油液監(jiān)測技術(shù)在摩擦學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：摩擦學(xué)設(shè)計是摩擦學(xué)理論在工程設(shè)計中最重要的應(yīng)用，油液監(jiān)測技術(shù)又是摩擦學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)測試主要技術(shù)之一，該文從油液監(jiān)測各技術(shù)手段所表征的信息出發(fā)，結(jié)合摩擦學(xué)設(shè)計的發(fā)展，分析了油液監(jiān)測能夠在摩擦學(xué)設(shè)計中所起到的作用，并提出了各技術(shù)手段在摩擦學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：油液監(jiān)測 摩擦學(xué) 摩擦學(xué)設(shè)計 磨損

中圖分類號：TH17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

摩擦學(xué)是研究與摩擦、磨損、潤滑的科學(xué)，摩擦引起了能量的轉(zhuǎn)換，磨損導(dǎo)致了表面損壞和材料損失，而潤滑是降低摩擦和較少磨損的最有效的措施。摩擦學(xué)設(shè)計是指把摩擦學(xué)的研究成果應(yīng)用到工程設(shè)計，特別是機(jī)械設(shè)計，以減輕或防止磨損[1]。

影響摩擦磨損的因素很多，至今已提出的與磨損有關(guān)的變量有600余個，而最基本的也有100余個，這表明研究磨損問題困難非常大。油液監(jiān)測作為設(shè)備摩擦學(xué)系統(tǒng)健康狀況的三大主要監(jiān)測技術(shù)之一[2]，是將采集到的設(shè)備潤滑油或工作介質(zhì)樣品，分析其性能指標(biāo)、所攜帶的磨損與污染物顆粒，從而獲得機(jī)器的潤滑劑性能和磨損情況的信息，有效監(jiān)測設(shè)備的磨損狀態(tài)和磨損形式，定性和定量地描述設(shè)備摩擦學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)。因此，將該技術(shù)在設(shè)備抗磨損設(shè)計中有很廣闊的應(yīng)用前景。

1 摩擦學(xué)設(shè)計內(nèi)涵及其發(fā)展方向

摩擦學(xué)設(shè)計與摩擦學(xué)研究是分不開的，其主要是通過設(shè)備的潤滑設(shè)計、潤滑劑及其添加劑的抗磨機(jī)理、零部件材料的選擇與匹配及表面強(qiáng)化、系統(tǒng)過濾與密封的研究應(yīng)用，從而在設(shè)備設(shè)計上達(dá)到減輕和防止磨損的目的。其研究方法隨著摩擦學(xué)研究發(fā)展而進(jìn)步，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

⑴按照系統(tǒng)工程學(xué)的觀點，摩擦學(xué)系統(tǒng)的組成并不只是摩擦副，而是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包含設(shè)備摩擦副、潤滑介質(zhì)、潤滑系統(tǒng)和工作環(huán)境以及磨損和污染的產(chǎn)物。各類機(jī)械運動摩擦副的間隙都很小，油膜厚度也很小，通常在10 μm左右，所以我們形象地描述工業(yè)是騎在10 μm厚度的油膜上[3]，就是說明了設(shè)備對潤滑油的依賴。因此，在摩擦學(xué)設(shè)計中，也要按照摩擦學(xué)系統(tǒng)的觀點，將潤滑油等看作是設(shè)備的重要零部件，納入到摩擦學(xué)設(shè)計中，形成系統(tǒng)性

設(shè)計。

⑵摩擦表面形貌測試實現(xiàn)多維化。摩擦表面形貌是判定磨損機(jī)理最直接、最主要的判據(jù)。在早期的研究中，主要應(yīng)用放大鏡、金相顯微鏡、體視顯微鏡及其他表面測量技術(shù)等研究摩擦副表面形貌，這些分析效果較差。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的掃描電子顯微鏡及其與能譜技術(shù)聯(lián)用能夠，能夠很好的得出摩擦副表面二維形貌和摩擦中表層的變化；90年代末期的掃描隧道顯微鏡也將摩擦學(xué)表面形貌的研究，引入到了三維的研究[4]。這些發(fā)展對于抗磨性設(shè)計中，零部件表面形貌的控制與研究有很強(qiáng)的推動作用。

⑶由于影響磨損的因素很多，許多在靜態(tài)抗磨性設(shè)計中沒有發(fā)現(xiàn)的問題，在設(shè)備運行中會出現(xiàn)，因此，摩擦學(xué)設(shè)計也由靜態(tài)研究進(jìn)入到動態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合的研究。武漢理工大學(xué)應(yīng)用MMW-1摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行了小盤磨損實驗，并應(yīng)用磨粒分析技術(shù)對磨損產(chǎn)生的形貌進(jìn)行了研究[5]；大連海事大學(xué)采用24通道摩擦磨損實驗機(jī)，通過加載不同負(fù)荷和采用不同的速度，研究了內(nèi)燃機(jī)活塞缸套的磨損形式。設(shè)備在試運行中的磨粒分析也逐步完善，這些研究成果都能夠為設(shè)備的后續(xù)摩擦學(xué)設(shè)計與改進(jìn)提供技術(shù)與成果支持。

