顆粒污染的雙離合變速箱磨粒分析與故障評估*

王宜虎 王 剛 張 毅 方志勤 王 偉

(1.合肥工業(yè)大學機械工程學院 安徽合肥 230009； 2.安徽江淮汽車集團股份有限公司 安徽合肥 230009)

變速箱作為機械設(shè)備中的重要部件，顆粒污染是導(dǎo)致其發(fā)生故障的一個主要原因，其中雙離合變速箱相較于傳統(tǒng)變速箱結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，制造更加精密，也更容易受到油液中磨粒的影響從而發(fā)生故障。在雙離合變速箱制造使用過程中，由于機械零件表面加工工藝水平的限制，運行中零件的相互碰撞摩擦和外界污染物的入侵，使得箱內(nèi)潤滑油中不可避免地存在磨粒，這些污染顆粒會導(dǎo)致雙離合變速箱內(nèi)部零件的磨損和損壞[1]。液壓閥作為雙離合變速箱中的重要精密部件，潤滑油中磨粒入侵到閥體和閥芯的間隙中，不僅會加速液壓元件的磨損，還會堵塞元件的間隙和孔口，使控制元件動作失靈而引起整個變速箱系統(tǒng)故障，因此分析在用潤滑油液中磨損顆粒可以有效地預(yù)防變速箱發(fā)生故障。

目前用于油液磨粒分析的技術(shù)分為在線和離線兩方面。在線磨粒分析有很高的時效性， WU等[2]基于磁沉積和圖像分析技術(shù)，研制了一種具有直接讀取和在線分析功能的在線視覺鐵譜儀。ZHU等[3]利用黏度和介電常數(shù)傳感器結(jié)合顆粒過濾技術(shù)進行了風電齒輪箱內(nèi)油液磨粒的監(jiān)測。雖然工程中在線磨粒檢測技術(shù)已有較多運用，但其仍存在檢測精度不足、無法準確判斷故障來源等缺點。離線磨粒檢測技術(shù)已較為成熟，檢測手段眾多[4-6]，可以定量定性地分析磨粒。HAMILTON和QUAIL[7]提出利用在線鐵譜、選擇性熒光光譜、傅立葉變換紅外光譜技術(shù)來檢測變速箱油液中的磨粒。GUO、RAO等[8-9]利用激光掃描共聚焦顯微鏡對發(fā)動機缸套表面的磨損顆粒進行了分析，通過圖像分析技術(shù)獲得磨粒的一系列二維、三維形貌參數(shù)，提出了用磨損顆粒的表面形貌特征區(qū)分缸套運行條件和表面紋理的技術(shù)。袁成清[10]提出利用磨粒分析儀、鐵譜技術(shù)、濾膜譜片技術(shù)和SEM來分析油液磨粒及其表面特征。張珊珊等[11]提出用鐵譜分析和激光粒度分析結(jié)合的磨粒分析方法來對變速箱故障進行評估。雖然上述檢測技術(shù)可以從不同方面獲得油液中磨粒的信息，為機械故障預(yù)防和診斷提供重要依據(jù)，但每種檢測方法都有其局限性，在單獨使用時無法對油液中磨粒進行準確分析，因此同時使用多種檢測方法對磨粒進行分析可以彌補各檢測方法的局限性，實現(xiàn)對油液中磨粒的全面分析。

本文作者針對發(fā)生液壓閥卡滯的汽車雙離合變速箱，使用鐵譜分析、激光粒度分析、濾膜譜片分析、X射線熒光光譜分析和掃描電鏡-能譜分析等磨粒檢測技術(shù)，對變速箱油液進行磨粒分析，分析導(dǎo)致變速箱發(fā)生故障的磨粒成分并判斷磨粒來源，從而提出改進建議。文中磨粒分析方法綜合利用了濾膜譜片技術(shù)對大粒徑顆粒和非鐵磁性顆粒收集的快速簡易性的優(yōu)點，激光粒度分析技術(shù)對磨粒粒徑分布及含量的測量精度高的特點，以及X射線熒光光譜分析(XRF)、掃描電鏡-能譜(SEM-EDS)分析技術(shù)對磨粒含量檢測范圍寬、便于檢測大尺寸磨粒的金屬成分和含量的優(yōu)勢，為變速箱中異常磨粒檢測及故障診斷提供了新思路。

1 實驗與方法

1.1 油樣獲取與檢測方法

潤滑油液的取樣對象是搭載江淮DTF610雙離合自動變速箱的汽車，車輛在正常路況路面上行駛了7 000 km。取樣的部位為變速箱液壓閥處，潤滑油牌號為Shell Spirax S5 DCT 12雙離合濕式變速箱油。

圖1所示為文中提出的油液分析流程。首先運用鐵譜分析技術(shù)對油液中磨?？傮w進行觀測分析，再綜合利用激光粒度分析技術(shù)、濾膜譜片技術(shù)、XRF和SEM-EDS分析技術(shù)，分別對油樣中大磨粒的粒徑分布、元素種類和含量進行分析，從而判斷大粒徑磨粒的來源。

