（载运工具运用工程专业论文）基于油液分析的重负荷齿轮磨损状态评判的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文主要运用油液分析技术对在用齿轮油进行检测，获得齿轮油各项性能 参数，综合运用多种分析方法对油液性能参数进行分析，判定齿轮油的润滑性 能及其对应的齿轮摩擦副所处的磨损状态，对齿轮摩擦副运行状况进行预测， 防止和避免剧烈磨损的发生。综合分析油液性能参数的劣化和摩擦副磨损状态 变化的关系，确定齿轮油的使用寿命，为齿轮油的更换提供理论依据。 论文研究了重负荷齿轮的润滑形式及失效类型、油液分析技术的相关理论 及在设备状态监测中的实际应用，针对齿轮摩擦副的工作原理、润滑情况及磨 损形式，运用各种油液分析方法对齿轮油各项性能参数进行检测，并提取出关 键性的油液性能参数，为下一步的分析提供科学依据。通过对获取的试验数据 进行聚类分析和基于物元模型的评判完成对齿轮磨损状态的辨识，运用色谱分 析、关联规则分析获得齿轮油润滑性能和摩擦副磨损状态的关系。 论文进行重负荷齿轮磨损状态的评价，是通过对齿轮油进行分析来监测重 负荷齿轮在运行过程中的磨损状态，将齿轮油润滑性能与摩擦副磨损状态联系 起来，最终达到防止因齿轮润滑失效而导致齿轮发生剧烈磨损的目的。论文以 油液分析为主要分析手段，运用色谱法分析重负荷齿轮油极压抗磨性能的变化 趋势，得出齿轮油极压抗磨性能在车辆到达一定试验里程时出现劣化；将色谱 分析结果与油液理化性能指标和磨损性能参数的变化趋势相互比较，得出各性 能参数的变化趋势大致相同；运用聚类统计分析法对油液分析结果进行聚类分 析，能够直观的分析出齿轮摩擦副所处的磨损状态；运用磨损状态的物元评判 模型对重负荷齿轮磨损状态进行辨识，可以很确切的辨识出重负荷齿轮摩擦副 所处的磨损状态；运用a p r i o r i 算法计算齿轮油润滑性能和摩擦副磨损状况之间 的关联规则，得出齿轮油的润滑性能对摩擦副的磨损有很大的影响。 关键词：重负荷齿轮；油液分析；磨损评价 武汉理工大学硕士学位论文 _ - _ _ _ - - _ 一_ a b s t r a c t t h i ss t u d yf o c u s e do ng e a ro i la n a l y s i st h r o u g ht h et e c h n o l o g yo fo i lm o n i t o r i n g t oo b t a i no i lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f g e a ro i l s o m ea n a l y s i sm e t h o d sc a l lb eu s e d t oa n a l y z eo i lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st om o n i t o rt h ew e a rc o n d i t i o na n dt h ef a i l u i e d i a g n o s i so fm a c h i n eu s i n go i la n a l y s i st e c h n i q u e sa n dt h e mp r e d i c tt h ev i c e n e x ts t e p m o v e m e n tc o n d i t i o no fg e a ri no r d e rt oa v o i dw e a r i n gf i e r c e l y t h er e l a t i o nb e t w e e n t h eg e a ro i ll u b r i c a t i o np e r f o r m a n c ea n dg e a rw e a rc o n d i t i o ni sa n a l y z e dt od e t e r m i n e t h el i f eo fg e a ro i l ，w h i c hp r o v i d e sb a s i ct h e o r i e st or e p l a c eo i l t h i ss t u d ys t u d i e dg e a rl u b r i c a t i o na n dt