，应用较为普遍。直读式铁谱仪的基本结构与分析式铁谱仪类似，只是不需要铁谱仪基片和铁谱仪显微镜。它是用斜置于磁铁上方的沉淀管来代替铁谱基片的位置。1 分析式铁谱仪的组成及工作原理分析式铁谱仪实际上是一个分析系统，它主要由铁谱仪和铁谱显微镜两大部分组成。铁谱仪工作时，将微量泵的流量调至使油液沿基片连续稳定流动为适宜（一般约为15ml/h）。油样中的磨粒在基片上流动时受到磁场力及油的粘滞阻力的共同作用下而沉积在基

45、片上。磨粒在磁场中磁化后相互吸引而沿磁力线方向形成链状条带，而各条带之间磁极又相互排斥而形成均匀的间距而不会产生堆积叠置现象。铁谱基片在经清洗和固定处理后备制工作即告完成。铁谱显微镜是一种双色光学显微镜。它是观测和分析铁谱基片的最基本的工具。它具有两个独立的反射和透射的双色（红、绿）光源，故称为双色显微镜。两个光源可以单独使用也可以同时使用，这可使其分析鉴别功能大为加强。其另一个特点是，若在显微镜上加装一个光密度式的铁谱读数器，则可对铁谱基片同时完成定量分析。2 分析式铁谱仪的定性及定量分析1）定性分析所谓定性分析主要是指对磨粒的形貌（包括形态特征、颜色特征、尺寸大小及其差异等）及成份进行检测

46、和分析，以便确定磨粒故障的部位，识别磨损的类型，磨损的严重程度和失效机理等。2）定量分析定量分析的目的是要确定磨损故障进展的速度。这对进行设备诊断决策十分重要。定量分析主要是指对铁谱基片上大、小磨粒的相对含量进行定量检测。其方法是检测基片上不同位置上大、小磨粒的覆盖面积所占的百分数。检测的设备是利用联装在铁谱显微镜上的铁谱读数器来完成的。铁谱读数器有光密度计和数字显示部分所组成。读数器的显示器可根据基片透光的程度直接换算成磨粒覆盖面积百分数。再在50mm处进行横向扫描，读出该处之最大读数，它代表油样中小磨粒（1-2mm）得密度。由此可以定义一个判别磨粒发展进程的指标，称为磨损烈度指数 （3-3）其中是大、小磨粒覆盖面积所占百分比之和，称为磨粒浓度。其值越大表示磨损的速度越快。代表大于50mm以上磨粒在磨损进程中所起的作