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机械知识
基于油液监测技术的推土机变速箱故障诊断
作者:朱兆聚 李方义 贾秀杰 李国彦 王光存  来源:《润滑与密封》  更新时间:2014-09-29  点击率:1323

本文针对SD22型推土机变速箱中的油液进行追踪取样,并对油液进行一系列的常规理化性能分析、铁谱分析、光谱分析等,所得结论对于研究变速箱中零部件的磨损规律,快速诊断变速箱中各零部件的磨损程度,判断其可再制造性,估算其再制造价值具有一定的指导意义。

1        实验材料与设备

本次实验油样取自山推自发研制的SD22型推土机,其发动机型号为康明斯NT855-C280(BCⅢ),额定功率为162kw(220HP),额定转速1800rpm/min,最大扭矩1030Nm,变速箱是动力换挡,由行星齿轮变速机构组装成的,是行星齿轮系和盘式离合器的组合,具有前进3档和后退3档6个档位,所用润滑油牌号为15W 40-CD。油样是每间隔80小时左右用取样器直接采集到取样瓶里并进行编号油样1、2、3、4、5、6。

在运送油样的过程中,油液中的磨粒或机械杂质会因重力作用而慢慢下沉,导致磨粒在油液中上下分布不均匀,如果直接进行实验,会对实验结果产生影响,所得结论也没有科学性。因此,在进行一系列实验分析之前,需要对油样进行预处理:

(1)油样的加热与搅拌   为了避免油液中的磨粒或机械杂质沉积到取样瓶底部,首先将取样瓶放到 DHY-9075A 型电热恒温鼓风干燥箱中加热,参照美国材料实验学会(ASTM)的润滑油内金属化学分析的标准方法,加热温度设置到 65°C±5°C 保温约 30 分钟,使瓶内润滑油充分形成对流。然后将油样瓶从干燥箱中取出,随即用手振荡至少5分钟,使磨粒在油样中完全分散,呈现均匀的悬浮状态。

(2)油样的稀释   稀释处理包括粘度稀释和浓度稀释。油样粘度稀释是指在原润滑油或者经浓度稀释处理后的油样中按照3:1的比例加入有机溶剂(如四氯乙烯),以降低分析油样的粘度。其目的是减小油样中磨粒的粘性阻力,加快其流动性和沉积型;油样的浓度稀释是指在润滑油中加入一定比例的与原油同一牌号的油,以降低油样中所含磨粒的浓度。这样做的目的主要是防止由于磨粒浓度过高造成在进行铁谱分析时磨粒大量“堆积”到铁谱片或者沉积管入口处,造成油样中部分磨粒信息失真。

主要的实验设备有DHY-9075A 型电热鼓风干燥箱 、粘度计、METTLER TOLEDO 型电位滴定仪、ZTP-X2型直读式铁谱仪、FTP-X2型分析式铁谱仪、铁谱显微镜、SPECTROIL超谱原子发射光谱仪等。

2 实验结果与分析

2.1 常规理化性能分析

油液的常规理化性能分析是指通过理化试验的方法测定分析油样的粘度、碱值、水分、闪点和机械杂质等理化指标[7],再根据国家标准判断油液能否继续满足设备的使用要求,防止设备因油品污染变质和性能劣化导致润滑不良, 造成设备异常磨损故障。推土机的工作环境非常恶劣,噪声大、尘土多,极易影响润滑油的粘度。因此,粘度是判断润滑状态、确定是否换油的重要依据对油样进行粘度分析,所得结果和监测结论如下表1。

表1  粘度实验结果及结论

Table 1  Results and Conclusions of viscosity

 

油样1

油样2

油样3

油样4

油样5

油样6

粘度(mm2/s)