圖1 油液分析流程

1.2 實驗儀器設(shè)備

鐵譜分析技術(shù)是比較常用的離線油液磨粒分析手段，其利用具有高梯度強磁場分布的磁體將油液中的鐵磁性顆粒和少量非鐵磁性顆粒按照尺寸大小有序排列在基片上制成鐵譜片，并通過顯微鏡獲取鐵譜片上顆粒的顏色、尺寸和形貌等信息,從而判斷顆粒的成分、設(shè)備磨損程度和磨損類型[12-15]。文中分析采用日本SOHIO型分析式鐵譜儀及配套鐵譜顯微鏡，通過鐵譜儀制備鐵譜片，再將鐵譜片放置在顯微鏡下觀測得到鐵譜磨粒圖像。

由于鐵譜通常只能收集1～250 μm范圍內(nèi)的鐵磁性磨粒和一小部分非鐵磁性磨粒且在磁場的作用下磨粒會發(fā)生相互重疊現(xiàn)象，因此無法使用鐵譜分析技術(shù)對大粒徑異常磨粒進行快速有效準確的分析。故油液中異常粒徑磨粒的分析需要采用其他磨粒分析手段。

激光粒度分析是基于激光衍射的原理，根據(jù)油液中不同粒徑的磨粒通過激光照射后形成的散射角不同，即小磨粒對激光的散射角大，大磨粒對激光的散射角小，通過散射角的大小測量就可換算出磨粒的大小[16]。文中分析采用的是Mastersizer2000激光粒度分析儀，首先將從分析油液中提取的磨粒分散在無水乙醇溶液中，再利用激光粒度分析儀得到磨粒的粒徑分布情況。

濾膜譜片技術(shù)是澳大利亞Monash University的設(shè)備狀態(tài)檢測中心于1984年首次提出的，該分析方法操作簡單，設(shè)備簡易，主要有注射器、濾膜固定器、醋酸纖維素濾膜和廢液瓶，通過選擇孔徑不同的濾紙可以控制收集到顆粒的粒徑范圍，有效地解決了鐵譜分析對單一大粒徑磨粒和非鐵磁性磨粒檢測較差的問題[17]。文中先利用濾膜譜片裝置制備譜片，再將制備好的濾膜譜片放在顯微鏡下觀測得到異常粒徑磨粒圖像。

X射線熒光光譜分析技術(shù)(XRF)是光譜分析技術(shù)的一種，其具有分析速度快、范圍廣、定量精確等優(yōu)點，是分析元素含量及合金成分的理想工具[18]。SEM-EDS分析技術(shù)是將掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀結(jié)合起來的一種分析手段，其一方面可以觀測磨粒的形貌細節(jié)，更好地判斷磨粒的磨損類型，另一方面可以定性分析磨粒的成分，從而確定磨粒化學成分和材料種類[19]。文中磨粒分析中使用的是島津XRF-1800波長色散X射線熒光光譜儀和蔡司Gemini 500SEM熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡及配套的牛津Aztec UltimMax 100 EDS系統(tǒng)，將通過濾膜譜片法獲得的異常粒徑磨粒用XRF和SEM-EDS檢測儀器進行分析并獲得了檢測結(jié)果。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鐵譜分析結(jié)果

圖2所示為變速箱油樣的鐵譜分析結(jié)果。結(jié)合磨粒圖譜[20],從圖2中可以看出，油樣中存在一些銀白色且反光的鋁顆粒，磨粒粒徑在10～20 μm之間，其余大多為正常磨粒，說明此時變速箱中含有鋁元素的零部件出現(xiàn)磨損，但該粒徑鋁粒不足以導(dǎo)致液壓閥卡滯。

圖2 變速箱油樣的鐵譜分析結(jié)果

2.2 激光粒度分析結(jié)果

油樣的激光粒度分析結(jié)果如圖3和表1所示。可以看出，油樣中磨粒的粒徑大致呈正態(tài)分布，粒徑主要范圍為10～100 μm，在70 μm處達到頂峰，粒徑在100～500 μm的磨粒也占到了總體的24.78%，有極少數(shù)磨粒的粒徑達到了500～700 μm，說明此時變速箱中含有較多異常粒徑磨粒。

圖3 油樣的激光粒度分析結(jié)果

表1 油液磨粒粒徑分布

2.3 濾膜譜片及XRF分析結(jié)果

圖4所示是從濾膜譜片上獲得的典型顆粒顯微觀測結(jié)果?？梢缘贸?，油中磨粒的粒徑在500～750 μm的范圍內(nèi)，符合粒度分析的結(jié)果。圖4(a)中磨粒呈銀白色，薄片狀且表面有空洞存在；圖4(b)中磨粒呈暗白色，長條狀；圖4(c)中磨粒呈薄片狀，表面粗糙不平，有粒狀堆積物。通過查磨粒圖譜，判斷圖4(a)中磨粒為疲勞磨損顆粒，圖4(b)中磨粒為磨料磨損顆粒，圖4(c)中磨粒為腐蝕磨損顆粒。為防止這些大粒徑顆粒繼續(xù)產(chǎn)生，加重變速箱的磨損，應(yīng)進一步分析其物質(zhì)成分，判斷磨粒來源，并作出相應(yīng)措施。