h e e x p i r a t i o nf o r m ，t h e o r i e so fo i l a n a l y s i st e c h n i q u ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h ed e v i c es t a t u sm o n i t o r a c c o r d i n gt o g e a rm o v e m e n tp r i n c i p l e ，t h el u b r i c a t i o ns i t u a t i o na n dt h ea b r a s i o nt y p eo ft h eg e a r , o i la n a l y s i sm e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y s i sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f g e a ro i l ，p i c k - u p p a r t i a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rw h i c hn e e d sf o rt h en e x ts t e pa n a l y s i st op r o v i d et h e s c i e n t i f i cb a s i s t h ew e a rc o n d i t i o no fg e a rc a l lb eg o t t e nt h r o u g ht h ec l u s t e ra n a l y s i s a n dt h em a t t e re l e m e n ta n a l y s i st og e tt ok n o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg e a ro i l l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c ea n dg e a r sw e a rc o n d i t i o nb a s e do nc h r o m a t o g r a p ha n d a s s o c i a t i o nr u l e sa n a l y s i s t h ep u r p o s eo fc a r r y i n go u tt h ea t t r i t i o nc o n d i t i o ne v a l u a t i o no f h e a v yd u t yg e a r i st of m dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl u b r i c a t i o na n da t t r i t i o nc o n d i t i o no f g e a rt h r o u g h m o n i t o r i n gt h ea t t r i t i o nc o n d i t i o no fh e a v yd u t yg e a rb a s e do no i la n a l y s i s ，t h u s p r e v e n t sg e a rw e a l f i e r c er e s u l t sf r o mt h ef a i l u r eo fl u b r i c a t i o n t h i sp r o j e c tt o o kt h e o i la n a l y s i sa st h em a i na n a l y s i sm e t h o d , u s i n gc h r o m a t o g r a p h yt oa n a l y z et h ec h a n g e t e n d e n c ya b o u tp r e s s u r ea n da n t i w e a rp r o p e r t yo fg e a ro i l ， o b t a i nt h ep r e