便携式油液分析仪在齿轮油状态监测中的应用

宋 磊，李淑华，周敬然，杨 林，高 军，李来顺

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 064000）

0 引言

齿轮箱是动车组的核心传动部件，润滑油作为重要的润滑介质，其状态影响着齿轮箱的运行状态，如今高速动车组齿轮油的监测受到了广泛的重视。文献[1]通过对润滑油的理化指标、污染变化和光谱元素的检测，确定了换油周期。油样从取油到送往实验室进行检测具有周期长、成本高的缺点，不能满足大批量齿轮箱油样监测的需要。

实践验证了光栅红外光谱法对齿轮箱油酸值、水分定量分析的可行性。并介绍FluidScan 1000手持式油液状态监测仪与MiniVisc3000型便携式运动黏度计在高速动车组现场齿轮箱油状态监测中的应用。

1 光栅红外光谱法

光栅红外光谱法能对油品的酸值、水分等润滑油指标进行检测，文献[2]使用光栅红外光谱法对润滑油水分进行定量检测，但该方法对齿轮箱油各项指标定量检测的效果还不明确。以多个齿轮箱中的齿轮油Cognis Emgard RW-A 75W-90为实验对象，将光栅红外光谱法同目前检测齿轮箱油样酸值、水分的检测仪器针对同一齿轮箱油样进行分别检测，得到两组试验数据的线性拟合曲线，并利用相关系数R2来判断试验数据的相关性。

1.1 试验仪器

（1）FluidScan 1000手持式油液状态监测仪；

（2）MiniVisc 3000型便携式运动黏度计；

（3）915型卡尔费休水分仪；

（4）916型酸值滴定仪。

1.2 检测精度分析

FluidScan 1000手持式油液状态监测仪可以对齿轮箱油样的酸值、水份进行检测，分别通过仪器试验数据线性拟合关系对酸值和水分的精密度进行分析。表1为仪器对比表。

（1）使用光栅红外光谱法检测齿轮箱油样的水含量，当油液中存在游离水和乳化水时，会散射透过油液的红外光，对检测结果产生影响，因此需要从齿轮箱中取出油样后，放置一段时间，当游离水沉降，试样瓶底部出现分层，再从试样瓶上层部分取油样进行检测。对含水量不同的5个齿轮箱油样分别重复检测5次，取其平均值，将所测得的齿轮箱油样溶解水含量值的关系，做成线性拟合曲线（图1），并求得线性拟合方程式。检测结果如表2所示。

表1 仪器对比表

表2 含水量试验数据

图1 水分关系图

如图1所示，y=0.9708x+12.767为水分的线性拟合方程，y为手持式油液监测仪测出齿轮箱油样水含量的值，x为915型卡尔费休水分仪测出齿轮箱油样水含量值，其相关系数R2=0.9983，说明两种方法的线性拟合度很高。说明FluidScan 1000手持式油液监测仪检测齿轮箱油样水含量的数据结果具有较高的准确度。

（2）根据FluidScan 1000手持式油液状态监测仪对齿轮箱油样检测的结果得出的酸值含量，对5个齿轮箱油样酸值含量分别取其平均值；同时使用916型酸值滴定仪与相对应的5个齿轮箱油样进行5次重复测定，取其平均值，将两种方法所测得的齿轮箱油样酸值的关系，做成线性拟合曲线（图3），并求得其线性拟合方程式。检测结果如表3所示。

表3 酸值含量试验数据

图2 酸值关系图

如图2所示，y=0.8437x+0.5499为酸值的线性拟合方程，y为手持式油液监测仪测出齿轮箱油样酸值含量，x为916型酸值滴定仪测出齿轮箱油样酸值含量，其相关系数R2=0.9867，说明两种方法的线性拟合度很高。说明FluidScan 1000手持式油液监测仪检测齿轮箱油样酸值的数据结果具有较高的准确度。根据FluidScan 1000手持式油液状态监测仪水分、酸值的精密度分析，显示检测数据精确度较高，说明可见光栅红外光谱法能满足动车组齿轮箱油的监测工作。

2 高速动车组监测数据分析

2.1 水分数据分析

水分是齿轮箱外界进入的主要污染源之一，它不仅会加速润滑油氧化变质，还破坏润滑油的油膜，使润滑油失去润滑效果。表4为水分监测数据，图3为水分趋势图。

表4 水分监测数据

从图 3 可以看出，1#，2#，3#齿轮箱油样前 6 次油样的水分含量均＜6×10-4，第7次样品的含水量明显增高，水分最高含量达到1.285×10-3，属于不正常状态。为了更好地了解齿轮箱油样当前的质量状况，以3#齿轮箱监测期间水分的变化趋势为例，应用3线值法制作控制线。

