基于鐵譜分析技術的綜合傳動裝置磨合時間的探討

[摘 要]磨合是機器零部件的機加工粗糙表面在相互運動申向具有低磨損率和正常磨損狀態光滑表向過渡的一個過程。期間，逐漸形成具有極高延伸性的表面切混層一半氏層。因此，在機器磨合期的潤滑油申會發現各種粒度較大的金屬磨屑和其他微粒。綜合傳動裝置臺架磨合過程牽涉眾多內部因素和外部因素，是一個復雜的系統過程。磨合期不同摩擦副磨損量不同，通過大量的磨合試驗所得不同磨損狀態與典型工況下的典型磨粒特征來分析磨粒型態圖，可以得出，不同磨損時間段，機器所處的磨損狀態。

[關鍵詞]綜合傳動 鐵譜分析 磨損形式

[中圖分類號]TH16

[文獻標識碼]A [文章編號]1009-5489(2007)05-0083-03

一、磨合時間探討

在圖1中，OB段為磨合階段。理論上，曲線上的B點為磨合結束點，也就是說，過B點后零件處于穩定的正常磨損階段。然而，實際測出的零件磨損曲線往往需要經歷相當長的時間才能達到B點。

綜合傳動裝置作為結構復雜，摩擦副類型多樣的復雜機械傳動裝置，其磨合過程是否也需要很長的時間呢?答案是否定的。

1 磨合期污染度平衡用時更長

根據磨粒動態平衡理論，在恒磨損率情況下，潤滑油經過一定時間的循環后其中的磨粒將達到動態平衡，即單位時間內產生的磨粒數量等于被潤滑油系統排除的磨粒數量，潤滑油中的磨粒濃度是恒定值。但是，在磨合期內，磨損所產生的磨粒數量與時間是增函數關系，其磨損率始終是在變化的，而不是恒定不變的。所以，要達到同樣的動態平衡需要更長的時間。

2 磨損顆粒對濾清效應的影響

磨合期單位時間產生的磨粒數量遠遠大于穩定磨損階段，而且磨粒尺寸較大，同時加上裝配過程中帶入的大量污染物(特別是密封膠)，很容易堵塞過濾器的濾網，濾清效果就會越來越差，嚴重時甚至出現過濾器報警現象。因此，油液顆粒污染測出的數值并不直接代表取樣時刻摩擦副的真實情況。

由此可見，磨合過程中不更換潤滑油測出的曲線所顯示的B點并不是真正的磨合結束點，而是磨粒濃度過高，磨粒排除率降低造成的磨粒濃度動態平衡滯后的假象點，它不友映磨合的實際效果。在實際應用中，要在臺架上磨合幾十個小時，使曲線降到B點也是不現實的，也是不必要的，會造成人力、物力的不必要浪費。用油液分析技術檢測磨合期，只要磨損曲線的最高點開始降到B，點，當分析油樣中的磨粒細化時就可判斷為磨合的結束時間。這是因為：

(1)B1點是磨損曲線下降過程中的一點，一般都處在負載磨合階段，此時，載荷在不斷增加，而磨粒濃度卻在下降，即磨損率在降低，說明此時的接觸面積增加了，摩擦面的承載能力得到了提高，這時磨合基本達到要求。

(2)其次，由于存在磨粒濃度動態平衡滯后現象，實際上B1的點比檢測曲線上的B1點要來的低，即實際磨損效果比曲線上的B1點表現得要好。

(3)磨粒細化本身就是磨合質量變好的表現。

根據以上分析，我們就可以通過油液分析技術來得到磨損曲線，再根據磨損曲線來確定磨合的結束時間。從磨損的“浴盆”曲線中，我們可以看出，單憑一臺臺架試驗所測得的磨合時間，會因為各種偶然因素的影響而帶有一定的不準確性。我們可以對多臺同一型號柴油機在同等條件下進行磨合臺架試驗，獲得多個磨合結束時間的數據，然后運用數理統計方法對數據進行處理最大限度地剔除各種偶然因素帶來的不確定性，最終能正確反映綜合傳動裝置實際磨合情況的結果。

二、綜合傳動磨合期磨損形式分析

1 磨合前期磨損形式及其分析

圖2、圖3、圖4、圖5為空載磨合時所取得油樣，在顯微鏡下拍攝下來的磨粒形態圖，由以上譜片的磨粒形態分析表明，譜片上出現了各種粒度較大的金屬磨粒和其他微粒，甚至看到大量非金屬的污染顆粒，磨粒形態各異，磨粒大小差異較大，磨粒種類多，磨粒視場不清楚，磨粒具有磨合磨損的特征，磨粒形態及分布情況符合磨合磨損磨粒形態特征。