對處理后的濾膜譜片進行X射線熒光光譜分析，結(jié)果如表2所示。XRF檢測的結(jié)果顯示非金屬元素Si和金屬元素Al、Ba、Ca、Zn、Na的含量較高。根據(jù)油液檢測典型元素的來源可知，其中Si元素含量較高的原因可能是變速箱使用過程中受到外界污染顆粒入侵和制樣過程空氣中灰塵污染物掉落在譜片表面，影響了檢測結(jié)果；Ca、Ba、Zn和Na元素為潤滑油添加劑中的常見元素，因此判斷譜片上主要的金屬顆粒應(yīng)為鋁金屬顆粒。

圖4 濾膜譜片顯微觀測結(jié)果

表2 XRF檢測結(jié)果

2.4 SEM-EDS分析結(jié)果

對濾紙譜片上的大粒徑顆粒進行掃描電鏡-能譜檢測，結(jié)果如圖5所示。實驗中由于SEM的成像原理不同，需要根據(jù)金屬顆粒表面紋理并多處掃描判斷出顆粒位置。圖5中EDS檢測結(jié)果顯示金屬顆粒部位Al元素的質(zhì)量分數(shù)達到36.2%，且信號強度最高，可判斷出大粒徑金屬磨粒為氧化鋁顆粒。為防止檢測的偶然性，又對另一大粒徑金屬磨粒進行EDS-Mapping面掃描檢測，檢測結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，顆粒的主要成分為Al和O元素，并有少量的Ca元素，濾紙上有大量Si元素，證實了上述分析。

圖5 磨粒SEM圖及EDS檢測結(jié)果

圖6 磨粒EDS-Mapping面掃描圖像

根據(jù)上述分析結(jié)果，可判斷該變速箱油樣中的大粒徑異常磨粒主要為氧化鋁顆粒。由該變速箱設(shè)計手冊可知，為了減輕質(zhì)量，變速箱殼體為鋁硅合金材料，箱體內(nèi)液壓閥的閥體和閥片多為鋁合金材質(zhì)。但液壓閥作為精密部件，由于磨損產(chǎn)生大顆粒脫落的可能性很低，故磨粒來源于變速箱殼體的可能性較大。

根據(jù)上述磨粒檢測結(jié)果，建議對變速箱進行停機檢修。經(jīng)檢修后發(fā)現(xiàn)，變速箱液壓閥表面并無明顯剝落痕跡，但殼體內(nèi)部有金屬毛刺附著，潤滑油液內(nèi)的異常粒徑顆粒應(yīng)該來源于此。

根據(jù)分析結(jié)果向變速箱生產(chǎn)廠家建議改進殼體加工工藝，提高殼體內(nèi)部表面光潔度，裝配前高壓沖洗殼體內(nèi)部表面將表面毛刺去除，在變速箱使用初期多換幾次潤滑油，將油內(nèi)異常顆粒去除。

廠家根據(jù)建議增加了變速箱殼體的高壓沖洗次數(shù)，并在汽車路試階段更換3次變速箱潤滑油。每次更換后潤滑油污染度都降低且無明顯異常粒徑顆粒，在后續(xù)的車輛行駛過程中液壓閥卡滯現(xiàn)象發(fā)生的概率明顯降低，說明上述方法對減少該變速箱潤滑油中大粒徑磨粒有效，證實了文中磨粒檢測方法的可靠性。

3 結(jié)論

(1)針對發(fā)生液壓閥卡滯的汽車雙離合變速箱，提出綜合利用激光粒度分析、濾膜譜片分析和XRF、SEM-EDS分析技術(shù)對其油液中的異常粒徑磨粒進行分析的方法，得出油液中含有的異常粒徑顆粒為氧化鋁顆粒，判斷磨粒來源于變速箱加工過程中產(chǎn)生的毛刺。

(2)實例分析結(jié)果表明，激光粒度分析、濾膜譜片分析、XRF和SEM-EDS等分析方法的綜合使用，能彌補傳統(tǒng)的鐵譜分析對大粒徑異常磨粒無法進行有效準確分析的缺點，通過該方法可以判斷出磨粒的磨損類型和磨損程度，也能確定磨粒的成分，為變速箱的故障預(yù)防提出了新思路，為主動維修提供了依據(jù)。

(3)該分析方法因為不受磨粒的尺寸限制，在一定程度上可以輔助監(jiān)測油液中固定粒徑范圍內(nèi)的非鐵磁性磨粒，通過磁性吸附裝置能有效排除磁性顆粒的干擾，使非磁性磨粒的分析檢測更為方便快速準確。