基准线：3#齿轮箱监测期间水分监测数据的算术平均值，见式（1）。

图3 水分变化趋势图

控制线：式（2）为3#齿轮箱监测期间水分监测数据的标准偏差，其警告线和危险线见式（3）、式（4）。

警告线：

危险线：

图4 3#齿轮箱油样控制图

图4为3#齿轮箱油样控制图。从图4可见，3#齿轮箱油样前6次油样的监测数据都在基准线以下，油样水分含量处于正常状态，第7次油样的监测数据超出了警告线，在警告区内，这时3#齿轮箱中的齿轮箱油水分处于不正常的状态，此时应对其原因进行分析，立刻采取措施。采用相同的方法，分别对1#，2#齿轮箱油样进行监控，1#齿轮箱油样前6次油样的监测数据基本都在基准线以下，油样水分处于正常状态，第7次油样的监测数据超出警告线，同样需要分析原因，立刻采取措施；2#齿轮箱油样的监测数据都在警告线以下，但监测数据呈上升趋势，需要引起注意，加强监测。

2.2 酸值数据分析

酸值是评定润滑油质量的主要理化指标之一，酸值的变化在一定程度上反应润滑油的氧化程度和腐蚀性，若酸值过高会对齿轮箱产生腐蚀，影响齿轮箱的使用寿命。表5为监测期间油样酸值的监测数据。图5为监测期间酸值的变化趋势。

表5 酸值监测数据

表6 100℃运动黏度监测数据

图5 酸值变化趋势图

图6 100℃运动黏度趋势

从图 5 可见，1#，2#，3#齿轮箱油样在监测期间酸值监测数据呈上升趋势，应用3线值法可以看出3个齿轮箱在监测期间的监测数据均在警告线以下，但酸值的监测数据不断上升，需要引起注意，加强监测。

2.3 运动黏度数据分析

CRHB（L）高速动车组齿轮箱油液可减少机械金属原件之间的摩擦，延长齿轮箱的使用寿命。MiniVisc 3000型便携式运动黏度计使用60 μL的齿轮箱油样就可以检测40℃的运动黏度，根据黏度系数再转化成100℃的运动黏度。由于CRH动车组齿轮箱使用的油品均是聚α烯烃基础油加添加剂所组成，在动车组超高速运行下，高温导致油品衰变是重要因素之一，因此对齿轮箱油样运动黏度（100℃）进行监测。运动黏度（100℃）监测数据见表6。图6为100℃运动黏度趋势。

从图 6 可见，1#，2#、，3#齿轮箱油样在监测期间运动黏度（100℃）监测数据呈上升趋势，应用3线值法可以看出3个齿轮箱在监测区间的监测数值均在警告线以下，但运动黏度（100℃）的监测数值不断上升，需要引起注意，加强监测。

使用油液状态监测设备对监测期间齿轮箱油样中水分、酸值、运动黏度（100℃）的综合分析，3个监测指标都呈上升趋势，其中只有水分的监测数值超出了警告线，在高速动车组的行驶过程中，由于水分是齿轮箱外界引入的主要污染源之一，因此对动车组齿轮箱密封系统进行分析，动车组的齿轮箱密封系统主要采用接触式密封和非接触式密封。接触式密封是采用涂密封胶的方式主要对传动齿轮箱内，合箱面接触密封、轴承座、观察窗等与箱体结合处的密封，该密封方式性能可靠，排除进水的可能；非接触式密封是采用间隙密封和带有甩油环的机械式迷宫密封对齿轮轴的电机侧和车轴贯通部位的密封方式，该密封方式结构复杂，由于产品设计等方面的原因，有进水的可能，但现场无法解决此问题，只能根据换油周期定期更换新油。除此之外还必须保证盛装油样的试样瓶干净无水分，取完油样后盖上试样瓶盖，直到检测时打开，防止空气中的水分进入到油样中。通过对齿轮箱箱体及取油装置的检查没有发现任何异常情况，根据文献[1]高速动车组齿轮箱油的换油周期，1#和3#齿轮箱油样是在齿轮箱换油后运行30万km处取的油样，接近齿轮箱油换油周期35万km，因此应立即更换新油，以防止齿轮箱油失效，加速磨损，引起齿轮箱内部故障。

3 结语

光栅红外光谱法通过线性拟合曲线，并利用相关系数R2来判断试验数据的相关性，对其精密度进行分析，结果表明，FluidScan 1000手持式油液状态监测仪和MiniVisc 3000型便携式运动黏度计能够满足动车组齿轮箱油液的监测工作。该油液状态分析设备大大简化了动车组齿轮箱油液现场分析过程，并受环境影响很小，为动车组齿轮箱油液的质量监控起到了重要作用。

［1］高军，李来顺，赵海板，等.高速动车组齿轮油换油周期研究［J］.润滑与密封，2015，40（2）：89-96.

［2］郭霞，史爱峰，石立杰，等.基于光栅红外光谱法的润滑油溶解水含量现场定量检测［J］.润滑与密封，2015，40（12）：139-142.