油液分析技术及主要检测参数!

2018年11月09日 • 汽车保养 • 阅读 3

不论是现场测试还是实验室检测,确定设备和油液的健康状况都需要检测好几个参数。下面是对每个参数的介绍和典型的测试方法.

不论是现场测试还是实验室检测,确定设备和油液的健康状况都需要检测好几个参数。下面是对每个参数的介绍和典型的测试方法.

粘度测试

粘度是润滑油最重要的物理特性.粘度决定了润滑油的承载能力和循环能力. 通常情况下,润滑油的粘度越高承载力就越强,同时循环性就越差,因此,任何润滑油在使用时,都必须在高粘度和低粘度之间寻求平衡。除了润滑性能之外,保证润滑油在任何情况下都具有流动性是非常重要的。在使用过程中,一些污染物比如水、燃料、氧化和烟炱都会影响润滑油的粘度。因此,粘度是设备润滑系统中最重要测试参数之一。

重力低落 – 最常用的测量运动粘度的技术方法是可控制温度的重力低落法,通常,单级油测量的是40 ℃的粘度 ,多级油测量的是40和100 ℃ 的粘度. 测量使用的毛细管粘度计是基于粘度和时间之间的关系。润滑油粘度越高,流过毛细管的时间越长。

目前,市面上有几种标准化的毛细管粘度计在使用。实验室大多使用玻璃毛细管; 现在较常用的现场测试运动粘度的粘度计采用的是开合式铝制毛细管。这些粘度计的毛细管设计,有的是直流的,有的是逆流的。在直流式毛细管中, 油样贮藏室位于测量标的下方。在逆流式毛细管中,油样贮藏室位于测量标的上方。逆流式毛细管可以测量不透明的油样,而且有的毛细管还有第三个测量标。三个测量标,两个连续的流动时间,逆流式毛细管可以测试不透明的油样,有些毛细管还有第三个测量标。 两个连续的流动时间和三个测量标,确保了测量的精度。

颗粒分析

颗粒计数是设备状态监测的一个重要方面,监测污染颗粒数量和污染程度的工具有很多,无论是来自与外界的污染还是设备本身的磨损。至于哪种工具是最合适的,取决于特定的应用和颗粒的类型。例如,保持液压系统的清洁是很重要的,即使是污染程度很低的物质也会堵塞制动器和阀门,导致系统故障。与液压系统相比,由许多可拆卸部件组合在一起的反转齿轮和传动系统能承载的磨损颗粒要多一些。

颗粒直接成像

直接成像系统里面有一个配置CCD阵列的固态激光器,可以对捕捉到的颗粒直接成像,如左图所示。激光照射在样品上,光学透镜可以将激光放大。CCD相机可以捕捉样品的图像并进行存储。

成像主要用来进行尺寸和形状分析.通过直接成像可以得到每个图像的等效圆直径,颗粒的数量、尺寸分布以及ISO代码。同时,直接成像系统也提供颗粒计数的其它输出格式,但是ISO 4406是最常见的。

光阻法颗粒计数, 或者激光颗粒计数器(OPC’s) 是进行在用油分析的传统仪器. 光源,通常是激光穿过样品,部分光线被颗粒阻挡,因此到达光电探测器阵列的光线会变少,导致与颗粒的截面积成正比的电压发生变化。光探测器技术与车库门开启的原理是一样的.

堵塞式颗粒计数器常用来对设备在用油进行现场分析. 这种颗粒计数器有一个滤网,颗粒会在滤网上堆积。它的设计是基于恒定的流量或压力。恒流设计测量的是流量不变的情况下滤网上的压降。恒压设计测量的是压力不变的情况下流量的变化。

元素光谱

评估设备的磨损状况式设备状态监测的主要作用。用油设备在使用过程中会产生磨损颗粒,从开始出现故障到设备寿命的终结,期间磨损颗粒的性质和产生的速率式不断变化的。用于监测磨损及其严重程度的技术是光谱分析。光谱技术可以定量检测物质中元素的存在。 光谱分析利用了每种元素都有独特的原子结构这一特征。当能量被激发时,每种元素会发出特定波长或颜色的光。由于每种元素的谱线是单一的,因此可以被区分开. 发射光的强度与样品中元素的含量成正比,这样就可以确定元素的浓度。通常,这些元素分析技术用元素被激活的方式来命名。

旋转圆盘电极原子发射光谱

现代的光谱仪中,典型的激发方法是电极放电。这种设计的原理是将电极或火花产生的能量传递给样品。就油料分析光谱仪而言,两个电极之间会产生一个强大的电势。常用的电极有两种:固定钨或银电极;或者石墨圆盘电极和石墨棒电极.两种操作都是将油样放在中间 .

