電力機車齒輪箱油光譜分析應用探究

王旭

摘要：機車齒輪箱的潤滑不良和異常磨損是危害機車走行安全的重要因素，定期對齒輪箱油進行光譜分析可以監測其攜帶的磨損顆粒的情況，評價齒輪箱的運行工況和預測故障部位，并根據檢測數據及時更換齒輪油或進行有關檢測，保障機車走行安全，并且優化換油周期，降低運營成本。

關鍵詞：機車;齒輪箱油;光譜;磨損;換油

1.背景

我段目前共配屬235臺HXD1C型電力機車，并具備C4及以下修程的檢修能力。HXD1C型機車是大功率交流傳動干線貨運六軸電力機車，每臺機車有6個牽引電機，對應6個齒輪箱。在SS系列電力機車時代，我段并沒有對運用中的齒輪箱油進行化驗分析，只是按照修程C2、C3定期進行更換。隨著HX系列大功率機車的上馬，對齒輪箱的可靠性要求也越來越高。通過分析運用中齒輪箱油的性能變化和攜帶的磨損顆粒含量情況，可以獲知齒輪箱內部各摩擦副的潤滑和磨損狀態，尤其是可以對異常磨損及早處置，從而可以將機車走行部的故障消滅在萌芽狀態。通過長期的數據積累，還可以評價設備的運行工況和預測故障部位，并確定故障原因、類型，形成一個系統的技術體系。原子發射光譜分析技術是油液中金屬磨粒元素、污染物及添加劑定性定量檢測的理想儀器，在冶金、鑄造、軍工等領域已經廣泛應用。以HX型機車C4修在我段的上馬為契機，2020年我段啟動了光譜分析儀項目。

2.儀器選型及工作原理

目前光譜儀分為原子發射光譜儀、原子吸收光譜儀和原子熒光光譜儀。原子發射光譜分析所采用的原理是用電弧（或火花）的高溫使樣品中各元素從固態直接氣化并被激發而發射出各元素的特征波長，用光柵分光后，成為按波長排列的“光譜”，這些元素的特征光譜線通過出射狹縫，射入各自的光電倍增管，光信號變成電信號，經儀器的控制測量系統將電信號積分并進行模/數轉換，然后由計算機處理，并輸出各元素的百分含量。其特點為樣品預處理特別簡單，基本不需要特別處理;從樣品激發到計算機報出元素分析含量只需20-30秒鐘，速度非常快，特別適合樣本量大的情形，HX型機車每臺車有6～8個齒輪箱，樣品量非常大;樣品中所有要分析的元素（幾個甚至十幾個）可以一次同時分析出來;分析精度非常高;數據處理方便。從技術角度來看，光電原子發射光譜分析從保證檢測質量，到經濟效益等方面，它是十分有利的分析工具。通過招標，我段最終選擇了國外某廠家的126型光電直讀原子發射光譜儀。該光譜分析儀具有中文交互界面，三合一的功能（磨粒分析及鐵譜的直讀分析、PQ），并且提供了較大磨損金屬顆粒的圖譜，還可以直接檢測潤滑脂。

3.取樣工具的選型

開始取樣時我們按常規選用的是100毫升塑料樣品瓶從齒輪箱放油堵處接樣，但是經過現場調研發現，放油堵處的灰塵較多，難以清洗干凈，樣品在流出過程中很容易受到污染;且油樣在檢測過程中從瓶中倒入平板電極時不好操作，容易倒灑，污染周邊儀器配件。結合取樣、倒樣的實際需求，我們多次實驗發現使用一次性針管從加油堵處取，能夠同時平衡取樣時的清潔、檢測倒樣方便的問題，是取樣工具的最優選擇。

4.光譜分析儀在我段齒輪箱油檢測中的應用

4.1光譜分析技術能有效檢測出油中各微量元素的成分和含量，由此可獲取有用的信息。通過檢測金屬磨損元素的成分和含量能夠反映摩擦副的磨損趨勢和嚴重程度;檢測添加劑元素的成分和含量可以反映油品添加劑的損耗;檢測污染元素的成分和含量能夠反映油品污染情況。

4.2齒輪箱為金屬材質。我們主要研究的是運動件以及可能與運動件產生摩擦的部件。齒輪、軸承主要材質為鐵、鉻，軸承保持架主要材質為銅，電機軸承蓋和箱體主要材質為鋁，密封件的材質為硅。

4.3除金屬元素外，我們還可以監測油中的添加劑含量及元素。Ca、Mg元素主要來源于油中的清凈劑和分散劑。Zn、P元素主要來源于抗磨劑、極壓抗磨劑、抗氧化劑。Na元素主要來源于防銹劑。Si元素主要來源于消泡劑（外來沙和塵土SiO2）。

4.4因為我段剛開始進行光譜分析，目前對油中的添加劑是只監測含量，不作為換油或者頂輪等的依據，現在重點還是在金屬元素和硅的檢測上。通過檢測各部件故障特征金屬元素的含量來預測齒輪箱內部各部件的磨損情況。特征元素為鐵、鉻時，主要故障部位為軸承和齒輪，反映軸承運轉時內外圈和滾珠的磨耗或大小齒輪嚙合的異常磨耗。特征元素為鋁時，故障部位可能為電機軸承蓋或箱體，電機轉軸和軸承蓋相干涉，齒輪和齒輪箱相干涉產生異常磨耗。特征元素為銅時，主要是軸承保持架磨耗。特征元素為硅時，主要是箱體密封不好，灰塵、砂石污染齒輪油。

4.5廠家給的HXD1C機車必測的齒輪油元素含量門限值如表一，超過門限值的齒輪箱需要更換齒輪箱油并根據實際頂輪檢測。

4.6我段制定了齒輪箱油檢測方案：逢C2取樣分析，合格繼續運行，不合格換油或頂輪;C3固定換油。前期共完成222個齒輪油樣品檢測，各元素檢測超限結果如下：見表二

在檢測的四種元素中，鐵、鋁結果正常，銅只有一個油樣超限，經過頂輪檢測，確認沒有問題后換油，但有32.88%的油樣硅含量超限，證明硅含量門限值設置不合理，門限過低，造成了大量非正常換油，成本支出很大。根據我段油樣硅含量箱線圖，結合兄弟站段的經驗，調整硅的門限值至≤200μg/g，則222個油樣硅超限比例為5%，比例較為合理。門限值調整后共做了152個齒輪箱油樣，有5個油樣硅超限，超限比例3.2%，基本符合實際情況。硅門限值調整后對硅含量在100μg/g至200μg/g的齒輪箱每兩個月進行跟蹤，發現這些齒輪箱油硅含量基本穩定，沒有加速上升的現象，金屬元素含量也沒有異常，證明這樣的調整是妥當的。

5.小結：

光譜分析儀具有自動化程度高，檢測功能多、操作簡單、精度準確度高的優點。通過光譜分析儀的投產，豐富了我段對齒輪箱磨損狀態的監測手段。運用光譜分析技術，結合化驗數據進行磨損、潤滑分析，修訂了非金屬元素硅的門限值，優化了換油情況，加大了齒輪箱的異常磨損監督，解決了降低齒輪箱非正常換油和確保機車質量的統一的問題，機車質量與成本達到了平衡，為段和集團提質增效做出了貢獻。

參考文獻：

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