空載磨合時磨削成分主要為磁性顆粒的鋼鐵材料，同時，亦有少量非磁性顆粒的Al和Cu，一些金屬氧化物以及油的聚合物等雜質，磨屑形狀主要為長條扁平狀，其寬度在10um以下，這屬于典型的粘著磨損顆粒。同時在譜片上發現卷曲線條狀的磨屑占多數，這屬于典型的磨料磨損顆粒。在譜片上發現有少量非常細小的微粒，這說明腐蝕磨損已經開始產生。由此可見，此階段磨損主要以粘附磨損及磨粒磨損為主，腐蝕磨損很微小。從磨屑成分來看，各摩擦副均已發生磨損。在磨合試驗早期，隨摩擦副的機械加工表面由粗糙向光滑轉變，譜片入口處存在較多的正常滑動磨粒、少量的剝塊狀磨粒。黑色氧化物團粒較多，這是由于粗糙表面微凸體之間發生接觸，在相對滑動中接觸點溫度高，使磨粒發生氧化所致，還可觀察到有個別的切削狀磨粒。

2 磨合中期磨損形式及其分析

圖6、圖7是藍色投射光、紅色反射光的照明方式，在顯微鏡放大200倍吋，拍攝下來的磨粒形態圖，由譜片圖上的磨粒形態可以看出：磨粒分布均勻，具有高度拋光的表面，沿磁力線呈鏈狀分布，說明磨損主要元素為金屬元素，異常磨粒很少，磨粒視場清晰可見，雖然譜片上仍可見到大的金屬磨粒，只是磨粒大小差異較剛開始時的磨損磨粒要小的多，磨粒形態及分布情況符合磨合磨損磨粒形態特性。說明機器在該階段也處于磨合磨損階段。只是此時機器已經磨合一段時間，所以才會有所差異。

為了更清楚地觀察磨粒獲得更多的磨粒信息，將顯微鏡的放大倍數調至500倍，拍攝下磨粒形態如圖8所示。從該圖片上的磨粒形態可以看出：圖中既有表面呈現紅色的磨粒又有表面呈現黑色的磨粒。從沉積方式上看，它們沉積在磁力鏈上，說明磨粒都具有磁性，所以可以判斷這兩種磨粒為鐵系磨粒。從顏色上可以看出磨粒發生了氧化反應，據此可以更進一步地確定磨粒是鐵系氧化物磨粒：紅色的為Fe₂O₃，團粒，黑色的為Fe₂O₄團粒，因發生粘著磨損而產生。前者是因為油樣中有水分，后者是因為系統潤滑不良，而發生了粘著磨損所產生的，磨粒形態及分布情況符合磨合磨損磨粒形態特征，說明機器在該階段電處于磨合磨損階段，

磨合期內，磨損表面上的微凸體被壓平，并沿微凸體的峰頂形成折檐。這些折檐隨后被破碎，形成細長的片狀磨粒，如圖9所示，這類磨粒的數量逐漸減少，直至原始加工條痕被封蓋或被磨去。磨屑以鏈狀排列線條卷曲狀顆粒和大量細小的腐蝕性微粒為主，此外，磨屑中還有少量薄片狀顆粒，說明這段時間的磨損是以磨粒磨損和腐蝕磨損為主，以粘著磨損為輔。在此期間，磨合油粘度變小，容易形成摩擦表面油膜，因此粘著磨損的作用很微小，因此磨粒磨損為主要形式之一。

3 磨合后期磨損形式及其分析

在機器磨合即將完成之時，潤滑油中磨粒粒度已大大減小，并且粒度都不大，磨粒種類少，磨粒整體濃度不高，分布較均勻，并且均為正常磨粒。鐵譜片上大、小磨粒區均被較小磨粒覆蓋，沉積鏈細長、排列均勻，油樣中幾乎不存在大磨粒。此時綜合傳動裝置各零部件已結束磨合過程而進入正常磨損期。

三、結論

因此由以上的分析可以總結出磨合期的磨粒典型特征：磨粒種類多，有Fe₂O₃、Fe₂O₄、非金屬雜質及污染顆粒等，但隨著時間的推移，磨粒粒度與濃度經歷了先由小到大，后由大到小，最后穩定在一定范圍內的過程。可見這些特征是處于磨合期磨粒的典型特征。

[參考文獻]

[1]楊其明著：《磨粒分析——磨粒圖譜與鐵譜技術》，中國鐵道出版社2002年8月版。

[2]金元生：《鐵譜技術及在磨損研究中的應用》(材料耐磨抗蝕及其表面技術叢書編委會主編)，機械工業出版社1991年3月版。

[3]南京航空航天大學：《基于磨粒分析和信息融合的發動機磨損故障診斷技術研究》。

[4]葛衛華：《油液分析在狀態監測及優化磨合規范中的應用》，上海交通大學2002年9月。