基于粒度分布的傳動(dòng)系統(tǒng)磨損研究

曹國(guó)棟 于大海 竇同豪 王景 朱艷姝 王玉潔

摘要： 通過(guò)圖像分析系統(tǒng)對(duì)鐵譜圖的定量分析，評(píng)估了一種用磨損粒度分布來(lái)區(qū)分傳動(dòng)系統(tǒng)不同磨損模式和確定瞬態(tài)磨損的方法;提出了用威布爾分布函數(shù)來(lái)表征磨損狀態(tài)并給出了不同磨損狀態(tài)下的結(jié)果;證明了磨損粒度分布的均值和方差的變化可以明確的指示出磨損過(guò)程中的磨損類型和磨損程度。

Abstract： Through the quantitative analysis of ferrograms by Quantimet， a method to distinguish different wear modes of transmission system and determine transient wear by wear particle size distributions is evaluated. The Weibull distribution function is proposed to characterize the wear state， and the results under different wear states are presented. It is proved that the changes of mean and variance of wear particle size distribution can clearly indicate the wear type and extent in the wear process.

關(guān)鍵詞： 傳動(dòng)系統(tǒng);磨損;鐵譜圖;圖像分析儀;威布爾分布函數(shù)

Key words： transmission system;wear;ferrogram;Quantimet;Weibull distribution function

中圖分類號(hào)：U463.216.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0056-03

1 ?簡(jiǎn)介

油液潤(rùn)滑系統(tǒng)中的磨粒分析可以用于防止設(shè)備意外事故的發(fā)生和作為新設(shè)備開發(fā)的設(shè)計(jì)依據(jù)[1]。不幸的是，許多早期的這方面工作所使用的例如：光譜油液分析、顆粒計(jì)數(shù)和磁塞檢查等技術(shù)多是以經(jīng)驗(yàn)的方式進(jìn)行[2]，很少考慮磨粒分析的基本原則。近年來(lái)，鐵譜學(xué)的不斷發(fā)展，刺激了一種更值得研究的方法，使我們可以更好的理解和使用磨粒分析來(lái)表征設(shè)備的磨損，人們對(duì)于使用磨粒形態(tài)和粒度分布作為判斷磨損類型和磨損程度的方法的研究越來(lái)越深入[3]。通過(guò)圖像分析系統(tǒng)對(duì)鐵譜圖的定量分析可以獲得磨粒的形狀因子和粒度分布。本文詳細(xì)的描述了圖像分析儀Quantimet分析鐵譜圖的方法，分布函數(shù)的形式以及粒度分布與磨損類型和磨損程度的關(guān)系。

2 ?鐵譜法顆粒沉淀

鐵譜技術(shù)是從液體載體介質(zhì)（通常是油溶劑混合物）中對(duì)顆粒碎片進(jìn)行的磁性分離。一直以來(lái)，我們對(duì)鐵譜儀和鐵譜實(shí)驗(yàn)方法都可以很好地描述，但是對(duì)顆粒沉淀機(jī)理和獲得的粒度分布關(guān)注較少。顆粒在鐵譜儀中的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，它與顆粒的大小、形狀、磁導(dǎo)率、密度以及油液的粘度、密度等都有關(guān)系[4]。磁導(dǎo)率和形狀相近的顆粒在油液中的下降速度與它們尺寸的平方近似成正比。顆粒沉積前在鐵譜儀中運(yùn)動(dòng)能達(dá)到的距離取決于它們的大小和進(jìn)入磁場(chǎng)過(guò)程中距離基底的高度。

3 ?圖像分析系統(tǒng)

為了進(jìn)行定量測(cè)量，我們利用圖像分析系統(tǒng)Quantimet 720來(lái)確定鐵譜圖上沉積顆粒的密度和尺寸分布。鐵譜圖的制備采用常規(guī)操作進(jìn)行，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察，以確定適當(dāng)?shù)姆治鰠^(qū)域。為了從背景圖中區(qū)分出顆粒，需要用到反射和透射光源建立最合適的對(duì)比狀態(tài)，這樣不同成分的顆粒就可以區(qū)分開辨別[5]，例如鐵顆粒與氧化物顆粒就可以利用這種方法分開辨別和測(cè)量。通過(guò)光學(xué)放大可以使視野范圍從0.16mm×0.13mm變化到1.6 mm×1.3mm，其中最小可檢測(cè)圖像點(diǎn)（PP）可以從0.2μm變化到2μm。

