从颗粒计数到形貌识别：金属磨粒如何反映机械损伤？
设备运行平稳，温度正常，振动也没有明显异常，轴承、齿轮等关键部件就没有发生异常磨损吗？
还真不一定。
在压缩机、汽轮机、齿轮箱等工业装备中，机械部件长期承受摩擦与交变载荷，局部材料脱落形成的金属磨粒会随润滑油进入循环系统。
有的薄如鳞片，有的细长如切屑，还有的呈现不规则块状。这些微小的金属磨粒，保留着摩擦副表面材料损失的特征信息，其数量、粒径、形貌及金属属性，能够为机械磨损状态分析提供不同维度的线索。
滑动、切削、疲劳等磨损类型会形成怎样的颗粒？现有检测技术能够获取哪些信息？动态图像检测又能在磨粒识别中发挥什么作用？
一、不同形态的金属磨粒，反映哪些磨损类型？
机械磨损过程中，摩擦副的接触方式、载荷及润滑条件影响材料脱落形式，形成具有不同形貌特征的磨粒。
滑动磨损颗粒：通常呈较薄的片状，部分表面较为平整，主要与摩擦表面的微量材料脱落有关，正常运行过程中也可能持续产生。
切削磨损颗粒：常表现为细长条状、卷曲状或具有锐利边缘的颗粒，通常与硬质颗粒犁削、表面划伤等磨损过程有关。
疲劳磨损颗粒：多呈不规则片状或块状，可能具有粗糙断裂表面，与轴承滚道、齿轮齿面等部位的循环接触疲劳及材料剥落有关。
严重滑动磨损颗粒：可能出现较大尺寸的片状或块状颗粒，表面伴有明显划痕、撕裂边缘或塑性变形特征，与局部润滑条件恶化及异常接触有关。
ASTM D7684-24《在用润滑油颗粒显微表征标准指南》对磨损及污染颗粒的显微分类和结果报告提供了规范依据。实际磨损诊断涉及颗粒类型、数量、尺寸及设备运行工况，通常需要建立与设备类型相适应的磨粒特征基线。
图1 典型金属磨粒形貌
二、颗粒数量与粒径，如何评价油液状态？
金属磨粒的形貌与磨损机制密切相关，颗粒数量及粒径分布则是油液污染状态评价的基础参数。
ISO 4406:2021规定了液压系统油液固体颗粒污染度的分级方法。采用自动颗粒计数方法时，三位数编码分别对应每毫升油液中粒径≥4 μm(c)、≥6 μm(c)和≥14 μm(c)的颗粒数量等级。液体自动颗粒计数仪的相关校准可依据ISO 11171:2022开展。
光阻法是常用的油液颗粒计数技术，通过检测颗粒经过光束时产生的光强变化，获取颗粒数量及等效粒径信息，应用于油液清洁度评价、过滤效果分析及污染趋势监测。
实际检测中，水滴及部分软颗粒可能引起计数偏差。ASTM D7647-24针对水滴和软颗粒干扰规定了相应的稀释处理方法。
颗粒污染度能够量化油液中的颗粒数量分布。对于具有相近污染度等级的油样，其固体颗粒中可能包含不同类型、尺寸和来源的磨损产物，机械损伤分析还涉及金属成分及颗粒形貌特征。
三、现有磨粒检测技术，能够获取哪些信息？
金属磨粒的形成与摩擦副材料损失有关，元素成分、磁性响应及显微形貌能够为磨损来源和损伤机制分析提供更多信息。
元素光谱分析主要测定油液中的磨损金属及污染元素浓度。ASTM D6595-22规定的旋转圆盘电极原子发射光谱法（RDE-AES），可检测溶解态及约10 μm以内颗粒中的相关元素，对较大磨粒的元素响应存在一定限制。
分析式铁谱通过颗粒沉积、显微观察及形貌分析，识别滑动、切削、疲劳等典型磨损颗粒，主要用于磨损机理研究及异常磨损诊断，通常需要取样、制样和显微分析。
金属磨粒传感技术可利用颗粒的电磁响应等特征，监测铁磁及部分非铁磁金属磨粒的变化，获取磨粒信号及其变化趋势。
元素浓度能够辅助分析磨损材料来源，显微形貌有助于识别磨损机制，金属磨粒传感则为设备运行过程中的磨粒变化监测提供技术手段。具体磨损部位及损伤程度仍需结合设备结构、运行工况和历史监测数据进行分析。
四、动态图像检测，能够补充哪些磨粒信息？
磨粒形貌是机械磨损分析的重要特征。动态图像检测利用光学成像与图像处理技术，在油液流动过程中获取颗粒图像，提取粒径、轮廓、长宽比、圆度等参数，为磨损颗粒分类及状态变化分析提供可量化的形貌信息。
ASTM D7596-24《采用直接成像集成测试仪进行油液自动颗粒计数与颗粒形状分类的标准试验方法》，对特定直接成像测试方法的颗粒计数与形状分类作出了规定，其中颗粒形状分类主要适用于长度大于约20 μm的颗粒，涵盖滑动、切削、疲劳等类型。不同动态图像检测设备的实际性能与光学分辨率、测试条件及图像处理能力有关。
动态图像检测可与光阻法颗粒计数、金属磨粒传感及元素分析等技术配合使用，补充颗粒轮廓和形貌特征信息，拓展油液磨损状态的监测维度。
目前，智火柴已将动态图像颗粒识别技术应用于动态图像颗粒传感器及在线油液监测系统，可在油液流动过程中采集颗粒图像，获取颗粒数量、粒径及形貌等特征信息。结合铁磁、非铁磁磨粒检测及油液多参数监测，为工业设备磨损状态的连续跟踪、异常识别与故障诊断提供数据支持。
图2 油液颗粒检测方法及动态图像技术互补关系示意图
来源：Han W., Mu X., Liu Y., et al. A Critical Review of On-Line Oil Wear Debris Particle Detection Sensors. Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11(12): 2363. 依据图1(b)分类内容整理，中文改绘。
金属磨粒的数量、粒径、形貌及材料属性，携带着机械部件在运行过程中产生的磨损信息。通过颗粒计数、元素分析、磨粒传感及动态图像检测等技术，可以从不同角度获取磨损特征，持续跟踪设备内部摩擦副的状态变化，为工业装备故障排查、状态检修及预测性维护提供技术依据。
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