s s u r ea n d a n t i w e a rp r o p e r t yo fg e a ro i ls t a r tt od e t e r i o r a t i o nw h e ne x p e r i m e n t a lc o u r s e a c h i e v e sa t e s t i n gm i l e a g e t h er e s u l t so fc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i sa n dt h ec h a n g eo f o i lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw e r ec o m p a r e dt oi n d i c a t et h a tc h a n g e sr e g u l a r i t yo f s o m ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw e r es i m i l a r t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sr e s u l to fg e a r a t t r i t i o nc o n d i t i o nc o u l db eg o t t e nb a s e do nc l u s t e rs t a t i s t i c a l a n a l y s i s ，a t t r i t i o n c o n d i t i o no fg e a rc o u l d b ec o n f i r m e dt h r o u g ht h em a t t e re l e m e n ta n a l y s i s t h e i n f l u e n c eo fg e a ro i ll u b r i c a t i o nf a i l u r eo nw e a rc o u l d b ed i s c o v e r e dt h r o u g h i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n a l y z i n gt h ea s s o c i a t i o nr u l e sa b o u tl u b r i c a t i o na n da t t r i t i o nc o n d i t i o nb a s e do n a p r i o r ia l g o r i t h m k e y w o r d s ：h e a v yd u t yg e a r ；o i lm o n i t o r i n g ；w e a re v a l u a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 师( 签孙雠期型墨：。立：绰 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 齿轮是机械产品最重要的基础零件之一。其中，双曲线齿轮传动是汽车齿 轮传动中的一种主要传动形式，其特点是：齿的弯曲强度和接触强度高，传动 平稳，传动功率大、减速比大，但齿面间滑移速度大，且接触应力大，润滑条 件苛刻。故齿轮在传动的过程中，齿轮磨损是导致齿轮失效的主要原因之一【h 】。 针对重负荷齿轮的运行过程中润滑条件苛刻的特点，必须挑选专用的重负荷齿 轮油作为其润滑剂。齿轮油在工作的过程中，由于其本身理化性能和其他特殊 性能的下降引起齿轮润滑条件恶化，最终导致齿轮的磨损。为了保证齿轮始终 处于良好的润滑环境中，运用多种油液分析方法对齿轮油进行检测，监测齿轮 的润滑情况。 油液分析技术是一种有效的设备运行工况监测和故障诊断的方法【5 。丌，通过 分析被监测机械设备在用润滑油的性能变化和油液中磨损颗粒的情况，获得机 械设备的润滑和磨损颗粒状态的信息，从而评价机械设备的运行工况和对其故 障进行预测并确定其故障原因、类型和部位 8 1 。对润滑油所做的分析可分为两大 类，润滑油本身性能和润滑油中所携带的各种磨损磨粒及其它不溶物。