元素分析：用于大顆粒分析的FPQ-XRF（一）

一、前言

  顆粒計(jì)數(shù)和元素識(shí)別所回答的是油液分析中重要的兩個(gè)問(wèn)題：“有多少？”和“從哪來(lái)？”。這兩個(gè)指標(biāo)是任何機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控程序中都為關(guān)鍵的測(cè)量值。對(duì)于當(dāng)前的技術(shù)，通常使用SEM/EDX，XRF和一些鐵譜儀對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行溯源分析，而顆粒計(jì)數(shù)只是這之前的預(yù)篩查。這些溯源分析技術(shù)被證實(shí)往往是昂貴、費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的。若使用其他只對(duì)小顆粒敏感的常規(guī)技術(shù)進(jìn)行元素分析，又無(wú)法提供關(guān)于設(shè)備從正常狀態(tài)到異常磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)變的較好監(jiān)測(cè)方案。也就無(wú)法通過(guò)分析機(jī)器潤(rùn)滑部件產(chǎn)生的磨損顆粒的數(shù)量、尺寸和元素組成來(lái)對(duì)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些磨損顆粒的尺寸和數(shù)量都與機(jī)器的磨損狀態(tài)直接相關(guān)（圖1）。

  機(jī)器的初始磨損狀態(tài)與正常磨損狀態(tài)不同。在初始磨損狀態(tài)下，磨損機(jī)理、運(yùn)動(dòng)副接觸面積、負(fù)載、速度和潤(rùn)滑油條件都會(huì)影響初始磨損顆粒的尺寸和數(shù)量。潤(rùn)滑油液的整體污染水平往往依賴大閾值的設(shè)定來(lái)控制，而初始磨損狀態(tài)下顆粒產(chǎn)生過(guò)程較為復(fù)雜，使得大閾值和報(bào)警的設(shè)置變得極為困難。閾值應(yīng)該是一個(gè)較小的固定限值（通常由OEM限定），往往需要用顆粒計(jì)數(shù)器來(lái)量化。顆粒計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO4406和NAS1638是專門(mén)為顆粒計(jì)數(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的。

  在易于產(chǎn)生磨損的潤(rùn)滑系統(tǒng)中，過(guò)濾和其它磨損機(jī)理在整個(gè)顆粒中有著重要作用。過(guò)濾器主要負(fù)責(zé)特定粒徑的動(dòng)態(tài)平衡條件[1]，并為大顆粒設(shè)置基線并報(bào)警。非常細(xì)的顆粒在這個(gè)模型中不易被檢測(cè)，因?yàn)樗鼈儠?huì)被稀釋到系統(tǒng)中，使得任何基線測(cè)量都不可能。從正常磨損模式到異常磨損模式的轉(zhuǎn)變也會(huì)產(chǎn)生少量的小顆粒，因?yàn)樽饔迷诩羟谢旌蠈由系牧Ω螅⑶壹?xì)顆粒磨損代替從剪切混合層下面產(chǎn)生的更大的磨損顆粒[2]。不同磨損模式下，機(jī)器會(huì)產(chǎn)生不同類型的磨損顆粒。

二、現(xiàn)有機(jī)器故障測(cè)試技術(shù)

顆粒計(jì)數(shù)

  顆粒計(jì)數(shù)能夠較好地預(yù)估磨損情況的嚴(yán)重性，并且很容易檢測(cè)出顆粒從小到大的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。顆粒計(jì)數(shù)通常使用以下技術(shù)：光阻法、直接成像或孔阻塞柱塞法等技術(shù)。

  光阻技術(shù)受到重合效應(yīng)（顆粒重疊）和煙炱顆粒的干擾。因此該方法僅適用于分析在污染控制工業(yè)中與機(jī)器內(nèi)部接觸較少的清潔半透明油液。

  直接成像技術(shù)通過(guò)使用CCD傳感器處理更大面積上的顆粒來(lái)計(jì)算重合效應(yīng)。樣品通過(guò)脈沖激光二極管照射，可以將稀釋前樣品的光通量提高到約2％，并克服樣品中煙炱顆粒的影響。

