便攜式油液分析儀在齒輪油狀態監測中的應用

宋 磊，李淑華，周敬然，楊 林，高 軍，李來順

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 064000）

0 引言

齒輪箱是動車組的核心傳動部件，潤滑油作為重要的潤滑介質，其狀態影響著齒輪箱的運行狀態，如今高速動車組齒輪油的監測受到了廣泛的重視。文獻[1]通過對潤滑油的理化指標、污染變化和光譜元素的檢測，確定了換油周期。油樣從取油到送往實驗室進行檢測具有周期長、成本高的缺點，不能滿足大批量齒輪箱油樣監測的需要。

實踐驗證了光柵紅外光譜法對齒輪箱油酸值、水分定量分析的可行性。并介紹FluidScan 1000手持式油液狀態監測儀與MiniVisc3000型便攜式運動黏度計在高速動車組現場齒輪箱油狀態監測中的應用。

1 光柵紅外光譜法

光柵紅外光譜法能對油品的酸值、水分等潤滑油指標進行檢測，文獻[2]使用光柵紅外光譜法對潤滑油水分進行定量檢測，但該方法對齒輪箱油各項指標定量檢測的效果還不明確。以多個齒輪箱中的齒輪油Cognis Emgard RW-A 75W-90為實驗對象，將光柵紅外光譜法同目前檢測齒輪箱油樣酸值、水分的檢測儀器針對同一齒輪箱油樣進行分別檢測，得到兩組試驗數據的線性擬合曲線，并利用相關系數R2來判斷試驗數據的相關性。

1.1 試驗儀器

（1）FluidScan 1000手持式油液狀態監測儀；

（2）MiniVisc 3000型便攜式運動黏度計；

（3）915型卡爾費休水分儀；

（4）916型酸值滴定儀。

1.2 檢測精度分析

FluidScan 1000手持式油液狀態監測儀可以對齒輪箱油樣的酸值、水份進行檢測，分別通過儀器試驗數據線性擬合關系對酸值和水分的精密度進行分析。表1為儀器對比表。

（1）使用光柵紅外光譜法檢測齒輪箱油樣的水含量，當油液中存在游離水和乳化水時，會散射透過油液的紅外光，對檢測結果產生影響，因此需要從齒輪箱中取出油樣后，放置一段時間，當游離水沉降，試樣瓶底部出現分層，再從試樣瓶上層部分取油樣進行檢測。對含水量不同的5個齒輪箱油樣分別重復檢測5次，取其平均值，將所測得的齒輪箱油樣溶解水含量值的關系，做成線性擬合曲線（圖1），并求得線性擬合方程式。檢測結果如表2所示。

表1 儀器對比表

表2 含水量試驗數據

圖1 水分關系圖

如圖1所示，y=0.9708x+12.767為水分的線性擬合方程，y為手持式油液監測儀測出齒輪箱油樣水含量的值，x為915型卡爾費休水分儀測出齒輪箱油樣水含量值，其相關系數R2=0.9983，說明兩種方法的線性擬合度很高。說明FluidScan 1000手持式油液監測儀檢測齒輪箱油樣水含量的數據結果具有較高的準確度。

（2）根據FluidScan 1000手持式油液狀態監測儀對齒輪箱油樣檢測的結果得出的酸值含量，對5個齒輪箱油樣酸值含量分別取其平均值；同時使用916型酸值滴定儀與相對應的5個齒輪箱油樣進行5次重復測定，取其平均值，將兩種方法所測得的齒輪箱油樣酸值的關系，做成線性擬合曲線（圖3），并求得其線性擬合方程式。檢測結果如表3所示。

表3 酸值含量試驗數據

圖2 酸值關系圖

如圖2所示，y=0.8437x+0.5499為酸值的線性擬合方程，y為手持式油液監測儀測出齒輪箱油樣酸值含量，x為916型酸值滴定儀測出齒輪箱油樣酸值含量，其相關系數R2=0.9867，說明兩種方法的線性擬合度很高。說明FluidScan 1000手持式油液監測儀檢測齒輪箱油樣酸值的數據結果具有較高的準確度。根據FluidScan 1000手持式油液狀態監測儀水分、酸值的精密度分析，顯示檢測數據精確度較高，說明可見光柵紅外光譜法能滿足動車組齒輪箱油的監測工作。

2 高速動車組監測數據分析

2.1 水分數據分析

水分是齒輪箱外界進入的主要污染源之一，它不僅會加速潤滑油氧化變質，還破壞潤滑油的油膜，使潤滑油失去潤滑效果。表4為水分監測數據，圖3為水分趨勢圖。

表4 水分監測數據

從圖 3 可以看出，1#，2#，3#齒輪箱油樣前 6 次油樣的水分含量均＜6×10-4，第7次樣品的含水量明顯增高，水分最高含量達到1.285×10-3，屬于不正常狀態。為了更好地了解齒輪箱油樣當前的質量狀況，以3#齒輪箱監測期間水分的變化趨勢為例，應用3線值法制作控制線。