润滑油 本身性能包括粘度、酸值、水分和闪点等常规理化指标，还有添加剂水平、抗 磨性能、抗极压性能等项目。磨损微粒分析技术通过对油中携带的磨损微粒的 尺寸、形貌、成份和浓度等指标，来实现机器摩擦学状态的有效监测和诊断拶以。 使用性能合格的润滑油是设备能否良好运行的关键。润滑油本身性能的劣化， 自然会导致润滑性能降低及设备磨损加剧，甚至引发事故【l 。因此，监测和控 制这些项目可以防止润滑失效事故的发生，也被称为主动预防维修。 另外，润滑油中还携带了大量的杂质成分，这些成份包括机器部件的磨损 颗粒、摩擦聚合物、金属氧化物、润滑油的劣变产物、尘埃等。它们从不同方 面反映了设备本身的运行状况，特别是机器中运动部件的磨损颗粒所具有的数 量、尺寸、形貌等特性最能说明设备的运行状况，其分析结果可以判定设备正 在发生着何种形式、何种性质的磨损，并可作为预测事故的依据。因此，在发 达的工业国家中，这种磨损分析方法常用于设备的故障诊断和预测性维修。 齿轮箱在使用过程中，其润滑油中聚集的各种磨损颗粒能够反应摩擦副的 磨损情况。因此，润滑油中金属元素的成分和浓度的变化蕴涵着各摩擦副润滑 和工作状态信息，可以通过对齿轮油性能参数的检测，从而分析齿轮摩擦副所 武汉理工大学硕士学位论文 处的磨损状态，为防止和避免齿轮摩擦副的剧烈磨损提供理论依据。齿轮油随 着机械设备的运行，受到各种物理和化学因素的影响，润滑性能处于一个不断 劣化的过程，齿轮油最终因不能满足设备的正常工作需要而更换。 本课题的研究目的和意义在于，运用各种油液分析仪器检测减速齿轮箱在 用润滑油的各项性能参数，并提取出关键性的油液性能参数。运用色谱法分析 齿轮油极压抗磨性能的变化趋势，并将其变化趋势与其它参数的变化进行对比 分析，初步评判润滑油的润滑性能及齿轮摩擦副所处的磨损状态；运用聚类分 析方法对润滑油性能参数进行聚类分析，对齿轮磨损状态进行分析；运用数学 建模方法为齿轮在各种工况下的磨损情况确定一个磨损状态评判标准，定量分 析并辨识齿轮所处的具体磨损状态。及时发现齿轮摩擦副的异常磨损，进而能 够及时采用相关措施避免齿轮剧烈磨损的发生，是油液监测和预知维修的主要 目的。通过计算油液理化性能参数和磨损性能参数之间的关联规则，得到各性 能参数之间的相互影响情况，有助于通过改善齿轮油润滑性能来实现延长摩擦 副的稳定磨损期，避免摩擦副的剧烈磨损。综合分析油液润滑性能的劣化和齿 轮摩擦副磨损状态变化的关系，确定齿轮油的使用寿命，为齿轮油的更换提供 理论依据。 1 2 齿轮故障及诊断 齿轮传动具有传速比范围大、传递功率大、传动比准确、使用寿命长、使 用范围广、可靠性高等优点，广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中，是许多 机械设备必不可少的传动部件，在现有机械产品传动形式中所占比重最大。齿 轮传动技术往往被视为反映机械工业水平的重要标志。 1 2 1 齿轮常见故障 齿轮传动是机械设备中最常见的传动方式，齿轮由于某种原因不能正常工 作的现象，或者说齿轮在其使用过程中，由于某些原因而丧失工作能力或功能 参数漂移到界限值以外的现象，被称为齿轮故障。现代机械对齿轮传动的要求 日益提高，即要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又 要求齿轮装置具有较高的平稳性、高可靠性和结构紧凑等良好的工作性能，由 此使得齿轮发生故障的因素越来越多【1 2 1 3 】。从总体上讲，齿轮故障可划分为两 大类：一类是由制造和装配等原因造成的，如齿轮误差、齿轮与内孔不同心、 各部分轴线不对中、不平衡等；另一类则是齿轮由于长期运行而形成的，通常 轮齿的表面承受的载荷很大，两啮合轮齿之间既有相对滚动，又有相对滑动， 而且相对滑动的摩擦力在齿轮节点两侧的方向相反，在长期运行中将导致齿轮 2 武汉理工大学硕士学位论文 表面发生点蚀、疲劳剥落、磨损、塑性流动、胶合以及齿根裂纹、断齿及其他 损伤等故障。 齿轮由于制造、操作、维护以及齿轮材料、热处理、运行状态等因素不同， 产生异常的形式各不相同，常见的齿轮异常有以下几种形式： 1 ) 弯曲疲劳与断齿 轮齿在交变承受载荷作用时，如同一根悬臂梁，在齿根部受到脉动循环的 弯曲应力作用。当这种周期性的应力过高超过齿轮材料的弯曲疲劳极限时，就 会在齿根部引起疲劳裂纹，并逐步扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会 发生疲劳断齿。