电力机车齿轮箱油光谱分析应用探究

王旭

摘要：机车齿轮箱的润滑不良和异常磨损是危害机车走行安全的重要因素，定期对齿轮箱油进行光谱分析可以监测其携带的磨损颗粒的情况，评价齿轮箱的运行工况和预测故障部位，并根据检测数据及时更换齿轮油或进行有关检测，保障机车走行安全，并且优化换油周期，降低运营成本。

关键词：机车;齿轮箱油;光谱;磨损;换油

1.背景

我段目前共配属235台HXD1C型电力机车，并具备C4及以下修程的检修能力。HXD1C型机车是大功率交流传动干线货运六轴电力机车，每台机车有6个牵引电机，对应6个齿轮箱。在SS系列电力机车时代，我段并没有对运用中的齿轮箱油进行化验分析，只是按照修程C2、C3定期进行更换。随着HX系列大功率机车的上马，对齿轮箱的可靠性要求也越来越高。通过分析运用中齿轮箱油的性能变化和携带的磨损颗粒含量情况，可以获知齿轮箱内部各摩擦副的润滑和磨损状态，尤其是可以对异常磨损及早处置，从而可以将机车走行部的故障消灭在萌芽状态。通过长期的数据积累，还可以评价设备的运行工况和预测故障部位，并确定故障原因、类型，形成一个系统的技术体系。原子发射光谱分析技术是油液中金属磨粒元素、污染物及添加剂定性定量检测的理想仪器，在冶金、铸造、军工等领域已经广泛应用。以HX型机车C4修在我段的上马为契机，2020年我段启动了光谱分析仪项目。

2.仪器选型及工作原理

目前光谱仪分为原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪和原子荧光光谱仪。原子发射光谱分析所采用的原理是用电弧（或火花）的高温使样品中各元素从固态直接气化并被激发而发射出各元素的特征波长，用光栅分光后，成为按波长排列的“光谱”，这些元素的特征光谱线通过出射狭缝，射入各自的光电倍增管，光信号变成电信号，经仪器的控制测量系统将电信号积分并进行模/数转换，然后由计算机处理，并输出各元素的百分含量。其特点为样品预处理特别简单，基本不需要特别处理;从样品激发到计算机报出元素分析含量只需20-30秒钟，速度非常快，特别适合样本量大的情形，HX型机车每台车有6～8个齿轮箱，样品量非常大;样品中所有要分析的元素（几个甚至十几个）可以一次同时分析出来;分析精度非常高;数据处理方便。从技术角度来看，光电原子发射光谱分析从保证检测质量，到經济效益等方面，它是十分有利的分析工具。通过招标，我段最终选择了国外某厂家的126型光电直读原子发射光谱仪。该光谱分析仪具有中文交互界面，三合一的功能（磨粒分析及铁谱的直读分析、PQ），并且提供了较大磨损金属颗粒的图谱，还可以直接检测润滑脂。

3.取样工具的选型

开始取样时我们按常规选用的是100毫升塑料样品瓶从齿轮箱放油堵处接样，但是经过现场调研发现，放油堵处的灰尘较多，难以清洗干净，样品在流出过程中很容易受到污染;且油样在检测过程中从瓶中倒入平板电极时不好操作，容易倒洒，污染周边仪器配件。结合取样、倒样的实际需求，我们多次实验发现使用一次性针管从加油堵处取，能够同时平衡取样时的清洁、检测倒样方便的问题，是取样工具的最优选择。

4.光谱分析仪在我段齿轮箱油检测中的应用

4.1光谱分析技术能有效检测出油中各微量元素的成分和含量，由此可获取有用的信息。通过检测金属磨损元素的成分和含量能够反映摩擦副的磨损趋势和严重程度;检测添加剂元素的成分和含量可以反映油品添加剂的损耗;检测污染元素的成分和含量能够反映油品污染情况。

4.2齿轮箱为金属材质。我们主要研究的是运动件以及可能与运动件产生摩擦的部件。齿轮、轴承主要材质为铁、铬，轴承保持架主要材质为铜，电机轴承盖和箱体主要材质为铝，密封件的材质为硅。

4.3除金属元素外，我们还可以监测油中的添加剂含量及元素。Ca、Mg元素主要来源于油中的清净剂和分散剂。Zn、P元素主要来源于抗磨剂、极压抗磨剂、抗氧化剂。Na元素主要来源于防锈剂。Si元素主要来源于消泡剂（外来沙和尘土SiO2）。

4.4因为我段刚开始进行光谱分析，目前对油中的添加剂是只监测含量，不作为换油或者顶轮等的依据，现在重点还是在金属元素和硅的检测上。通过检测各部件故障特征金属元素的含量来预测齿轮箱内部各部件的磨损情况。特征元素为铁、铬时，主要故障部位为轴承和齿轮，反映轴承运转时内外圈和滚珠的磨耗或大小齿轮啮合的异常磨耗。特征元素为铝时，故障部位可能为电机轴承盖或箱体，电机转轴和轴承盖相干涉，齿轮和齿轮箱相干涉产生异常磨耗。特征元素为铜时，主要是轴承保持架磨耗。特征元素为硅时，主要是箱体密封不好，灰尘、砂石污染齿轮油。

4.5厂家给的HXD1C机车必测的齿轮油元素含量门限值如表一，超过门限值的齿轮箱需要更换齿轮箱油并根据实际顶轮检测。

4.6我段制定了齿轮箱油检测方案：逢C2取样分析，合格继续运行，不合格换油或顶轮;C3固定换油。前期共完成222个齿轮油样品检测，各元素检测超限结果如下：见表二

在检测的四种元素中，铁、铝结果正常，铜只有一个油样超限，经过顶轮检测，确认没有问题后换油，但有32.88%的油样硅含量超限，证明硅含量门限值设置不合理，门限过低，造成了大量非正常换油，成本支出很大。根据我段油样硅含量箱线图，结合兄弟站段的经验，调整硅的门限值至≤200μg/g，则222个油样硅超限比例为5%，比例较为合理。门限值调整后共做了152个齿轮箱油样，有5个油样硅超限，超限比例3.2%，基本符合实际情况。硅门限值调整后对硅含量在100μg/g至200μg/g的齿轮箱每两个月进行跟踪，发现这些齿轮箱油硅含量基本稳定，没有加速上升的现象，金属元素含量也没有异常，证明这样的调整是妥当的。

5.小结：

光谱分析仪具有自动化程度高，检测功能多、操作简单、精度准确度高的优点。通过光谱分析仪的投产，丰富了我段对齿轮箱磨损状态的监测手段。运用光谱分析技术，结合化验数据进行磨损、润滑分析，修订了非金属元素硅的门限值，优化了换油情况，加大了齿轮箱的异常磨损监督，解决了降低齿轮箱非正常换油和确保机车质量的统一的问题，机车质量与成本达到了平衡，为段和集团提质增效做出了贡献。

参考文献：

[1]霍兵.HXD1C型机车齿轮油使用成本分析及优化措施[J].电力机车与城轨车辆，2019（6）：72-74

[2]安岸斐.合成齿轮油在"和谐号"电力机车上的应用考察[J].合成润滑材料，2018（2）：31-37