儀器分析技術在變速箱齒輪油監(jiān)測中的應用

張曉菊

(法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710077)

0 引言

變速箱齒輪油是保證變速箱各運動部件正常工作、長周期健康運轉的關鍵。變速箱齒輪油具有如下作用:(1)減少齒輪及其他運動部件的磨損，保證變速箱的正常運行;(2)減少摩擦，減少功率損耗;(3)冷卻、散熱;(4)防止腐蝕與生銹;(5)降低噪聲與振動，減少輪齒間的沖擊;(6)沖洗污染物，特別是清洗齒面上的磨粒，以減少磨損等。文獻 ［1］表明，選擇正確的齒輪油是解決車輛手動變速箱副箱焊接齒及減速齒早期頻繁損壞、齒面剝落、點蝕、斷齒等問題，保護變速箱齒輪和軸承，延長變速箱使用壽命的有效途徑之一。因此，通過對變速箱齒輪油進行有效的監(jiān)測，隨時了解其運行狀況、組分變化，成為確定合理換油期，及時預報潛在故障，消滅事故于未然，使變速箱可靠運轉的必要手段。

目前，變速箱齒輪油分析常用的分析儀器有:鐵譜儀(Ferrography)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Inductively Coupled Plasma Atomemission Spectrometry)、傅立葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometry)等。

1 鐵譜儀

鐵譜技術又稱鐵相學［2］，是以磨損顆粒分析為基礎的診斷技術。它可對帶有磨屑的齒輪油進行定性和定量分析，據(jù)以判斷磨屑的來源、產(chǎn)生原因以及零件的磨損情況。

鐵譜儀構成示意圖如圖1所示。分析時，在待測油中加入一定量純凈的同牌號油和有機溶劑，稀釋后用泵送到玻璃片的上端，當油液中的磨屑沿玻璃片向下流動時，磨屑受到磁場力，重力和油液阻尼力的作用，磨屑從入口端到出口端，按顆粒大小，從大到小依次沉積在玻璃片上，形成譜片，譜片經(jīng)過沖洗劑沖洗掉殘液后，在雙色光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡上進行定性分析，在光密度計式的鐵譜讀數(shù)器上進行定量分析。

2 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀

齒輪油中添加劑元素(Mg，Mo，Ca，Zn，Ba，P等)含量通常是油品質量和使用性能的重要指標之一，而潤滑油中磨損和污染元素(Ni，Ti，Cr，F(xiàn)e，Sn，A1，Mn，Si，Pb，Cu，Ag等)含量是監(jiān)控潤滑油使用性能和預測各種潤滑機械故障的重要參數(shù)［3］。隨著原子發(fā)射光譜技術的發(fā)展和成熟，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀，簡稱ICP-AES，因具有多元素同時測定、線性范圍寬、靈敏度高、基體效應小、精密度好、快速準確等特點，在潤滑油元素分析中也得到廣泛應用。

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀構成示意圖如圖2所示。以射頻發(fā)生器提供的高頻能量加到感應耦合線圈上，若將等離子炬管置于該線圈中心，因而在炬管只產(chǎn)生高頻電磁場，用微電火花引燃，使通入炬管中的氫氣電離，產(chǎn)生電子和離子而導電，導電的氣體受高頻電磁場的作用，形成與耦合線圈同心的渦流區(qū)，強大的電流產(chǎn)生的高熱，從而形成火炬形狀的并可以自持的等離子體，由于高頻電流的趨膚效應及內(nèi)管載氣的作用，使等離子體呈環(huán)狀結構。預先處理好的齒輪油樣由載氣帶入霧化器進行霧化后，以氣溶膠形式進入等離子體的軸向通道，在高溫和惰性氣氛中被充分蒸發(fā)、原子化、電離和激發(fā)，發(fā)射出所含元素的特征波長的光，經(jīng)分光系統(tǒng)分光后，其譜線強度由檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)收集和處理，根據(jù)特征譜線的存在與否，鑒別樣品是否含有某種元素(定性分析)，根據(jù)特征譜線強度確定樣品中相應元素的含量［4］。

3 傅立葉變換紅外光譜儀

紅外光譜是根據(jù)物質吸收輻射能量后引起分子振動的能級躍遷，記錄躍遷過程而獲得該分子的紅外吸收光譜。傅立葉變換紅外光譜法(簡稱FT-IR)是一種進行潤滑油中有機基團和化合鍵分析的有效方法。它具有常規(guī)分析方法所沒有的方便、快速的優(yōu)點。齒輪油在變速箱工作過程中受到摩擦和熱的作用，發(fā)生化學變化和物理變化，生成氧化物、硝化物、硫化物、膠質和積炭，利用紅外光譜技術分析油樣中有機化合物的基團結構，通過比較新、舊油的紅外吸收峰的峰位與峰高，可定性與定量檢測新舊油組分是否發(fā)生了化學變化，以及變化的類型與程度，進而監(jiān)測潤滑油的衰變程度。

傅立葉變換紅外光譜儀構成示意圖如圖3所示。光源發(fā)出的紅外輻射，經(jīng)干涉儀轉變成干涉圖，通過試樣后得到含試樣信息的干涉圖，由計算機采集，并經(jīng)過快速傅立葉變換，得到吸收強度或透光度隨頻率或波數(shù)變化的紅外光譜圖。每個有機基團和化合鍵都有特定的波長，在樣品的紅外光譜圖上，可以根據(jù)吸收峰的位置和形狀來推斷未知物的分子結構，依照特征吸收峰的強度來測定潤滑油中各種物質的含量。

4 結論

鐵譜儀可以監(jiān)測變速箱齒輪油中磁性顆粒的大小及其形貌，在變速箱故障診斷中可以起到一定的作用;電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀主要用于變速箱齒輪油中金屬元素種類和數(shù)量的分析;傅立葉變換紅外光譜儀是測量變速箱齒輪油中有機基團和化合鍵的有效儀器。

【1】金錫志．機器磨損及其對策［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1993:253－269．

【2】魏海軍，孫培廷．油液檢測技術及其應用(2)［J］．世界海運，2004，27(2):51 －53．

【3】黃宗平．ICP-AES法測定潤滑油中微量元素的評述［J］．現(xiàn)代科學儀器，2005(2):61－63．

【4】王麗君，王文焱，李致清．ICP-AEs光譜儀的技術特點［J］．現(xiàn)代儀器，2005(3):56－57．