此外，由于材质不均匀、齿轮精度过差、表面过于粗糙，齿轮 工作在当中，严重的冲击和过载导致轮齿材料的应力强度因子超过应力极限而 引起过载断齿和随机断齿。 2 ) 齿面接触疲劳与点蚀 齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。在滚动中，齿面接触 区内的正压力使表面层深处产生剪应力；齿面的相对滑动又会使表面产生拉应 力( 或压应力) 。在上述两种应力作用下，就会导致齿轮表面层深处产生脉动循环 变化的剪应力。当这种剪应力超过了齿轮材料的剪切疲劳极限，或者说齿面上 脉动循环变化的接触应力超过齿面的接触疲劳极限时，齿面将会出现疲劳裂纹。 随着裂纹的扩展，最终使齿面出现小块金属剥落，在齿面上形成小坑，称为点 蚀。当点蚀进一步扩大，连成一片时，就会形成齿面上大块的金属剥落。这就 是所谓的接触疲劳剥落。它一般总是发生在轮齿根部靠近节圆处，严重剥落时 就会影响齿轮的正常工作，甚至造成轮齿折断。 3 ) 齿面磨损 变速器齿轮副的正常磨损可在齿面上看到非常均匀的光洁表面。总的来说， 齿轮副的齿面磨损最大部位在齿轮的节圆区域。节圆以上的齿面( 包括齿顶) 磨 损较小，齿根及其过渡到节圆区域之间部分的磨损较齿顶部分相对严重些。引 起齿轮副齿面磨损的因素很多，而最主要的磨损形式是疲劳磨损和粘着磨损。 由于齿面节圆区域内基本上是滚动摩擦，所以齿面磨损的主要形式是疲劳 剥落。齿轮副在啮合过程中，齿面所受的接触应力是脉动的，即在接近啮合时， 接触应力逐渐增加到最大值，随着逐渐脱离啮合区，接触应力逐渐减小到零。 每啮合1 次，这种过程就重复1 次。因此，存在一定微观不平度的齿轮表面，加 上啮合时会产生微观塑性变形，故在这种交变载荷的多次重复作用下而产生疲 劳。 齿轮的根部与顶部的相对滑动速度很大，在齿轮处于高速重载和润滑不良、 散热不好等情况下，接触处局部产生高温，齿面在高温高压下产生塑性变形而 3 武汉理工大学硕士学位论文 使接触处粘附在一起。在齿轮摩擦副相对滑动时，较软的齿轮表面被撕脱而造 成粘着磨损。齿轮齿面粘着磨损的危害性并不亚于疲劳磨损。当传递载荷大而 缺乏润滑油或油品变差时，将引起强烈的局部升温和表面粘着，最终导致齿轮 卡滞。 4 ) 齿面胶合和划痕 对于重载和高速的齿轮传动，如果润滑条件不良，两个啮合的齿面在相对 滑动时油膜破裂，在摩擦和表面压力的作用下产生高温，使处于接触区内的金 属出现局部熔焊，并且在齿面上形成垂直于节线的划痕和胶合。引起齿面胶合 或划痕的机理比较复杂，一般来说，当新齿轮未经磨合时，常常会在某一局部 产生齿面擦伤现象。另一方面，润滑油粘度过低，运行温度过高，齿面上单位 面积载荷过大，相对滑动速度过高，以及接触面积过小，也均会使油膜易于破 裂而造成齿面划痕。 上面分析的几种典型的齿轮故障，从齿轮故障诊断的角度出发，凡是使齿 轮廓偏离其理想形状和位置的变化，都属于齿轮故障。 1 2 2 齿轮故障诊断 齿轮传动多以齿轮箱的结构出现，它是目前广泛采用的主要传动形式之一。 虽然齿轮从设计、结构、材料到制造等各方面技术都已相当成熟。但仍然难以 避免齿轮在工作的过程中发生磨损、剥落、点蚀等常发故障。研究表明，齿轮 箱6 0 的故障由齿轮引发的；而9 0 的齿轮故障都是局部故障，例如裂纹、崩 齿等【l 5 1 。在用润滑油是齿轮箱磨损产物的主要载体，通过油液分析技术对润 滑油各项性能指标进行检测，并根据检测结果中磨损微粒的材料、浓度等特征 对齿轮箱的磨损状况进行评判，能够及时发现齿轮箱的异常磨损进而避免其剧 烈磨损的发生。 齿轮箱装置在运行中与其运行状态有关的征兆由温度、噪声、振动、润滑 油中磨损物的含量及形态、齿轮传动轴的扭转振动和转矩、齿根应力分布等构 成。因此相应的故障诊断技术有：振动信号检测与诊断方法、模态分析与参数 识别法、磨屑残余物测定法；声学法、温度监测法、无损探伤法。 目前，基于油液分析的机械故障监测诊断技术，仍然是齿轮故障诊断的主 要手段之一。在机械设备运行的过程中，对其进行适当合理的润滑可以有效地 避免设备的短期失效、减小停机损失、延长使用寿命；而润滑不良往往导致设 备故障、失效甚至报废。因此，有必要利用油液监测来实现齿轮故障的快捷诊 断和预防，以保证设备长期稳定处于最佳运行状态，预防和避免因润滑失效而 导致重大事故。 4 武汉理工大学硕士学位论文 传统的设备诊断立足于已发生故障的设备的诊断，通过分析设备诊断、温 升及润滑油性质来寻找导致设备故障的原因。