由电容器存储的电荷通过该间隙放电,产生高温电弧,使一部分样品汽化,形成等离子体.所发出的强光中包含了所有元素特有的射线。

X-射线荧光

元素分析的另一种方法是使用X射线激发样品. 具有足够高能量的x射线会把电子从元素的内壳中撞击出来。撞击之后的空位被具有更高能级的电子所填满。为了降低能级,这些电子会以发射x射线的形式放射能量。这些被放射出的x射线具有被分析元素的典型特征。所产生的x射线的强度与所存在元素的浓度成正比。

火焰原子吸收光谱法

原子吸收光谱仪(AA)是一种低成本、高灵敏度的光谱仪, 通常在只检测少量元素时使用. 这项技术基于原子吸收——一定作用下,原子吸收的波长正好是他们被激发时放出的波长。通过用溶剂稀释或酸硝化来制备油样,并且通过雾化将油样引入氧乙炔和氧化亚氮 - 乙炔火焰中。辐射源,如空心阴极射线管,通常会向感兴趣的元素发射光线,光线通过火焰定向到探测器。如果样品中不存在任何该光源感兴趣的元素,则通过火焰并用探测器测量的光强是最大的。随着油样中光源感兴趣元素的浓度增加,会发生吸收, 探测器测量到的光强就会减弱。

铁磁性磨损监测

大多数润滑设备的表面都是铁合金的. 铸铁和钢合金的高物理强度和耐磨损性能使其成设备磨损表面的良好选择。流体动力润滑表面的设计是用于将磨损颗粒以适当的速率去除。这些颗粒是由设备表面和润滑剂之间的磨损产生的,在磨损表面末端会形成恒定的再生层。

这些颗粒是细小的铁磁性颗粒,通过它们可以知道油是否变脏,是否需要更换。另外,当磨损表面上的力导致正常润滑层破裂时,会产生更大更严重的磨损颗粒。在后一种情况下,润滑表面的正常磨料磨损机制会发生故障,并切换到更严重的异常粘着磨损模式。一旦磨损表面受损,就会产生较大的附着力,如果不解决,设备很快就会发生灾难性故障。根据设备部件的物理状况,油液分析师可以采用不同的铁磁性监测技术进行油液分析。

红外光谱

众所周知,红外光谱是一项非常通用的油液分析技术。红外光谱可以提供有关油的一系列信息,例如污染、老化、添加剂、流体特性等。在所有这些情况下,油对红外光谱中特定区域的吸收都被检测和测量,每一个区域都有独特的特征。

润滑油的红外光谱分析方法非常简单。润滑油吸收的红外线辐射量与辐射频率成函数关系。这张图展示了典型润滑油的光谱特征。这就是我们所需要的红外光谱;我们只需要确保所获得的红外光谱的准确性。一般来说不同种类的润滑油有着不同的光谱。正是这些差异将这些光谱转化为了有用的信息。

通过表面声波测量燃油稀释

燃油稀释会造成严重的发动机损坏。润滑油中高含量的燃料水平(2%)导致机油粘度下降,油液降解,分散性和氧化稳定性丧失。对于内燃机而言,燃料稀释是最重要的润滑油失效形式之一。它通常发生在燃料-空气比不当的情况下。过度怠速、活塞环磨损或喷油嘴缺陷和接头松动,也可能导致燃料稀释。

■ 表面声波传感

斯派超FDM 6000 燃油稀释测量仪采用了表面声波传感器(SAW) ,专门针对燃料中的蒸汽产生反应.它的工作遵循亨利定律:z在封闭容器中,燃油蒸汽的浓度与存在于润滑油中的燃油含量成正比。

油液分析主要参数

颗粒计数

颗粒计数是设备调试中重要的一个方面。用以监测来自外界污染和设备磨损的颗粒数量和污染程度的工具有很多。颗粒的类型决定了采用哪种技术进行颗粒计数。例如,液压系统的持续清洁是至关重要的,即使污染程度非常低的污垢也会堵塞执行器和阀门,导致过早失效。相反,包含许多运动部件的齿轮和传动系统能够承受比液压系统更多的磨损颗粒。

ISO洁净度代码表示油的洁净度。每个ISO代码表示每毫升液体中的颗粒范围。表1列出了常用的ISO代码及其对应的粒子计数范围。

总碱值/总酸值

总酸值

润滑油中高浓度的酸性化合物会促进油泥和清漆的形成,导致机器零件腐蚀和过滤器堵塞。润滑油分解时,在空气和热量的作用下,基础油和添加剂的化学分解会产生酸性副产品。总酸值(TAN)是衡量润滑油中酸性物质浓度的指标。润滑油的总酸值取决于润滑油中添加剂、酸性污染物和氧化副产物的含量。对于新油而言,添加剂的消耗会导致TAN的降低。然而,随着时间的推移,油脂中氧化副产物和酸性污染物的积累总会导TAN的增加。对于工业机械来说,TAN的测试是最有意义的,尽管发动机油测试经常用到TBN.