本文給出的結(jié)果都是基于對(duì)自由移動(dòng)金屬鐵顆粒的測(cè)量，選擇鐵譜圖入口區(qū)域的單個(gè)視野進(jìn)行分析。當(dāng)使用顯微鏡中的反射光源進(jìn)行觀察時(shí)，檢測(cè)的顆粒比背景光要亮，選用的視野尺寸為0.52mm×0.4mm，PP尺寸為0.65μm。顆粒計(jì)數(shù)與尺寸大于指定值的顆粒數(shù)相關(guān)[6]，從1PP開始計(jì)數(shù)，增量為1PP，直到計(jì)數(shù)寄存器清零，這樣就為指定區(qū)域進(jìn)行鐵譜分析提供了完整的粒度分布。

4 ?傳動(dòng)系統(tǒng)中顆粒生成機(jī)制

潤(rùn)滑傳動(dòng)系統(tǒng)中顆粒的生成和減少都有很多種方式，圖1給出了一些可能的情況。

不同磨損機(jī)制會(huì)產(chǎn)生不同尺寸范圍的顆粒，而顆粒減少機(jī)制則有利于特定尺寸顆粒的累積。假設(shè)在設(shè)備正常運(yùn)行期間建立了顆粒平衡，可以通過(guò)平衡粒度分布的改變來(lái)檢測(cè)有害或“主動(dòng)”磨損的開始，因此，粒度分布函數(shù)是通過(guò)磨粒分析進(jìn)行設(shè)備健康監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。光譜油液分析等技術(shù)，通過(guò)測(cè)量特定尺寸范圍的顆?？偭縼?lái)反應(yīng)設(shè)備磨損情況[7]，只使用了粒度分布函數(shù)的少量信息。通過(guò)為粒度分布函數(shù)建立合適的數(shù)學(xué)模型，并將其與鐵譜定量分析結(jié)果進(jìn)行擬合，可以獲得更多我們關(guān)心的設(shè)備磨損信息。

5 ?粒度分布函數(shù)

早期通過(guò)粒度分析監(jiān)測(cè)設(shè)備健康狀態(tài)的工作，是使用Rosin和Rammler[8]定義的函數(shù)去擬合自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器獲得的粒子數(shù)，該函數(shù)的形式如下

其中P（x）是發(fā)現(xiàn)尺寸小于x的顆粒的概率，通過(guò)調(diào)整變量n和b可以獲得最佳的擬合結(jié)果。該函數(shù)的缺點(diǎn)是由它推導(dǎo)出的概率密度函數(shù)即p（x）=dP（x）/dx為負(fù)值，這使得從p（x）推導(dǎo)均值和方差變得很困難。然而該函數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻十分吻合，其中參數(shù)b還可以有效的指示出磨損的嚴(yán)重程度。通過(guò)分析該函數(shù)還可以得出粒度分布向較小顆粒傾斜的結(jié)論。結(jié)合上文討論的圖像分析系統(tǒng)對(duì)鐵譜圖進(jìn)行的定量分析，可以認(rèn)為鐵譜圖固有的向較大顆粒偏重的特性可以減少該分布函數(shù)向較小顆粒的傾斜，并使得正態(tài)分布函數(shù)的使用似乎成為可能。然而事實(shí)并非如此，必須使用有所傾向的函數(shù)來(lái)避免上面提到的關(guān)于等式（1）中P（x）形式上的困難，在這里我們選擇在疲勞數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域被人熟知的威布爾分布函數(shù)[9]。

分布函數(shù)的這四個(gè)特征值外加參數(shù)n和b，分別在不同程度上表明磨損的嚴(yán)重程度，顯然從其中挑選出最敏感和最有意義的參數(shù)是十分重要的。從等式（6）可知，當(dāng)n值小于1時(shí)，眾數(shù)是不合適的，也就是說(shuō)概率密度函數(shù)p（x）單調(diào)遞減時(shí)，是不存在眾數(shù)的，因此，磨損指示參數(shù)的選擇就介于均值、方差和中值之間。下面討論粒度分布的變化對(duì)均值、方差和中值的影響。

粒度分布的變化對(duì)均值和中值的影響很容易看出來(lái)，大于均值或中值的粒子數(shù)的增加會(huì)使其增大，減少會(huì)使其減小。而粒度分布的變化對(duì)方差的影響則不那么明顯。

6 ?實(shí)驗(yàn)工作

許多臨界磨損情況的發(fā)生多與包含高壓接觸的傳動(dòng)系統(tǒng)性能有關(guān)，高壓接觸部件在各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下工作。軸承作為滾動(dòng)部件主要以滾動(dòng)接觸的模式工作，而齒輪和凸輪從動(dòng)件的工作模式既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)，其中動(dòng)態(tài)負(fù)載和熱效應(yīng)對(duì)其性能和磨損有著顯著的影響。大量的磨損研究工作，確定了基本的磨損模式和潛在的磨損機(jī)制[10]。與每種磨損模式相關(guān)的磨損顆粒的特征形態(tài)可以通過(guò)鐵譜分析來(lái)描述（如圖2所示）。

