旋转式铁谱仪谱片磨粒定量分析方法研究*

(中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116)

铁谱分析技术[1]在航空、石油、交通、煤炭、机械、军工等领域有着广泛的应用和发展。目前，铁谱分析仪主要有直读式铁谱仪、分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪3种[2]。直读式铁谱仪是利用高梯度强磁场作用，使磨粒沉积于玻璃管内壁上，根据透射过玻璃管的光强度来分析沉积磨粒，但只能获取磨粒的体积信息。分析式铁谱仪和旋转式铁谱仪都是通过形成铁谱片供进一步观察分析，以获取磨粒的形貌、尺寸、颜色、浓度、种类等大量信息。其中旋转式铁谱仪制得的谱片沉积面积大，沉积的磨粒密度较低，一定程度上改善了磨粒邻近和叠加的现象[3]，特别适用于污染和磨损较为严重工况的油样。

铁谱分析主要有定性分析方法与定量分析方法[4]，这两种方法均需借助配套仪器才能实现。定性分析方法是通过显微镜直接观测磨粒，获得形貌、尺寸、颜色等特征参数，但其准确性受分析人员的经验丰富程度限制，且对分析人员的熟练度要求较高；定量分析方法是直接获取磨损颗粒浓度、尺寸等定量信息，分析结果较为客观、准确。CHEEMA等[5]研发了一种便携式定量铁谱分析工具，其利用微型摄像机捕获流经管架形成薄层的油样中的磨粒图像，经图像处理实现磨粒特征参数分析，但该工具只能识别50～300 μm的磨粒。郑文培等[6]研发了一种制谱与定量分析相结合的分析仪器，通过在谱片平台上下分别安装平行光发射器与接收器，经光密度检测实现铁谱定量测量。杨志伊等[7]研发的GMJ-1光密度测量仪是通过加装在显微镜上的光密度计实现铁谱信息定量采集，虽取代了定性分析方法中操作人员的观测，但其仍需手动测量，测量效率较低，人为误差较大。

针对GMJ-1光密度测量仪存在的测量效率低，易造成人为误差等不足，本文作者设计了一种旋转式铁谱仪谱片磨粒覆盖率测量分析系统。该系统通过控制铁谱显微镜电动载物台的运动路径，在其成像光路中利用光电传感器实时采集磨粒覆盖率信息，采用LabVIEW上位机软件完成磨粒信息的采集、分析与处理。

1 旋转式铁谱仪的定量分析方法

1.1 旋转式铁谱仪的工作原理

旋转式铁谱仪工作原理如图1所示，电机驱动磁头旋转，油样从磁头几何中心滴加到玻璃基片上，在离心力作用下向四周辐散[7]。油样中铁磁性及顺磁性磨粒在磁场力、离心力、液体黏滞阻力和重力的共同作用下，沉积在基片上，并且沿磁力线方向(径向)排列，残油从基片边缘甩出，基片经清洗、固定和甩干处理后，制成谱片[8]。旋转磁头由永磁体、极靴和磁轭共同构成闭合磁路，极靴上的3个同心环形气隙作为工作磁场，决定了制谱过程的磁场强度和沉积范围，磨粒在基片上形成内、中、外3个环形磨粒沉积圈[9]。

图1 旋转式铁谱仪结构示意图

1.2 谱片的磨粒分布特征

磨粒个体特征(如体积、横截面积、水平移动速度等)决定了其在谱片上的沉积位置，根据旋转式铁谱仪磁头的构造和磨粒运动具有的随机性，沉积参数相同的磨粒最终沉积的位置距磁头几何中心的距离应该相等。因此，3个同心磨粒沉积圈上所有半径相等的区域都构成等概率沉积区域[10]。

图2所示是利用摄像机和光学显微镜拍摄的铁谱图，其中(A)是由旋转式铁谱仪制取的完整谱片，(B)是50倍放大下的内、中、外三圈磨粒图像，(C)是分别选取三圈中a、b、c 3个视场经400倍放大观察的图像。通过图像(B)可以观察到，内圈内侧为严重磨损颗粒沉积比率最大的地方，中圈内侧磨粒沉积比率也大于外侧，外圈外侧磨粒沉积比率高于内侧。通过a、b、c 3个视场，观察到严重磨损颗粒集中沉积在内圈，即内圈磨粒尺寸最大，中圈次之，外圈磨粒尺寸最小。内圈内侧直观地反映出严重磨损颗粒的种类与数量特征，中圈内侧是摩擦聚合物、各种氧化物和弱磁性非铁金属颗粒的主要沉积区域，外圈外侧集中分布着因腐蚀磨损形成的小尺寸颗粒[11]。通过观测各磨粒沉积圈磨粒沉积比率最大区域，可以直接获取磨粒的磨损程度和沉积比率信息，在反映严重磨损颗粒种类和数量变化方面，客观上起到了放大的效果而更敏感，有助于提高分析的准确性[12]。