基準線：3#齒輪箱監測期間水分監測數據的算術平均值，見式（1）。

圖3 水分變化趨勢圖

控制線：式（2）為3#齒輪箱監測期間水分監測數據的標準偏差，其警告線和危險線見式（3）、式（4）。

警告線：

危險線：

圖4 3#齒輪箱油樣控制圖

圖4為3#齒輪箱油樣控制圖。從圖4可見，3#齒輪箱油樣前6次油樣的監測數據都在基準線以下，油樣水分含量處于正常狀態，第7次油樣的監測數據超出了警告線，在警告區內，這時3#齒輪箱中的齒輪箱油水分處于不正常的狀態，此時應對其原因進行分析，立刻采取措施。采用相同的方法，分別對1#，2#齒輪箱油樣進行監控，1#齒輪箱油樣前6次油樣的監測數據基本都在基準線以下，油樣水分處于正常狀態，第7次油樣的監測數據超出警告線，同樣需要分析原因，立刻采取措施；2#齒輪箱油樣的監測數據都在警告線以下，但監測數據呈上升趨勢，需要引起注意，加強監測。

2.2 酸值數據分析

酸值是評定潤滑油質量的主要理化指標之一，酸值的變化在一定程度上反應潤滑油的氧化程度和腐蝕性，若酸值過高會對齒輪箱產生腐蝕，影響齒輪箱的使用壽命。表5為監測期間油樣酸值的監測數據。圖5為監測期間酸值的變化趨勢。

表5 酸值監測數據

表6 100℃運動黏度監測數據

圖5 酸值變化趨勢圖

圖6 100℃運動黏度趨勢

從圖 5 可見，1#，2#，3#齒輪箱油樣在監測期間酸值監測數據呈上升趨勢，應用3線值法可以看出3個齒輪箱在監測期間的監測數據均在警告線以下，但酸值的監測數據不斷上升，需要引起注意，加強監測。

2.3 運動黏度數據分析

CRHB（L）高速動車組齒輪箱油液可減少機械金屬原件之間的摩擦，延長齒輪箱的使用壽命。MiniVisc 3000型便攜式運動黏度計使用60 μL的齒輪箱油樣就可以檢測40℃的運動黏度，根據黏度系數再轉化成100℃的運動黏度。由于CRH動車組齒輪箱使用的油品均是聚α烯烴基礎油加添加劑所組成，在動車組超高速運行下，高溫導致油品衰變是重要因素之一，因此對齒輪箱油樣運動黏度（100℃）進行監測。運動黏度（100℃）監測數據見表6。圖6為100℃運動黏度趨勢。

從圖 6 可見，1#，2#、，3#齒輪箱油樣在監測期間運動黏度（100℃）監測數據呈上升趨勢，應用3線值法可以看出3個齒輪箱在監測區間的監測數值均在警告線以下，但運動黏度（100℃）的監測數值不斷上升，需要引起注意，加強監測。

使用油液狀態監測設備對監測期間齒輪箱油樣中水分、酸值、運動黏度（100℃）的綜合分析，3個監測指標都呈上升趨勢，其中只有水分的監測數值超出了警告線，在高速動車組的行駛過程中，由于水分是齒輪箱外界引入的主要污染源之一，因此對動車組齒輪箱密封系統進行分析，動車組的齒輪箱密封系統主要采用接觸式密封和非接觸式密封。接觸式密封是采用涂密封膠的方式主要對傳動齒輪箱內，合箱面接觸密封、軸承座、觀察窗等與箱體結合處的密封，該密封方式性能可靠，排除進水的可能；非接觸式密封是采用間隙密封和帶有甩油環的機械式迷宮密封對齒輪軸的電機側和車軸貫通部位的密封方式，該密封方式結構復雜，由于產品設計等方面的原因，有進水的可能，但現場無法解決此問題，只能根據換油周期定期更換新油。除此之外還必須保證盛裝油樣的試樣瓶干凈無水分，取完油樣后蓋上試樣瓶蓋，直到檢測時打開，防止空氣中的水分進入到油樣中。通過對齒輪箱箱體及取油裝置的檢查沒有發現任何異常情況，根據文獻[1]高速動車組齒輪箱油的換油周期，1#和3#齒輪箱油樣是在齒輪箱換油后運行30萬km處取的油樣，接近齒輪箱油換油周期35萬km，因此應立即更換新油，以防止齒輪箱油失效，加速磨損，引起齒輪箱內部故障。

3 結語

光柵紅外光譜法通過線性擬合曲線，并利用相關系數R2來判斷試驗數據的相關性，對其精密度進行分析，結果表明，FluidScan 1000手持式油液狀態監測儀和MiniVisc 3000型便攜式運動黏度計能夠滿足動車組齒輪箱油液的監測工作。該油液狀態分析設備大大簡化了動車組齒輪箱油液現場分析過程，并受環境影響很小，為動車組齒輪箱油液的質量監控起到了重要作用。

［1］高軍，李來順，趙海板，等.高速動車組齒輪油換油周期研究［J］.潤滑與密封，2015，40（2）：89-96.

［2］郭霞，史愛峰，石立杰，等.基于光柵紅外光譜法的潤滑油溶解水含量現場定量檢測［J］.潤滑與密封，2015，40（12）：139-142.