铁谱技术铁谱仪的种类应用工控

自20世纪70年代以来，铁谱技术得到了迅速地发展。目前，铁谱技术已经成为机器磨损及故障早期预报和追踪的主要手段之一，在机械、铁路、冶金、军事、石化及航空航天等领域都有成功地应用，对于摩擦机理研究、机械故障诊断、油品性能评价和质量控制方面都有着显着的应用价值。

铁谱技术及铁谱仪的种类

铁谱分析技术是利用高梯度的强磁场将润滑油试样中的微粒按照尺寸大小有序沉降在铁谱基片上，通过铁谱显微镜等设备对铁谱基片上微粒的成分、数量、尺寸、形态等进行分析，进而判断磨损程度、磨损部位和分析磨损机理等。铁谱收集微粒的尺寸可以覆盖绝大多数磨损形式可能产生的微粒尺寸范围，并且可以在不拆卸、不停止机械运行的条件下了解机械的磨损状态，对磨损发展趋势进行预测。

随着铁谱技术的发展，产生了适用于不同场合和要求的铁谱仪。目前较为广泛使用的铁谱仪器有分析式铁谱仪、旋转式铁谱仪、直读式铁谱仪和在线铁谱仪等。

分析式铁谱仪

分析式铁谱仪是铁谱仪最初也是最基本的形式，主要由制谱仪和铁谱显微镜组成。制谱仪由磁铁装置、微量泵、铁谱基片及导管等组成，是制备铁谱基片的装置。

在使用中，铁谱基片以一定的倾斜角度放置在磁铁上方，通过微量泵和输液导管将试样输送到铁谱基片上方，试样沿铁谱基片上的憎油槽向下流动，垂直通过磁铁的磁力线。在磁力、重力和粘滞阻力的共同作用下，磨粒按照尺寸大小有序地沉降在铁谱基片上，呈链条状分布。对沉降完成的铁谱基片进行清洗和固定处理后，用铁谱显微镜进行定量和定性分析。

铁谱显微镜是一种双色光学显微镜，具有两个独立的反射和透射双色光源，不仅可以对磨粒的颜色、形状进行观察，还可以测量磨粒尺寸。另外通过铁谱显微镜上的光密度计可以确定磨粒的数量，铁谱显微镜是观察和分析铁谱基片的最基本的工具。

旋转式铁谱仪

旋转式铁谱仪是在分析式铁谱仪的基础上发展起来的，对制谱仪进行了改进，克服了分析式铁谱仪的一些问题，如磨粒容易在谱片入口区发生重叠效应，大磨粒在泵送过程中被碾碎而使分析失真等。旋转式铁谱仪的制谱仪由圆形永久磁铁、传动装置、试样输送装置和控制部件等组成。在工作过程中，铁谱基片连同圆形磁铁一起旋转，通过加压或是重力方式将试样和清洗剂输送到旋转的基片上，液体在离心作用下被甩出基片，进入废液池中；磨粒则在磁力作用下在基片上形成环状的沉积带。一般旋转式铁谱仪设有2圈——3圈圆环式磁力回路，因而形成2圈——3圈同心圆沉积圈。从内圈到外圈沉积的磨粒尺寸依次降低。由于没有使用泵送，旋转式铁谱仪避免了大颗粒被泵送时碾碎而使结果失真的问题；同时，采用离心方式也缩短了制谱时间。

旋转式铁谱仪也是通过铁谱显微镜来观察和分析磨粒。

直读式铁谱仪

为了改进分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪测量速度慢的问题，产生了直读式铁谱仪。直读式铁谱仪能够快速分析磨损量，但不能分析磨粒形貌。直读式铁谱仪由永久磁铁、虹吸泵、光电传感器、沉积管和信号装置组成，其制谱原理和分析式铁谱仪类似，用以一定倾斜角度放置在永久磁铁上方的沉积管充当基片，用虹吸泵泵送试样流过沉积管，在磁力作用下微粒沉积在沉积管的内壁。用两束相距5mm的光线透过玻璃沉积管，第一束光位置表示大磨粒读数DL，第二束光位置表示小磨粒读数DS，经光电探头测量后由信号装置换算显示出读数，以读数反映磨损程度。