然而实际上，当设备出现振动、 温升或异常磨损时，必然伴随局部故障；尽管此时尚未引起设备停车，但若操 作者不采取任何措施，将难免引发事故。而此时采取适当措施，将能有效避免 发生更大事故，这正是进行状态监测包括油液分析的意义所在。 1 3 研究现状与发展 1 3 1 齿轮磨损的研究 齿轮传动是机械设备中最常用的传动方式之一。齿轮由于常处于高速度、 重负荷、强冲击的工作环境下，容易产生磨损、裂纹和断齿等多种故障，并进 一步诱发其它机械故障。因此，其运转状况直接影响到整个系统的正常运行。 为了解释磨损现象的共同本质，人们提出了各种各样的理论【l 引，如克拉 盖尔斯基的疲劳磨损理论、美国麻省理工学院建立的剥层理论、磨损的能量理 论等。克拉盖尔斯基的疲劳磨损理论是累积理论，它考虑接触表面粗糙度的影 响，是循环变应力引起的一种破坏形式，该理论适合于疲劳磨损、磨料磨损和 粘着磨损；美国麻省理工学院建立的剥层理论，以金属的错位为基础，分析亚 表层金属的塑性变形与断裂行为，认为金属的磨损过程是表面下裂纹的生成使 表面材料沿平行方向一层一层地剥落的过程；磨损的能量理论，认为磨损是摩 擦的结果，是能量转化和消耗的过程，可用以分析磨料磨损和腐蚀磨损【l9 1 。由 于影响磨损的因素多种多样【2 0 。2 1 j ，包括载荷、速度、温度、润滑剂、环境介质、 表面粗糙度、材料性能等，而且各因素之间又互相影响，因此这些磨损理论在 实际应用中仍存在着不足之处，尚需进一步研究。同样由于影响因素过多，对 磨损的研究很难建立准确的数学模型，目前的研究是以实验为主，获得大量数 据，进行经验性的探索。 近年来，数值仿真技术逐渐地应用于摩擦学系统的研究中，为齿轮的磨损 分析提供了一种新的手段。g l o d e z 等僻j 用有限元法计算分析了基于圆柱体接触 等效模型的应力强度因子同裂纹长度的定量关系；并对齿轮侧面的点蚀磨损进 行了数值模拟研究。l u n d v a l l 掣硎研究了两个弹性体接触时的磨损计算，发现 齿轮的主要磨损形式为轻微磨损，这种轻微磨损可导致齿轮表面形貌和尺寸的 变化，引起齿轮的不均匀啮合甚至断裂失效。f l o d i n 等幽j 针对齿轮轻微磨损预 测建立了数值仿真模型，指出可以将整个仿真过程视作初始值问题，而由于每 一个啮合周期都会产生一定的磨损而使表面尺寸发生变化，故总的磨损是所有 啮合周期所产生的磨损的总和。数值仿真方法作为新的磨损研究手段，已引起 5 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦界的广泛重视，并将发挥越来越重要的作用。 齿轮作为一种常用的机械设备，在运行的过程中，随着工作时间过长或工 作环境恶化等因素而导致磨损失效是在所难免的，因此，对运行中齿轮磨损状 态进行监测及因齿轮磨损导致故障的诊断是必不可少的。 杨小强等人【2 5 根据齿轮箱中润滑油液中磨屑的分布情况及润滑油的污染程 度，开发一种利用电导法监测润滑油中磨屑的方法，及时监测、预报齿轮磨损 状态与润滑油的污染状态，减少齿轮箱故障的发生。何宇漾等人 2 6 】针对齿轮振 动信号在一定的时间尺度和幅值尺度下具有的分行特征，运用分形维数对降噪 后的振动信号进行了分形表征，发现齿轮振动信号的分形维数变化与齿轮的磨 损之间表现出密切相关性。随着齿轮磨损量的增加，盒维数呈现出明显的下降 趋势，利用这一特征，成功地实现齿轮磨损状态的识别。韩致信等人口7 】研究了 齿轮系统振动对齿轮磨损的影响，找出齿轮系统振动与齿轮磨损之间的关系， 并推断出当齿面过早出现磨损、且早期磨损主要集中于齿高中部时，这正是由 于齿轮系统的共振所引起的。李辉等人【2 8 】针对齿轮磨损研究，提出了一种基于 h i l b e r t - - h u a n g 变换的齿轮磨损故障诊断的方法。将h ii b e r t h u a n g 变换应用 于齿轮箱中齿轮磨损故障诊断的研究，通过选取表征齿轮磨损故障的i m f 分量 进行边际谱和能量谱分析，可提取齿轮故障振动信号的特征。 1 3 2 齿轮油的使用 汽车齿轮油用于机械式变速器、驱动桥和转向器的齿轮、轴承等零件的润 滑，起到润滑、冷却、防锈和缓冲的作用。由于汽车齿轮工作条件复杂，接触 压力大( 2 5 g p a 一- - 4 o g p a ) ，圆周速度快( 5 m s l o m s ) ，滑动速度高( 2 m s - - 一 l o m s ) ，油温高( 6 5 1 8 0 ) ，故对齿轮油的要求较高。