2 油液監(jiān)測技術(shù)所反映的設(shè)備信息形式

油液監(jiān)測的技術(shù)手段主要包括常規(guī)理化性能分析、原子光譜分析、紅外光譜分析、鐵譜分析和污染度測試等，涉及潤滑油油品性能分析和磨損微粒分析兩大技術(shù)領(lǐng)域。前者通過檢測基礎(chǔ)油的衰變和添加劑的損耗，來反映潤滑油的狀態(tài)；后者通過獲取潤滑油中攜帶的磨損微粒的形貌、尺寸、顏色、濃度等信息，反映柴油機(jī)各摩擦副的磨損狀態(tài)。油液監(jiān)測各技術(shù)手段所反映的信息見

表1。

3 油液監(jiān)測技術(shù)在摩擦學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用

摩擦學(xué)故障中的摩擦副磨損應(yīng)從形式、程度、種類及趨勢四個方面加以描述；潤滑劑實效應(yīng)從形式、程度、組分和趨勢四個方面加以描述，這是相互關(guān)聯(lián)的，甚至互為因果的。圖2表示了擦學(xué)故障與油液監(jiān)測技術(shù)之間的關(guān)系。

從上面分析可以看出，油液監(jiān)測技術(shù)在摩擦學(xué)設(shè)計中能夠起到以下作用。

⑴動態(tài)磨損機(jī)理分析。由于機(jī)械設(shè)備摩擦副兩表面的運動方式、載荷類型、磨損機(jī)理、摩擦副材質(zhì)、表面形貌和破壞形式等不同，使得磨損類型也不同。主要可分為：表面疲勞磨損、粘著磨損、磨粒磨損和摩擦化學(xué)磨損。磨粒是磨損過程中的重要信息載體和磨損機(jī)理判據(jù)，是摩擦學(xué)系統(tǒng)磨損狀態(tài)辨識的依據(jù)油液監(jiān)測技術(shù)中的鐵譜分析技術(shù)能夠通過對潤滑油中的磨粒沉降的譜片分析，清楚的得出磨粒的形貌、材質(zhì)、成分等，從而實現(xiàn)磨損類別的判斷，形成了“粒摩擦學(xué)”另外，通過原子發(fā)射光譜的磨損分析，可以判斷出磨損的部位。

⑵磨損階段的判定。一般情況下，運動副的磨損過程可分為磨合磨損、穩(wěn)定磨損和劇烈磨損三個階段。通過應(yīng)用直讀式鐵譜和分析式鐵譜對潤滑油磨損微粒進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)用發(fā)射光譜技術(shù)監(jiān)測潤滑油中元素濃度的變化，從而可以實現(xiàn)磨粒特征、磨損部位和磨損階段的判定。為提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命，在設(shè)計中，應(yīng)盡量保證延長穩(wěn)定磨損階段，減少磨合期所需的時間。

⑶潤滑劑品質(zhì)監(jiān)測。大量研究表明，潤滑劑是摩擦學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響設(shè)備使用壽命和運行狀態(tài)，因此，設(shè)備對潤滑劑的選擇有嚴(yán)格的要求，是摩擦學(xué)設(shè)計中的一個重要部分。油液監(jiān)測可以對潤滑劑性能進(jìn)行很好的評定，對其添加劑能夠很好的識別，特別是在選油的行車或摩擦副動態(tài)試驗中，油液監(jiān)測技術(shù)的作用是不可替代的。

⑷潤滑系統(tǒng)過濾與凈化性能評定。隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備變得越來越緊湊，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對潤滑劑的清潔程度要求也越來越高，設(shè)備的壽命與潤滑油清潔度密切關(guān)系，這一點在液壓系統(tǒng)中體現(xiàn)尤為明顯。因此，摩擦學(xué)設(shè)計中必須要考慮到系統(tǒng)的過濾和凈化性能，阻止污染物的侵入。油液監(jiān)測中的污染度測試技術(shù)能夠很好的反映潤滑油的污染狀況，并定量的描繪出來。

4 結(jié)語

按照系統(tǒng)工程的觀點，摩擦學(xué)設(shè)計不僅僅是針對零部件的設(shè)計，應(yīng)貫穿與整個摩擦學(xué)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，而抗磨性設(shè)計的好壞，最直接的體現(xiàn)就是設(shè)備摩擦學(xué)系統(tǒng)的健康狀況，油液監(jiān)測技術(shù)能夠很好的實現(xiàn)摩擦學(xué)系統(tǒng)不停機(jī)評估、磨損機(jī)理分析、磨損部位確定、潤滑劑性能變化等，從而實現(xiàn)摩擦學(xué)設(shè)計評定和提供后續(xù)抗磨性改進(jìn)設(shè)計所需的信息。在摩擦學(xué)設(shè)計中應(yīng)用油液監(jiān)測技術(shù)，可以對摩擦學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)辨識，使摩擦學(xué)設(shè)計不斷升級與優(yōu)化，滿足設(shè)備實際工作需求。

參考文獻(xiàn)

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