图2 铁谱磨粒分布特征

1.3 定量测量参数选取

旋转式铁谱仪谱片定量分析的参数主要有内圈磨粒覆盖率AI、中圈磨粒覆盖率AM、外圈磨粒覆盖率AO、磨损严重度AI-(AM+AO)、磨损烈度指数Is和磨粒浓度W等[13]。其中，磨损烈度指数Is能够表示出机械设备的磨损速度和磨损程度，是定量分析中最常用的判断指标，灵敏度优于其他指标，它综合反映了机械设备的磨损速率和磨损量。

根据杨志伊等的研究[11]，在同一等概率沉积区随机选取8个视场进行定量观测，其平均值能够以90%以上的置信概率代表相应的等概率沉积区所有磨粒的定量参数值。结合磨粒分布特征，每个磨粒沉积圈只需采集8个磨粒覆盖率最大值，其均值即可代表该磨粒沉积圈的磨粒覆盖率。因此，磨损烈度指数Is计算公式修正为

(1)

2 测量分析系统的自动测量方法研究与装置设计

2.1 磨粒覆盖率测量方法确立

根据旋转式铁谱仪谱片上磨粒的等概率沉积规律，每个磨粒沉积圈磨粒覆盖率最大的区域位于同一等概率沉积区，呈圆环状，采集镜头沿径向由谱片中心到边缘，必然会采集到磨粒沉积比率最大的视场。基于此，提出如下磨粒覆盖率测量方法：电动载物台运动，使显微镜镜头由谱片中心沿径向移动，实时采集谱片内、中、外环的磨粒覆盖率，并依次提取各环最大值。每环等间距选取8条采集路径，共获取24个磨粒参数信息，再经均值处理获取各磨粒沉积圈的磨粒覆盖率均值。

2.2 测量分析系统自动测量装置的设计

如图3(a)所示，测量分析系统由数据采集模块和运动控制模块组成，通过LabVIEW上位机应用程序实现数据采集、分析、处理和电动载物台运动控制。

图3 测量分析系统组成与测量原理

数据采集模块主要由透射光源(科信仪器，DM-9068型)、光电传感器(龙信达科，LXD1010CE型)、I/V转换放大器、滤波器、数据采集卡(阿尔泰，USB3202)和计算机等组成。其中，透射光源安装在显微镜底座上，光电传感器安装在铁谱显微镜第三目上。图3(b)所示为系统测量原理，当透射光透过无磨粒洁净玻璃基片时，光电传感器感应光信号并转换成原始电压信号，经信号放大、滤波、信号采集，最终传输到上位机LabVIEW应用程序中，经数值处理，显示出当前磨粒覆盖率数值为0.0；当无透射光透射时，由光电传感器获取的原始电压信号经传输、处理，显示出当前磨粒覆盖率数值为100.0。对系统的磨粒覆盖率“0.0”值与“100.0”值进行标定后，当透射光透过谱片磨粒沉积区时，光电传感器获取原始电压信号，经传输、处理，在上位机上显示出当前的磨粒覆盖率数值。

运动控制模块主要由计算机、运动控制卡(乐创，MPC08)、转接板、驱动器、电动载物台(科盈创拓，LY220DPY50×50M)等组成。自动采集过程中，镜头由谱片中心沿径向移动，实时采集磨粒覆盖率信息，并同步显示在应用程序窗口上，每采集完一个磨粒沉积圈，系统便提取出其磨粒覆盖率最大值。当采集完外圈磨粒定量参数，系统便改变电动载物台X、Y轴运动参数使镜头复位到谱片中心，接着沿下一条路径采集，直至采集完8条路径上的磨粒信息。

3 测量分析系统的测试实验

为了验证旋转式铁谱仪谱片磨粒覆盖率测量分析系统的可靠性与实际性能，通过实验测试分析依次验证系统的线性度、准确性、重复性以及对设备故障的监测性能。

3.1 线性度与准确性测试实验

采用一组标准遮光片(遮光率分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%)，分别固定到测量分析系统的电动载物台上，依次点击“复位”、“标定”、“采集”，每张遮光片随机测量3个遮光率值，并计算其遮光率测量值的均值，采用MATLAB程序进行回归分析与误差计算。

3.2 磨损工况模拟实验

采用M2000型摩擦磨损试验机生成检测油样，其原理如图4所示，摩擦副由45钢加工的环、块组成，润滑油为SAE 10W-40汽车发动机油。实验开始加载200 N，以200 r/min转速运行3 h，再加大载荷到400 N，运行3 h，继续加大载荷至600 N，运行3 h。实验中，每隔1 h抽取油样样品一次，采用KTP-Ⅲ型旋转式铁谱仪将每次获取的油样制成一张谱片，共9张，根据油样抽取时间依次给谱片编号。