  傳統(tǒng)的孔阻塞裝置類似于光學(xué)顆粒計(jì)數(shù)器，因?yàn)槠湓陬w粒物相對(duì)低的水平下就會(huì)達(dá)到量程上限，所以不適合于量化機(jī)器中嚴(yán)重污染磨損的樣品。然而它們?cè)谔幚砗刑紵熁蛩挠鸵簶悠窌r(shí)更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些污染物可以順利通過(guò)孔而不增加信號(hào)輸出。這是孔堵塞技術(shù)優(yōu)于光阻擋和直接成像技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。

三、LNF技術(shù)與傳統(tǒng)的鐵譜技術(shù)相比

1、原子發(fā)射光譜

  磨損顆粒的元素識(shí)別一般使用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極（RDE）或電感耦合等離子體（ICP）的原子發(fā)射光譜法進(jìn)行。然而這兩種技術(shù)不能夠檢測(cè)出大顆粒。因此人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了其他輔助技術(shù)來(lái)幫助增加原子發(fā)射的大顆粒檢測(cè)能力。這些技術(shù)包括Rotrode Filter Spectroscopy（RFS）和酸解。

  這些輔助技術(shù)需要耗費(fèi)大量時(shí)間并需要制備大量的特殊的樣品，并且在酸解時(shí)需使用危險(xiǎn)化學(xué)品。

2、X射線熒光技術(shù)（XRF） 

  XRF也是原子發(fā)射光譜儀，主要用于合金材料元素分析。在潤(rùn)滑油檢測(cè)中，主要用于S、P、Cl等鹵族元素的檢測(cè)，受基質(zhì)效應(yīng)和單點(diǎn)激發(fā)的限制，XRF不適合檢測(cè)潤(rùn)滑油中金屬元素，尤其是在用油中金屬元素的含量檢測(cè)，目前也沒(méi)有任何關(guān)于XRF在用油檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。

  但XRF有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它能激發(fā)相對(duì)較大顆粒進(jìn)行元素檢測(cè)，將潤(rùn)滑油過(guò)濾后，使用XRF直接檢測(cè)濾膜上的磨損顆粒，通過(guò)內(nèi)置的大顆粒元素分析校準(zhǔn)程序，將其變?yōu)橐环N非常理想的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備磨損篩查和故障預(yù)警手段。

3、鐵譜分析技術(shù)與濾膜鐵譜分析技術(shù)

  鐵譜分析是識(shí)別磨損模式和機(jī)械故障根本原因的強(qiáng)大技術(shù)。鐵譜分析是一個(gè)深入的、結(jié)論性的測(cè)試，因?yàn)樗褂脽崽幚砑夹g(shù)和偏振光技術(shù)可以識(shí)別金屬的不同類型、顆粒顏色、表面和形態(tài)，并可判斷磨損產(chǎn)生原因和機(jī)理。鐵譜根據(jù)譜片制備，可分為濾膜鐵譜和分析鐵譜。

  進(jìn)行鐵譜分析的大缺點(diǎn)是它既耗時(shí)又需要依賴專業(yè)人士來(lái)進(jìn)行分析。這種技能只有工作多年分析了大量鐵譜圖的專業(yè)技術(shù)人員才具有。鐵譜技術(shù)需要與其他更快的篩選技術(shù)相結(jié)合才能獲得成功。單獨(dú)使用鐵譜技術(shù)檢測(cè)常規(guī)樣品并不可靠和實(shí)際。

4、SEM EDX

  SEM EDX技術(shù)使用非常高的放大率來(lái)觀察和檢查顆粒，并使用EDX裝置對(duì)顆粒進(jìn)行元素分析。與傳統(tǒng)的金相顯微鏡相比，SEM的景深要大得多。這種景深增強(qiáng)意味著粒子可以在高放大倍數(shù)下保持聚焦，用戶可得到更多的細(xì)節(jié)。與標(biāo)準(zhǔn)磨損顆粒分析類似，使用光學(xué)顯微鏡SEM EDX不適合進(jìn)行常規(guī)樣品分析。該儀器昂貴并且該技術(shù)涉及一些樣品制備，例如對(duì)樣品施加導(dǎo)電涂層以提高完整鐵譜分析的分辨率。然而如果需要識(shí)別問(wèn)題的根本原因或需要進(jìn)一步確證，建議進(jìn)行完整鐵譜分析。