仪器分析技术在变速箱齿轮油监测中的应用

2012-03-05张晓菊

汽车零部件 2012年7期

张晓菊

(法士特汽车传动工程研究院，陕西西安 710077)

0 引言

变速箱齿轮油是保证变速箱各运动部件正常工作、长周期健康运转的关键。变速箱齿轮油具有如下作用:(1)减少齿轮及其他运动部件的磨损，保证变速箱的正常运行;(2)减少摩擦，减少功率损耗;(3)冷却、散热;(4)防止腐蚀与生锈;(5)降低噪声与振动，减少轮齿间的冲击;(6)冲洗污染物，特别是清洗齿面上的磨粒，以减少磨损等。文献［1］表明，选择正确的齿轮油是解决车辆手动变速箱副箱焊接齿及减速齿早期频繁损坏、齿面剥落、点蚀、断齿等问题，保护变速箱齿轮和轴承，延长变速箱使用寿命的有效途径之一。因此，通过对变速箱齿轮油进行有效的监测，随时了解其运行状况、组分变化，成为确定合理换油期，及时预报潜在故障，消灭事故于未然，使变速箱可靠运转的必要手段。

目前，变速箱齿轮油分析常用的分析仪器有:铁谱仪(Ferrography)、电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Inductively Coupled Plasma Atomemission Spectrometry)、傅立叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometry)等。

1 铁谱仪

铁谱技术又称铁相学［2］，是以磨损颗粒分析为基础的诊断技术。它可对带有磨屑的齿轮油进行定性和定量分析，据以判断磨屑的来源、产生原因以及零件的磨损情况。

铁谱仪构成示意图如图1所示。分析时，在待测油中加入一定量纯净的同牌号油和有机溶剂，稀释后用泵送到玻璃片的上端，当油液中的磨屑沿玻璃片向下流动时，磨屑受到磁场力，重力和油液阻尼力的作用，磨屑从入口端到出口端，按颗粒大小，从大到小依次沉积在玻璃片上，形成谱片，谱片经过冲洗剂冲洗掉残液后，在双色光学显微镜或扫描电子显微镜上进行定性分析，在光密度计式的铁谱读数器上进行定量分析。

2 电感耦合等离子体原子发射光谱仪

齿轮油中添加剂元素(Mg，Mo，Ca，Zn，Ba，P等)含量通常是油品质量和使用性能的重要指标之一，而润滑油中磨损和污染元素(Ni，Ti，Cr，Fe，Sn，A1，Mn，Si，Pb，Cu，Ag等)含量是监控润滑油使用性能和预测各种润滑机械故障的重要参数［3］。随着原子发射光谱技术的发展和成熟，电感耦合等离子体原子发射光谱仪，简称ICP-AES，因具有多元素同时测定、线性范围宽、灵敏度高、基体效应小、精密度好、快速准确等特点，在润滑油元素分析中也得到广泛应用。

电感耦合等离子体原子发射光谱仪构成示意图如图2所示。以射频发生器提供的高频能量加到感应耦合线圈上，若将等离子炬管置于该线圈中心，因而在炬管只产生高频电磁场，用微电火花引燃，使通入炬管中的氢气电离，产生电子和离子而导电，导电的气体受高频电磁场的作用，形成与耦合线圈同心的涡流区，强大的电流产生的高热，从而形成火炬形状的并可以自持的等离子体，由于高频电流的趋肤效应及内管载气的作用，使等离子体呈环状结构。预先处理好的齿轮油样由载气带入雾化器进行雾化后，以气溶胶形式进入等离子体的轴向通道，在高温和惰性气氛中被充分蒸发、原子化、电离和激发，发射出所含元素的特征波长的光，经分光系统分光后，其谱线强度由检测系统和数据处理系统收集和处理，根据特征谱线的存在与否，鉴别样品是否含有某种元素(定性分析)，根据特征谱线强度确定样品中相应元素的含量［4］。

3 傅立叶变换红外光谱仪

红外光谱是根据物质吸收辐射能量后引起分子振动的能级跃迁，记录跃迁过程而获得该分子的红外吸收光谱。傅立叶变换红外光谱法(简称FT-IR)是一种进行润滑油中有机基团和化合键分析的有效方法。它具有常规分析方法所没有的方便、快速的优点。齿轮油在变速箱工作过程中受到摩擦和热的作用，发生化学变化和物理变化，生成氧化物、硝化物、硫化物、胶质和积炭，利用红外光谱技术分析油样中有机化合物的基团结构，通过比较新、旧油的红外吸收峰的峰位与峰高，可定性与定量检测新旧油组分是否发生了化学变化，以及变化的类型与程度，进而监测润滑油的衰变程度。

傅立叶变换红外光谱仪构成示意图如图3所示。光源发出的红外辐射，经干涉仪转变成干涉图，通过试样后得到含试样信息的干涉图，由计算机采集，并经过快速傅立叶变换，得到吸收强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。每个有机基团和化合键都有特定的波长，在样品的红外光谱图上，可以根据吸收峰的位置和形状来推断未知物的分子结构，依照特征吸收峰的强度来测定润滑油中各种物质的含量。