图4 M2000磨损试验机原理图

3.3 重复性测试实验

取代表3种工况的谱片2、谱片5、谱片8依次进行定量测量，系统沿8条路径依次采集内、中、外三环的磨粒覆盖率实时值，并提取各环磨粒覆盖率最大值，从而计算各谱片的磨损烈度指数Is值。每张谱片重复测量10次，通过分析Is值的重复性相对标准偏差验证系统测量的重复性。

3.4 磨损工况判别实验

通过测量分析系统自动采集9张谱片的磨粒覆盖率信息，记录每张谱片测量参数：AImax、AMmax、AOmax及Is值，通过分析试验机运行过程中载荷变化带来的磨损参数变化，验证系统对磨损状态的监测性能。

4 实验结果与分析

4.1 系统线性度与准确性实验结果与分析

对标准遮光片的遮光率实际测量值进行回归分析得到的回归曲线如图5所示，曲线的截距、斜率分别为-0.224、1.005，则回归方程为y=1.005x-0.224。经计算，该回归模型的相关系数R=0.996，统计量F=15 985，R趋近1，F较大，表明回归直线对样本点的拟合程度很高。同时，查表F>F0.01(1,6)=13.75，P<0.01，F对应的概率P很小，因此回归模型假设成立，遮光片的标准值与系统测量值存在极显著的线性关系，系统满足线性度要求。遮光片的实际测量值与其遮光率标准值的相对误差最大为1.70%，最小为-1.10%，因此系统的测量相对误差不到2.0%，准确度较高。

图5 遮光率测试数据拟合曲线

4.2 系统重复性实验结果与分析

图6(a)所示为系统沿一条采集路径实时采集的磨粒覆盖率与采集位置的关系曲线，内、中、外3个磨粒沉积圈依次分布在5～6 mm，9～10 mm，14～15 mm区域，这与磁头的3个环形磁场分布位置相吻合。同时，系统在各环的磨粒覆盖率较大一侧分别提取磨粒覆盖率最大值，通过数值处理获取各谱片的磨损烈度指数Is。

图6 系统重复性测试结果

图6(b)所示为谱片2、5、8磨粒的磨损烈度指数Is重复采集结果。同一张谱片的Is值几乎相等，且都分布在重复性允许范围内，即磨损烈度指数Is值的重复性相对标准差RSD均小于10%，均满足系统测量重复性要求，证明了文中测量分析系统具有较好的重复性，能够满足测试系统的要求。

4.3 变负荷工况模拟实验结果与分析

图7所示为旋转式铁谱仪谱片磨粒的AImax、AMmax、AOmax及Is值与运行工况的关系曲线。可见，200 N负荷下各定量参数基本稳定并处于较低数值；运行3 h后，改变载荷至400 N，各定量参数数值上升，随后维持在上升后的水平；运行6 h后，加大载荷至600 N，各定量参数数值再次上升至较高水平，随后继续维持该水平。整个监测过程中，各定量参数在不同程度上反映出磨损工况的改变，其中磨损烈度指数Is变化最为明显，清晰地反映出磨损工况的变化。测量过程中，通过显微镜(400倍)观测谱片内圈磨粒，图7中a、b、c分别为磨损运行2、5、8 h油样所制取谱片的内圈磨粒图像。可以看出，第一次加载前，磨粒数量较少，且磨粒尺寸较小；加载至400 N，磨粒数量增多，尺寸增大；继续加载，出现尺寸较大的磨粒，且磨粒数量进一步增多。说明该测量分析系统可以实现对设备磨损工况的预检。

图7 磨粒定量参数与运行工况的关系曲线

5 结论

(1)针对旋转式铁谱仪定量分析方法中存在的工作量大、工作效率低等问题，并基于旋转式铁谱仪工作原理、谱片磨粒分布规律，搭建了旋转式铁谱仪谱片磨粒覆盖率测量分析系统。该系统利用光电传感器获取磨粒信息，控制显微镜电动载物台运动，实现了谱片磨粒定量信息自动化采集、处理与分析。

(2)完成了系统线性度、准确性、重复性等检测实验，实验结果表明，所设计的测量分析系统满足线性度要求，测量相对误差不到2%，系统准确性较好，重复性相对标准差小于10%。

(3)完成了磨损工况判别实验，根据各磨粒定量参数的变化情况，能准确判断所监测设备故障的发生，满足预期设计要求。

(4)该系统提高了铁谱定量分析的效率，降低了实验人员的工作强度。同时，该系统基于铁谱显微镜的光学成像，亦便于操作人员观测谱片实现定性分析，提高了测量的可靠性。