总碱值

总碱值(TBN)是衡量润滑油中碱性浓度的指标。发动机油采用的是碱性添加剂配方,以防止酸性物质在润滑油中的积累,因为它可以中和酸性物质。润滑油中TBN的含量水平取决于具体的应用。汽油发动机油的初始TBN水平一般在5-10 mg KOH/g左右,而柴油发动机油往往较高(15-30 mg KOH/g),因为柴油发动机的运转环境更恶劣。特殊应用,如船用发动机,可能需要>30 mg KOH/g。随着润滑油使用时间的延长,碱性添加剂逐渐被消耗。一旦碱性添加剂消耗超过一定限度,润滑油就会失效,发动机就会有被腐蚀、形成污泥和清漆的危险。这时,就需要更换机油了。

元素分析

光谱技术是一种定量检测材料中元素存在的技术。光谱分析利用每个元素都有一个独特的原子结构这一原理,当受到能量激发时,每个元素都会发出特定波长或颜色的光。如果这种光通过分散元件(如棱镜)来分散,就会产生光谱。由于没有任何两种元素具有相同的谱线模式,因此我们可以对收集到的光进行分析,并识别样品中包含的每个元素。此外,光的强度与样品中元素的数量成正比,因此可以确定元素的浓度。与每种元素的原子结构的wei yi性对应,这些谱线也是wei yi的。

原子序数为1的氢原子,光谱相当简单。相比来说,原子序数为26的铁原子的光谱要复杂得多,可见光谱中有许多发射谱线,与可能发生的许多电子跃迁相对应。如果样品中存在多个元素,每个元素都会出现不同波长的谱线。这些谱线必须被区分开来,以便识别和量化样品中的元素。通常从众多谱线中选择一个谱线来确定某一元素的浓度。这条谱线的强度通常较高,且不受其他元素谱线干扰。要进行谱线分析,就需要一个光学系统.

油中冷却液分析

乙二醇常用作汽车发动机和其它零部件的冷却剂。乙二醇可通过有缺陷的密封件进入发动机机油,造成机油和传动液污染。乙二醇是一种很难检测的污染物,是实验室检测面临的一个挑战。 随着油温的变化,乙二醇会慢慢失效。这种不稳定性是在确定的时间内测定机油中乙二醇真实含量的主要挑战,也是现场测试和实验室检测结果不一致的主要原因。

取样后立即使用FluidScan进行检测,是检测油中乙二醇污染的可靠方法。另外一种用来检测冷却液污染的测试方法是元素光谱分析。元素分析可以发现乙二醇冷却液中存在的高浓度金属-有机缓蚀剂,这种缓蚀剂在机油配方中原本是不存在的。通常在冷却液中加入钠、硼、钾和硅以防止腐蚀。

粘度

粘度是润滑油最重要的物理特性. 粘度决定了润滑油的承载能力以及循环能力。任何润滑剂及其应用都必须考虑其高粘度的承载粘度和低粘度的循环粘度之间的平衡。油除了提供润滑外,在任何情况下到要保持润滑油的流动性是至关重要的。在使用过程中,水、燃料、氧化和烟炱等污染物都会影响润滑油的粘度。因此,粘度测量是机械系统中油的重要测试之一。在设备状态监测中,测量的是运动粘度,即在重力作用下的流动阻力。

颗粒度检测

油液颗粒计数的方法有很多,包括激光直接成像法、光阻法和孔堵塞法。斯派超科技的产品实际上采用了这三种技术。

激光直接成像 - LaserNet 200系列使用激光直接成像来进行颗粒计数和颗粒分类。它是颗粒计数方法中最常用的一种,具有以下优点 :

分辨率精确到1um

无需校准

可进行颗粒形貌分类

光阻法 - MicroLab 系列油液监测系统内置光阻法颗粒计数器,可用来测试发动机油、传动油和液压油。光阻法颗粒计数器的优点包括:

精确控制污染

便携

简单易用,自动化

孔堵塞法 - 这种颗粒计数器采用一个细网,颗粒会在网上堆积。是基于恒定流量或恒定压力而设计。基于恒定流量的测量仪测量的是流量恒定的情况下网格上的压降。恒压设计测量仪是在保持压力不变的情况下测量流量的变化。FieldLab 58 采用孔隙堵塞颗粒计数器。其优点是 :