在线铁谱仪

传统的铁谱仪都是离线式的，都需要取样进行试验，试验周期长，对操作人员的技能要求高且不能连续检测，这使得铁谱的应用受到限制。为了解决这些问题，国内外学者研究了在线铁谱仪。在线铁谱由探测器和分析器组成，其中探测器包括一个高梯度的磁场装置、沉淀管、流量控制器和传感器等，将机器在用的润滑油从旁路引流到探测器中，在磁力作用下油样沉积到沉淀管的内表面，利用表面感应电容传感器测出大磨粒和小磨粒的读数，用分析器计算出大磨粒和小磨粒的含量、磨粒尺寸分布等。当磨粒浓度超过预定值时，分析器可报警或使所监测的机械停止运行。由于铁谱仪与油路系统直接相连，每次测量完自动用油样清洗沉淀管，之后便可以进行下一次测量，测量周期短，可实现实时监控。

铁谱分析方法

用铁谱对磨粒进行定量和定性分析，给摩擦机理研究、机械诊断、油品性能评价和产品质量控制提供依据，分析方法包括磨粒成分分析，磨粒的数量与尺寸分析及磨粒形状分析。

磨粒成分分析

磨粒的成分分析是实现磨损部位追踪的关键，通过铁谱显微镜、扫描电镜等设备观察磨粒的透明性、颜色、形貌等，可大致区分磨粒成分；对谱片加热，通过观察回火颜色也可鉴别磨粒成分；结合原子光谱分析技术还可以检测磨粒中的微量元素。

铁谱显微镜包含反射光和透射光两个独立的光源，配合滤光片和偏振光装置，其中反射光使用红色滤光片，透射光使用绿色滤光片。由于颗粒的透明性不同、呈现出的颜色、形貌特征有所差别，通过铁谱显微镜可初步识别颗粒的成分。如同时使用红色反射光和绿色透射光时，由于铁谱片上的金属颗粒是不透明的，只有反射光通过而呈红色，而氧化物或是其它化合物的颗粒是透明或半透明的，可以透过绿光，因而呈绿色；移去滤光片，用白光进行反射和透射，铜合金磨粒具有特殊的红黄色，氧化铅颗粒具有彩色的氧化斑点，铁的氧化物呈红色或黑色；在正交偏振光下，金属磨粒等没有旋光效应的物质呈黑色，但能观察到明亮的磨粒边缘轮廓，有旋光效应的物质在正交偏振光下则可见。

对于无法直接用铁谱显微镜识别成分的磨粒可用观察回火颜色的方法来判断。该方法是将谱片加热到一定温度后冷却，将冷却后的谱片放在铁谱显微镜下观察颜色。由于成分不同，磨粒的回火颜色有所区别，借此可以判断磨粒的成分。如将铁谱片加热到330℃，时间为90s，冷却后低碳钢为蓝色，铸铁为淡黄色，铝、铬、铅等则为白色。此外，结合原子光谱分析技术可以确定磨粒中的微量元素，如MOA型原子发射光谱仪可以检测20多种元素，等离子体（ICP）光谱仪可以检测60多种元素。

磨粒数量与尺寸分析

铁谱片的入口端主要沉积大磨粒，出口端沉积小磨粒，通过测量大磨粒和小磨粒的数量来表示磨损的烈度。

分析式和旋转式铁谱仪采用光密度计读数来测量磨粒数量，用磨屑在铁谱片上的覆盖面积来表示。分析式铁谱仪大磨粒的覆盖面积百分数为AL，小磨粒的覆盖面积百分数为AS；旋转式铁谱仪则还有中等磨粒的的覆盖面积百分数AM。直读式铁谱仪和在线铁谱仪则可以直接读出表示大磨粒和小磨粒的数量参数DL和DS。

用（DL+DS）或（AL+AS）表示总磨损，Σ（DL+DS）或Σ（AL+AS）表示累计总磨损；（DL-DS）或（AL-AS）表示磨损度，Σ（DL-DS）或Σ（AL-AS）表示累计磨损度；（DL+DS）×（DL-DS）或（AL+AS）×（AL-AS）表示磨损烈度指数。对于有三个沉积圈的旋转铁谱仪，还可用AL2-（AM+AS）2表示磨损烈度指数。

