分析式铁谱仪制谱质量的影响因素研究

　　分析式铁谱仪 ( Analytical ferrograph) 是应用最广泛的一种油液检测设备，兼具对磨损情况定性与定量分析的功能，而制谱的质量是决定油样分析效率、正确判定机械状态的关键，必须具备如下条件: ( 1)油液中的磨损颗粒尽可能沉积在谱片中; ( 2) 大小颗粒的分离———较大颗粒大概率地分布在油样入口处，小磨粒分布在较后方，以便于光密度计的测量;( 3) 磨损颗粒的沉积应单层沉积，避免堆积，从而影响显微镜的观测。其中，前两项条件是本文作者研究的重点。

　　影响铁谱片上铁系磨粒沉积的因素很多，总的来说可以分为内因和外因两大类。磨粒的尺寸、形状、密度、成分和磁化率等是内因，这是由检测的对象所决定的。外部因素主要有油样的黏度、密度、浓度和铁谱仪的磁感应强度与梯度，同时试样输送流量、铁谱基片的尺寸与安放角度、四氯乙烯清洗谱片的时间等[1]，对制谱质量也有很大的影响，本文作者着眼于研究磨损颗粒的沉降规律，分析各因素对颗粒沉降的影响。

　　1 磨损颗粒受力分析及沉积位置的函数推导

　　磨粒在铁谱基片上的沉降规律是指磨粒在谱片上的沉积位置与制谱条件诸因素、磨粒自身粒度之间的函数关系。油样经铁谱基片流动过程中，对单个磨损颗粒做受力分析，分别以平行与垂直基片两方向为 X轴与 Y 轴建立坐标系，玻璃基片入口端在该坐标系平面的交点为原点，假设: ( 1) 磨损颗粒为理想球型，其等效直径为 D = 4A/槡π ，其中 A 为磨粒的投影面积[2]; ( 2) 由于铁谱片沿 X 轴方向长度有限，油液在沿玻璃基片流动过程中，沿 Y 轴方向的厚度可看成不变; ( 3) 由于铁谱片与水平面所成角度在实际应用中为 1° ～ 4°，角度很小，油样在经输油管滴入基片上后，沿 X 方向为匀速流动; ( 4) 颗粒仅受宏观力的作用; ( 5) 由于外置磁场的磁场强度很高，铁磁性磨粒一经进入玻璃基片区域即被磁化达到饱和。

　　1. 1 磨粒在 XY 平面内受力分析

　　分析磨粒在 XY 平面上的受力与运动情况，根据固 - 液两相流体动力学分析，颗粒在流体中除自身重力 G，磁场力 FB，流场中浮力 Ff，因运动而引起的流体阻力 Fn外，还分别受到 Basset 力、压强梯度力、Magnus 力和 Saffman 力[3]。后 4 种力通常情况下可忽略，为了便于运动分析，只考虑重力 G，磁场力 FB，流场中浮力 Ff，流体阻力 Fn对颗粒的影响。

　　( 1) 颗粒在 Y 方向上受力如图 1 所示。

　　根据牛顿第二定律有:

　　其中，G =16πD3ρpg; 磨粒所受的磁场力简化为 FB=16πD3κμBdBdz; Ff=16πD3ρfg; Fn= 3πηDupy[4];mp=16πD3ρp; upy是磨粒沿 Y 轴方向的速度; t 是时间; B 为磁感应强度;dBdz为磁场在垂直方向的梯度;κμ是颗粒的体积磁化率与磁导率的比值; ρf、ρp分别为流体与磨粒的速度; η 为流体的动力黏度; α 为玻璃基片与水平面夹角。将上述各式代入式 ( 1) 得: