儀器分析技術(shù)在變速箱齒輪油監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張曉菊

(法士特汽車傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件正常工作、長周期健康運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。變速箱齒輪油具有如下作用:(1)減少齒輪及其他運(yùn)動(dòng)部件的磨損，保證變速箱的正常運(yùn)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(dòng)，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(xiàn) ［1］表明，選擇正確的齒輪油是解決車輛手動(dòng)變速箱副箱焊接齒及減速齒早期頻繁損壞、齒面剝落、點(diǎn)蝕、斷齒等問題，保護(hù)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(duì)變速箱齒輪油進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，隨時(shí)了解其運(yùn)行狀況、組分變化，成為確定合理換油期，及時(shí)預(yù)報(bào)潛在故障，消滅事故于未然，使變速箱可靠運(yùn)轉(zhuǎn)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(shù)又稱鐵相學(xué)［2］，是以磨損顆粒分析為基礎(chǔ)的診斷技術(shù)。它可對(duì)帶有磨屑的齒輪油進(jìn)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(gòu)成示意圖如圖1所示。分析時(shí)，在待測(cè)油中加入一定量純凈的同牌號(hào)油和有機(jī)溶劑，稀釋后用泵送到玻璃片的上端，當(dāng)油液中的磨屑沿玻璃片向下流動(dòng)時(shí)，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(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡上進(jìn)行定性分析，在光密度計(jì)式的鐵譜讀數(shù)器上進(jìn)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(zhì)量和使用性能的重要指標(biāo)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(yù)測(cè)各種潤滑機(jī)械故障的重要參數(shù)［3］。隨著原子發(fā)射光譜技術(shù)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(shí)測(cè)定、線性范圍寬、靈敏度高、基體效應(yīng)小、精密度好、快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在潤滑油元素分析中也得到廣泛應(yīng)用。

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀構(gòu)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(yīng)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(dǎo)電，導(dǎo)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(qiáng)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(yīng)及內(nèi)管載氣的作用，使等離子體呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。預(yù)先處理好的齒輪油樣由載氣帶入霧化器進(jìn)行霧化后，以氣溶膠形式進(jìn)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(qiáng)度由檢測(cè)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(qiáng)度確定樣品中相應(yīng)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(zhì)吸收輻射能量后引起分子振動(dòng)的能級(jí)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(jìn)行潤滑油中有機(jī)基團(tuán)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(diǎn)。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(xué)變化和物理變化，生成氧化物、硝化物、硫化物、膠質(zhì)和積炭，利用紅外光譜技術(shù)分析油樣中有機(jī)化合物的基團(tuán)結(jié)構(gòu)，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(cè)新舊油組分是否發(fā)生了化學(xué)變化，以及變化的類型與程度，進(jìn)而監(jiān)測(cè)潤滑油的衰變程度。

傅立葉變換紅外光譜儀構(gòu)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(zhuǎn)變成干涉圖，通過試樣后得到含試樣信息的干涉圖，由計(jì)算機(jī)采集，并經(jīng)過快速傅立葉變換，得到吸收強(qiáng)度或透光度隨頻率或波數(shù)變化的紅外光譜圖。每個(gè)有機(jī)基團(tuán)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(jié)構(gòu)，依照特征吸收峰的強(qiáng)度來測(cè)定潤滑油中各種物質(zhì)的含量。

4 結(jié)論

鐵譜儀可以監(jiān)測(cè)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(cè)量變速箱齒輪油中有機(jī)基團(tuán)和化合鍵的有效儀器。

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

【2】魏海軍，孫培廷．油液檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用(2)［J］．世界海運(yùn)，2004，27(2):51 －53．

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

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