磨粒形态分析

磨粒有条状、块状、锯齿状、球状、薄片状等不同形状，磨粒表面也存在区别，有的表面有褶皱和划痕，有的粘附有其它磨屑。磨粒的形态差异可以反映出磨损类型。正常滑动磨损产生的磨粒通常呈薄片状，表面光滑；严重滑动磨损时，磨粒尺寸一般在15μm以上且磨粒表面有划痕和直的棱边；切削磨粒呈月牙状、螺旋状或丝圈状；疲劳剥块磨粒呈平片状，具有光滑的轮廓和随机曲折的轮廓；层状磨粒表面伴有孔穴、空洞等缺陷；球状磨粒尺寸较小，在白色反射光的铁谱显微镜下能观察到明亮的中心和黑色环带边缘。

铁谱显微镜是观察磨粒形貌的基本工具，利用扫描电镜等高放大倍数的设备能观察到更小微粒的形貌。随着计算机技术、图像分析技术的发展，铁谱磨粒的形貌识别向自动化方向发展，利用扫描摄像机将显微镜里的图像传输到图像分析仪中，对磨粒的轮廓特征、边缘细节、表面纹理、颜色、粒度等进行自动识别和分析，提高了分析效率。

铁谱润滑研究应用

作为能直接反映机械磨损状况的铁谱技术可应用于润滑油的研究中。

在润滑油研究中的应用

尚慧岭等用油液分析与铁谱技术相结合，研究了采煤机润滑系统的合理选油问题。通过对三种润滑油样的铁谱分析，评价了不同润滑油的抗磨效果，为采煤机润滑系统合理选用润滑油提供依据。张学丽等利用铁谱分析了某柴油机油中的摩擦聚合物，认为当铁谱片中出现摩擦聚合物时，表明摩擦副在高负荷下局部过热，已经使得润滑油产生变质，润滑效果下降，同时也表明可能发生了异常磨损。

李菲菲等为了研究润滑系统中过滤装置对润滑油润滑性能的影响，分别在有和没有过滤装置的条件下对润滑油工况进行模拟，将得到的油样进行铁谱分析。结果表明，加入过滤装置后，润滑油的润滑性能明显提高，减少了机械磨损。魏海军等综合利用光谱分析、颗粒度分析和铁谱分析方法，也作了类似的研究。

王浩利用摩擦磨损试验机和铁谱技术，研究了国产和进口压缩机润滑油的耐磨性，用铁谱显微镜观察分析了不同磨损状态和工况条件下的典型磨粒特征，以此判断润滑油的耐磨性能，并分析其磨损机理。

王钊结合油液的理化性能分析、光谱分析、铁谱分析等方法，构建了柴油机润滑油使用性能的综合评价模型，并论证了模型的可行性，使柴油机润滑油使用性能的评价更加科学合理。

在添加剂研究中的应用

铁谱用于润滑油添加剂的研究时常与摩擦磨损试验机一起使用，两者的试验结果相互印证，共同表征添加剂的效果。因与实际情况有很好的一致性，因而得到广泛的使用。

徐敏利用四球机和铁谱考察了三种典型的极压抗磨剂在合成航空润滑油的表现。将不同含量和种类的极压抗磨剂加入到航空润滑油中，用四球机进行试验，将试验后的油样进行铁谱分析。结合铁谱特征和四球机试验结果，对比了三种极压抗磨剂的使用效果，并探讨了极压抗磨剂的最佳添加量。

顾艳红等研究一种以羟基硅酸铝为主的金属陶瓷润滑油添加剂对润滑油性能的影响，用自制的销盘式摩擦磨损试验机进行摩擦试验，并将试验后的油样进行铁谱分析。结果表明，加入添加剂后磨损烈度指数和磨粒含量均下降。

徐贞利用铁谱和摩擦磨损试验机分别研究了纳米铜和纳米碳酸钙润滑油添加剂的润滑作用，证明了两种添加剂对润滑性能都有明显地提高。同时，根据铁谱分析，提出了添加剂的作用机理。郭剑等也做了相似的研究。

小结

铁谱作为一种能定量和定性分析磨粒的工具，为探测机械磨损部位、判断磨损程度、分析摩擦机理都提供了强有力的手段，能直观地反应润滑油对机械的保护程度，对于润滑油的研究有重要意义。

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