不受添加剂或水的干扰

不受烟炱干扰

不受气泡干扰

网格上堆积的颗粒可以采用其它方法进行分析,比如XRF

铁磁性磨损

铁磁性磨损分析设备大致包括总铁磁监测仪和铁磁性颗粒监测仪。总铁磁监测仪会告诉分析师油中总的铁含量,并告知您设备是否会出现更严重的磨损。判断从正常磨损到严重磨损或异常磨损的转变取决于监测设备的准确性。对闭环润滑系统进行定期取样,你会发现在更换润滑油之前,总含铁量会稳步增加。这些监测设备是实验室和最终用户现场检测的良好工具,因为测量快速且容易执行。

铁磁性颗粒分析仪在确定临界磨损过渡点和薄膜厚度分解方面特别有用。铁磁性颗粒分析仪还是识别大颗粒和阻止设备表面进一步磨损的最重要工具。

烟炱

没有任何发动机的效率能达到100%,因为在燃烧过程中除了二氧化碳和水外,还会形成其他的产品。不完全燃烧产生的一种产品烟炱。烟炱是碳颗粒的堆积物,典型的形状呈球型。随着烟炱浓度的上升,烟炱颗粒会逐渐聚集在一起,危险性会上升。烟炱颗粒聚集到一定程度会从油中析出,形成沉淀物 。这种沉淀物既会增加机油的粘度,又会附着在发动机表面,从而显著增加发动机的磨损。这种沉淀物也会堵塞过滤器。定期进行烟炱检查可以延长排放周期、减少废油处理和延长柴油机的使用寿命,从而节省成本。

热重分析(TGA)ASTM D5967是用来测量油中烟炱含量的方法。 TGA 是一个相当耗时的实验室方法,需要纯气体和烘炉,不适合在现场测试。红外光谱法是一种更简单的方法,它采用一种类似的方法ASTM D7889,通过光栅红外光谱法来测量烟炱含量。这是FluidScan手持分析仪采用的方法。

氧化, 硝化和硫化

氧化、硝化和硫化只能用光谱法来测量。其他方法,如粘度变化或阻抗可以用来推断由于氧化、硝化或硫化而发生的变化,但要真正了解每个参数,必须使用光谱法来对油液进行分析。

红外光谱利用辐射源、探测器和计算机来研究物质和光的相互作用。氧化和硝化产物在1600 ~ 1800 cm-1的红外光谱中呈峰值。硫化产物在1120-1180 cm-1的红外光谱中呈峰值。由于没有关于氧化、硝化和硫化的绝对参考标准,所以结果总是与新油进行比较。例如,如果在1650 cm-1左右的峰值随着发动机油在指定时间内取样的变化发生强烈变化,那就预示着硝化就发生了,原因可能是空气/燃料比不当。

测量氧化、硝化和硫化的方法有实验室级FTIR和便携式现场测试方法。ASTM E2412描述了FTIR测量这些特性的标准实践。此外,还确定了氧化(D7414)、硝化(D7624)和硫化(D7415)的具体试验方法。ASTM D7889是现场监测油液化学性质的标准方法,它使用光栅红外光谱仪,比如FluidScan®,FluidScan®操作方便, 且不需要专业人员。

燃油稀释

燃料稀释是一个重要的润滑油污染问题,它可能会导致发动机损坏。有几种测量燃料稀释的方法。粘度是一个比较传统的测试方法。直接的方法包括GC、闪点测试和SAW。具体选用方法取决于具体的需要。

粘度是一种间接的方法,粘度只表明可能存在燃料稀释。它不能直接测量燃料的稀释度,因为导致粘度变化的因素有很多。

闪点测试简单又廉价,但危险性较高,且需要有经验的操作员来解释结果。

气相色谱法是一种非常精确的方法,有几个ASTM标准与之相关,但它是一种实验室方法,很难在现场实施。

表面声波(SAW)传感速度快、简单、安全、准确,无需溶剂,并直接提供燃油稀释的百分比。

水分

在润滑油中,水可以在几种状态下存在,如果不加以控制,可能会对设备造成相当大的损害。在这篇指南中,我们探讨了润滑油中水的存在所带来的挑战,并讨论了可靠性专业人员用来测量油中水的方法。

工业用油中的水污染可能导致机械部件出现严重故障。水的存在会改变润滑剂的粘度,也会引起化学变化,导致添加剂损耗和酸、污泥和清漆的形成。水测试一直是润滑状态监测的一部分。具有较强水分离特性的工业油品中的水污染一直是一个历史性的难题。

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