目前,國內外已開發出的鐵譜儀種類很多,人們也從不同角度提出了不同的分類方法。由于磁鐵裝置是鐵譜儀的核心部件,若按磁鐵的工作原理來分,可分為永磁式鐵譜儀和電磁式鐵譜儀。根據機器狀態監測方式來分,又可分為離線鐵譜儀和在線鐵譜儀。若按實現鐵譜定量與定性分析功能需要來分,又可分為分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、雙聯式鐵譜儀等,上述三種鐵譜儀都屬于離線鐵譜儀。此外,若根據鐵譜片的制作原理不同分類,又可分為旋轉式鐵譜儀和固定式鐵譜儀。具體分類如下:
下面介紹幾種常用的鐵譜儀的結構與工作原理。
一、直讀式鐵譜儀
直讀式鐵譜儀與分析式鐵譜儀非常相似,它們都是利用高梯度強磁場的原理來收集潤滑油樣中的鐵質磨粒。而不同之處在于分析式鐵譜儀能在顯微鏡下觀察研究磨料的形貌,而直讀式鐵譜儀僅能測定磨粒的數量及其大致的尺寸分布。
在直讀式鐵譜儀中,磨粒的沉積原理與分析式鐵譜儀相似,只是用一根玻璃沉淀管來代替玻璃基片。制備在試管中的分析油樣在重力和虹吸作用下,經過毛細管而進人沉淀管。油樣中的鐵磁性磨粒在沉積管下面的高梯度強磁場作用下,會有序地沉積在玻璃管底部。大于5μm的大磨粒首先沉積,它們一般沉積在沉積管的入口區;1~2μm的小磨粒沉積在較遠處。在大、小磨粒沉積位置分別設置有光束發射裝置,光束穿過沉積管,被設置在沉積管另一側的光電傳感器所接收,可以直接測定磨粒濃度的讀數。直讀式鐵譜儀測量磨粒濃度的光路系統如圖5所示。這一光電轉換測量系統測出的是因磨粒沉積而覆蓋沉積管底部而造成的光強衰減值,并用直讀單位DL和DS在液晶數碼管上直接顯示。DL和DS兩個光密度讀數分別代表大、小磨粒的相對數量,用來表示摩擦副的磨損狀態。磨粒在直讀式鐵譜儀中沉積管內的沉積排列如圖6所示。由于磁場力的作用,大磨粒(>5μm)在沉積管的入口區首先沉積,而小磨粒則按它們尺寸大小實現有序沉降、分布沉積。
直讀式鐵譜儀的主要特點是能迅速、方便、較準確地測定出機器分析油樣中的大小磨粒的相對數量,能對機器的磨損狀態給出定量分析,因而對機器工況監測特別有用。
使用直讀式鐵譜儀分析機器潤滑油樣的步驟如下:
(1)制備分析油樣;
(2)油樣在虹吸作用下經毛細管流過鐵譜沉淀管;
(3)油樣中的磨粒在高梯度磁場的作用下進行沉積;
(4)用光電轉換系統測定磨粒的光密度讀數,并以DL、DS數碼直接顯示。
二、分析式鐵譜儀
分析式鐵譜儀是最早開發出來的鐵譜儀,它包含了鐵譜技術的全部基本原理。分析式鐵譜儀的用途是用來分離機器潤滑油樣中的磨粒,并能使磨粒依照尺寸大小有序地沉積在一顯微鏡玻璃基片上,從而制成鐵譜片,然后利用鐵譜顯微鏡等觀測和分析儀器,實現對磨粒的定性、定量鐵譜分析。
分析式鐵譜儀將從潤滑系統中取得的分析油樣經稀釋處理后取樣到玻璃管中,經微量泵將分析油樣輸送到安放在磁場裝置上方的玻璃基片的上端,玻璃基片的安裝與水平面成一定傾斜角,以便在沿油流方向形成一逐步增強的高強度磁場,同時又便于油液沿傾斜的基片向下流動,從玻璃基片下端經導流管排入廢油杯中。分析油樣中的可磁化金屬磨粒在流經高梯度強磁場時,在高梯度磁力、液體黏性阻力和重力聯合作用下,按磨粒尺寸大小有序地沉積在玻璃基片上,并沿垂直于油樣流動方向形成鏈狀排列。在分析油樣從基片上流過之后,經用四氯乙烯溶液洗滌基片,清除殘余油液,使磨粒固定在基片上便制成了可供觀察和檢測的鐵譜片。
鐵譜片的磨粒尺寸分布。用于沉積磨粒的玻璃基片又稱鐵譜基片,在它的表面上制成有U形柵欄,用于引導油液沿基片中心流向下端的出口端到廢油杯。由于鐵譜片需要在光密度計上測量磨粒的百分覆蓋面積以估計出磨粒的分布密度,并在光學顯微鏡和掃描電鏡下觀察與分析磨粒的形態、大小、數量和成分,故對玻璃基片的純度、均勻度及表面清潔度等都有一定要求,通常鐵譜基片應經特殊處理。
分析式鐵譜儀是由磁鐵副、兩磁極和磁座板(磁軛)共五塊磁材料拼裝成U形的一個永久磁鐵裝置。由于該磁鐵裝置設計獨特,又采用特殊的磁性材料,產生的磁場是一個高強度和高梯度的發散強磁場。兩磁極間約有lmm的氣隙,用鋁板隔開,磁鐵裝置氣隙中央的磁感應強度可達1.8T,在垂直方向上的磁感應梯度可達0. 4~0.5T/mm。在這樣的磁場作用下,當分析油樣流經位于磁場裝置上方的玻璃基片時,油樣中的磨粒在連續增高的磁場力的作用下被磁化并迅速在譜片上沉積。由于玻璃基片是傾斜安裝,故油樣中的磨粒在進入磁場后,隨著流動會受到一個逐漸增強的梯度磁場作用,使大尺寸磨粒首先在人口端沉積,最小尺寸顆粒通常在出口端附近位置上沉積,從而使磨粒能按照其尺寸大小有序地在鐵譜片上沉積。
在磁場的作用下,由于磨粒之間的S極與N極相互吸引,從而使它們在垂直于油液流動方向排列成鏈狀,而已經排列成鏈狀的磨粒因受磁力線和磁場梯度等作用,與其上方繼續沉積并排列成鏈狀的磨粒將會相互排斥而分開,故磨粒鏈之間會保持一定的距離。