雖然圖2中的數(shù)據(jù)大部分是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)給這些數(shù)據(jù)提供了必要的印證信息。將不同來(lái)源的磨損進(jìn)行關(guān)聯(lián)是一項(xiàng)困難的工作，實(shí)踐證明分析潤(rùn)滑油中的磨屑對(duì)于這項(xiàng)關(guān)聯(lián)工作非常有效。例如一些可以提供磨損顆粒定量信息的方法和將磨損顆粒的尺寸分布與特定磨損相聯(lián)系的操作等。從粒度分布獲得的顆粒描述可以用來(lái)區(qū)分不同的磨損模式，也可以說(shuō)明磨損顆粒的形成機(jī)制，還可以提供磨損嚴(yán)重程度的信息[11]。

四球機(jī)膠合磨損實(shí)驗(yàn)使用SAE10礦物油，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，實(shí)驗(yàn)時(shí)間1分鐘。在光學(xué)顯微鏡下檢查實(shí)驗(yàn)后球體表面的磨損痕跡，在電子顯微鏡下對(duì)某些磨損特征做進(jìn)一步檢查，并將這些觀察結(jié)果與鐵譜圖中的磨損顆粒分析結(jié)果進(jìn)行比較。從磨痕尺寸可以獲得如下信息：平均載荷20.4kgf，初始卡咬載荷51kgf，燒結(jié)載荷110kgf，油液閃點(diǎn)溫度175度。特征磨損區(qū)載荷為：輕微磨損25-50kgf，過(guò)渡磨損51-55kgf，嚴(yán)重磨損56-110kgf。平均粒度的增加發(fā)生在過(guò)渡區(qū)域，這與片狀顆粒的出現(xiàn)有關(guān)，尺寸通常為5-15μm，與小的摩擦顆粒（尺寸小于2μm）數(shù)量的減少也有關(guān)。在嚴(yán)重磨損區(qū)域，對(duì)磨損顆粒檢查后發(fā)現(xiàn)，片狀的顆粒已被較大的“塊狀”顆粒取代，同時(shí)較小顆粒的數(shù)量也在增加，可看出從過(guò)渡磨損到嚴(yán)重磨損參數(shù)b和n都有所減小。球體磨損表面上層的脆化跡象表明潤(rùn)滑劑已發(fā)生熱分解[12]。上述過(guò)程所產(chǎn)生的顆粒，其尺寸向更大的范圍傾斜，而包含的小顆粒在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)被分解掉。

7 ?結(jié)論

本文描述了傳動(dòng)系統(tǒng)中不同磨損狀態(tài)下的粒度分布情況，并證明了利用威布爾分布函數(shù)可以很好地?cái)M合測(cè)試數(shù)據(jù)，表達(dá)式中的特征參數(shù)b和n的變化說(shuō)明磨損顆粒的均值和方差是磨損類型和磨損程度發(fā)生變化的重要指標(biāo)。傳動(dòng)系統(tǒng)從正常良性磨損過(guò)渡到主動(dòng)疲勞磨損，期間顆粒度均值從約2um增加到4um，從輕微平滑磨損過(guò)渡到嚴(yán)重膠合磨損同樣伴隨著顆粒度均值的增加;傳動(dòng)系統(tǒng)磨損率的增加表現(xiàn)為顆粒尺寸范圍和顆粒數(shù)量的雙重增加，而顆粒尺寸范圍的增加直接導(dǎo)致分布方差的增加。

本文所描述的磨損顆粒尺寸主要集中在1-20um范圍內(nèi)，這與磨損故障預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展密不可分，該尺寸范圍的顆粒在磨損過(guò)程的所有階段都會(huì)產(chǎn)生，并且不容易從傳動(dòng)系統(tǒng)中流失。因此，確定設(shè)備的磨損模式和監(jiān)測(cè)設(shè)備的磨損過(guò)程可以通過(guò)對(duì)該尺寸范圍內(nèi)的磨損顆粒進(jìn)行定量分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文通過(guò)分析磨損顆粒所包含的定量信息對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)不同的磨損狀態(tài)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但還缺少與磨損模式相關(guān)的磨損率信息，這對(duì)于建立設(shè)備壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)非常必要[1]，在以后的工作中還需要對(duì)設(shè)備磨損顆粒的形成機(jī)理做更加深入細(xì)致的研究。

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