9.6

9.8

11.3

14.5

17.2

26.1

监测结论

润滑良好

润滑良好

润滑良好

润滑良好

润滑不良

严重不良

粘度是指油品分子间因受外力作用而发生相对运动时所产生的内摩擦阻力,它是影响机械摩擦副表面形成的润滑油膜厚度的重要因素,当润滑油粘度过小时,会形成半液体或者边界摩擦,加速磨损;当粘度过大时,润滑油的流动性、渗透性、散热性均较差,功率消耗多,也会加速磨损。参考国家标准 GB/T265,表2中油样5的粘度值稍微偏高,润滑性能下降,此时应引起注意,准备换油,而油样6的粘度值过高,润滑性能严重不良,此时推土机应立即停止工作,及时更换新油,以防加速磨损,引起变速箱内部故障。

2.2  铁谱分析

铁谱分析技术是通过对润滑油中磨损颗粒进行分析进而判断机械磨损状态的一种有效的无损检测手段,其原理是利用高梯度磁场将磨粒从润滑油中分离出来,使其按照尺寸大小有序的沉积在铁谱片上,然后通过电子显微镜观察磨粒的成分、大小、数量和形态,从而对机械设备的运行状况、关键零部件的磨损状态进行分析判断[8]

2.2.1 直读铁谱监测结果与分析

本文针对推土机变速箱中润滑油分别应用直读铁谱仪和分析铁谱仪对其进行磨粒大小、数量和形貌进行分析。所测得的直读铁谱数据见表2。

表2   直读铁谱数据表

Table 2  Data sheet of Direct reading ferrography

油样

润滑油使用

时间(h)

推土机总工作时间(h)

大磨粒含量DL(颗粒数)

小磨粒含量DS(颗粒数)

DL/DS

1

497

9471

61.2

37.8

1.619

2

586

9560

70.7

40.2

1.759

3

676

9650

83.1

68.3

1.217

4

779

9753

92.4

62.1

1.488

5

860

9834

105.3

67.9

1.551

6

945

9919

153.6

50.2

3.06

一台新设备在磨损过程中呈现三个阶段:磨合磨损阶段、稳定磨损阶段及急剧磨损阶段,在不同阶段所产生的磨损的状态各不相同,根据统计学原则,应用三线值法对推土机变速箱在不同磨损状态下的油液监测数据进行统计分析,从而确定磨损数据的控制线。   

     

3预测原则

   WPC > V3 时,磨损状态处于高度危险区域。此时磨粒浓度超出危险线,磨损量迅速提高,机械可能发生了失效,因此需要停止运行,进行维修检查。

   V2 < WPC <V3时,磨损状态处于警告区域。此时磨粒浓度超出了警告线,机械设备可能已产生异常磨损,处于不正常状态。但是异常磨损到失效需要一个过程,因此机械还不至于立即发生故障,此时应立即采取措施,进行设备的检查。

   V1 < WPC <V2 时,磨损状态处于正常磨损范畴。此时机械正常运行,但是磨粒浓度偏高,是发生异常磨损的前兆,有必要引起注意,加强设备监测。

WPC <V1 时,这一区域的机械设备处于良好的正常磨损状态,能够安全可靠的工作。  将监测数据代入上述公式,得出推土机变速箱油液的三线值,如下表3。

表3    监测设备的三线值

Table3  Three-line value of monitoring machine

设备名称

S

基准线值

注意线值

危险线值

SD22型推土机变速箱

9.73

37.21

56.67

66.4

根据实验数据,计算出油样1、油样2的磨粒浓度均比基准线值小,判断推土机变速箱在该阶段内处于正常磨损阶段,能够安全可靠的工作;油样3、4、5、6的磨粒浓度要比基准线值大,但比注意线值小,判断推土机变速箱的磨损状态处于正常磨损范畴。此时设备正常运行,但是磨粒浓度偏高,是发生异常磨损的前兆,有必要引起注意,加强设备监测。此外,油样6的DL/DS值大于3,数值较高,说明此时需要及时更换润滑油,以免因油液问题而造成变速箱的异常磨损。

2.2.2  铁谱图像分析

利用FTP-X2型分析式铁谱仪对各油样进行铁谱分析,并用铁谱显微镜观察油样中磨粒的形貌,如图2、图3所示。从图像中可以看出,油样2中磨粒分布比较稀疏,数目较少,而油样6中磨粒分布密集,数目多,与在直读铁谱实验中所得数据相吻合,同时,从油样6中也可以看出,变速箱中润滑油使用时间过长会使油液中的磨粒过多,导致磨粒在铁谱片上堆积覆盖,造成重要磨粒信息的失真,影响实验结果,因此,该推土机变速箱中的润滑油在使用到945h时应该换油,以免造成变速箱内关键零部件的磨损,降低使用寿命。

2.3  原子光谱分析

根据原子激发方式不同,光谱技术主要分为原子发射光谱和原子吸收光谱,考虑到推土机应用的特殊工况(噪声大、尘土多等)及实验条件,本文运用原子发射光谱技术对油液进行试验分析,其原理是利用交流或直流电弧激发油样使其中各微量元素的原子释放出具有特征频率的光子,以获得发射光谱,测量谱线的波长以及相对强度,进而求得油样中所含元素的成分及含量[10];根据SD22型推土机变速箱中各零部件的材质组成及环境中可能存在的污染源,可确定润滑油中各元素的来源及可能的产生原因,见下表4。

表4   润滑油中各关键元素的可能来源及产生原因

Table4  The possible sources and production reasons of key elements in lubricant

     

可能来源

产生原因

 Fe

油缸体、活塞、行星架等

相关零部件的磨损

Cr

齿轮、齿轮轴、齿圈、轴承座等

零部件磨损或腐蚀

Mn

二、三排行星架、垫板、齿轮等

零部件磨损

Cu

摩擦片、轴承保持架等

零部件磨损

Si

空气中的尘土

环境污染

Mg 、Zn 、P

润滑油中的添加剂

润滑油质量降低

 

    应用SPECTROIL超谱原子发射光谱仪对推土机变速箱的油样进行光谱监测分析,实验数据结果如下表5。从表中可以看出,在SD22型推土机变速箱润滑油光谱分析中,磨损元素Fe和Cu的含量最高,其次是Si,Mg和Cr的元素含量最少,这与变速箱中各零部件的材质是一致的。图4是Fe元素和Cu元素随润滑油使用时间其含量的变化图,从图中可以看出,两种元素含量变化开始较为平缓,说明在该阶段变速箱各零部件的磨损正常,可以继续工作,但在润滑油使用时间超过860h后,元素含量值突然增加,说明此时变速箱内部可能出现异常磨损,处于不正常状态,需停止工作,进行设备检查,防止发生故障。根据表5,得知Fe元素主要来源于油缸体、活塞和行星架等,因其含量高,说明该变速箱中这几个零部件损坏较大,磨损较为严重,而Cu元素主要来源于摩擦片和轴承保持架等,它的含量高,说明变速箱中的摩擦片磨损严重,需要及时检查更换。此外,元素Si的含量相对较高,说明在润滑油中混有尘土,需要及时检查变速箱的密封性。

表5   原子发射光谱实验数据结果(单位:ppm)

Table5  Data results of Atomic emission spectroscopy

 

油样1

油样2

油样3

油样4

油样5

油样6

 

Fe

87.6

95.1

89.4

100.2

131.5

230.6

Cr

0.4

0.9

0.7

1

1.1

1.6

Cu

130.6

147.4

135.3

152.1

160.4

245.3

Si

46.3

60.9

83.2

74.7

85.4

94.8

Mg

3.7

6.5

7.1

10.4

11.8

12.3

 

3  结论

本文通过应用常规理化性能分析、铁谱分析和原子光谱分析等多种方法联合对SD22型推土机的变速箱油液进行监测分析,一方面确定了润滑油在使用945h后需要及时更换新油,防止因油液润滑不良等问题引发变速箱异常磨损故障,另一方面判断出推土机变速箱中活塞、摩擦片等零部件磨损严重,需及时更换,且变速箱的密封性不好。因此,应用油液监测技术能够及时监测推土机变速箱的异常磨损故障并确定维修方法,快捷高效的判断机械设备回收关键部件的可再制造性,为零部件的再制造修复工作奠定基础。

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