其中双曲线齿轮传动 的工作条件更苛刻，对汽车齿轮油使用性能要求更高，使用中如果不能正确选 用合适的齿轮油，就不能保证齿轮的正常润滑，容易导致齿轮的早期磨损和擦 伤，甚至会造成大的车辆和人身事故。因此，汽车齿轮油的正确选用非常重要。 从1 9 2 5 年试制成功双曲线齿轮以来，车辆齿轮油取得了非常迅速的发展。 第二次世界大战后，为了制得兼备高速性能和高扭矩性能的多效齿轮油，引入 了含磷极压添加剂，发展了s - p - c l 型多效齿轮油，美军于1 9 5 0 年制订了 m i l l 一2 1 0 5 a 规格，极压添加剂在原来的基础上引入了二烷基二硫代磷酸锌，大 大提高了高速性能和高转矩性能：由于汽车工业不断追求高速度、大马力，到 2 0 世纪6 0 年代初，需要热安定性和氧化安定性更高的润滑油，1 9 6 2 年，以 m i l - l - 2 1 0 5 b 规格为对象配制出了硫一磷型双曲线齿轮油。这种齿轮油经过多年 使用，得到市场好评，在高速抗擦伤性、防锈性、高速高温耐久性等方面均优 6 武汉理工大学硕士学位论文 于s pc lz n 四元素双曲线齿轮油。1 9 7 8 年以来的能源危机促使各国致力于节 能。在齿轮油方面，采用降低粘度及加减摩剂的对策。由于s a ej 3 0 6 粘度分类 的制订，多级齿轮油的表示成为了可能，1 9 7 6 年m i l - l - 2 1 0 5 c 开始生效，使5 0 年 代提出的多级齿轮油概念得以实现，同时硫一磷型齿轮油的低温性能、抗泡沫性 能及防锈性得以提高【2 9 。1 9 8 7 年，由于环保的要求，出现了m i l - l - 2 1 0 5 d 规格的 硫一磷型齿轮油，m i l l - 2 1 0 5 d 规格与m i l - l - 2 1 0 5 c 规格之不同是允许使用再生 油为基础油，并且对所用基础油和添加剂的毒性给予特别关注，明确规定致癌 物质和潜在的致癌物质不得用于配制车辆齿轮油。 我国车辆齿轮油经过一段时间的发展，产品更新换代，质量不断提高。于 6 0 年代生产的型车辆齿轮油，在卡车上使用，油品质量不高，现已停止生产和 使用。7 0 年代开发了馏分型车辆齿轮油，使用硫一磷一氯一锌型添加剂，其产 品质量水平大致相当于a p ig l 3 和g l - 4 的齿轮油，8 0 年代我国石化公司组织 力量，按照国际先进标准，开发了使用硫一磷型添加剂的新一代车辆齿轮油， 其中l c l e 重负荷齿轮油通过了a p i g l 5 规格规定的c r cl 3 3 、l 3 7 、l _ 4 2 和l 6 04 个全尺寸齿轮台架试验和行车试验，其性能完全符合a p ig l 5 齿轮油 的规格标准，达到国际先进水平【3 0 j 【3 l 】。 目前，l c l e ( g l 5 ) 重负荷齿轮油使用硫一磷型添加剂配方l c l d ( g l - 4 ) 中负荷车辆齿轮油，均有中国石化总公司所属企业生产的产品供应市场。可生 产各个粘度等级的油品，即9 0 、1 4 0 、7 5 w 、8 0 w 9 0 、8 5 w 9 0 、8 5 w 1 4 0 等牌 号，完全可以满足各种车辆的使用要求。 1 4 本文的主要工作 论文主要研究内容包括： 1 ) 运用油液分析中的各种检测方法( 原子发射光谱分析、油液p q 指数分 析、动力粘度检测、酸值检测和红外光谱分析) 检测所提取的减速齿轮箱在用 润滑油的各项性能参数，并将检测所得数据结果分为油液润滑性能的性能参数 ( 理化性能指标) 和反应摩擦副所处磨损状态的性能参数两类。 2 ) 运用色谱法分析重负荷齿轮油极压抗磨性能的变化趋势，并将其与油液 理化性能指标和磨损性能参数的变化趋势相互比较，获得油液润滑性能的变化 对摩擦副磨损的影响情况。 3 ) 将原子发射光谱数据和p q 指数数据进行整理，提取出能反应摩擦副磨 损状态的性能参数，运用聚类分析方法对齿轮磨损状态进行聚类分析，直观判 断出油样对应摩擦副所处的磨损状态；运用数学建模方法为齿轮在各种工况下 7 武汉理工大学硕士学位论文 的磨损情况确定磨损状态评判标准，定量分析并判定其所处的具体磨损状态， 及时发现齿轮箱的异常磨损进而及时采用相关措施避免其剧烈磨损的发生。 4 ) 通过对油液分析中油液理化性能参数和有关磨损性能参数之间的关联规 则进行挖掘，得到各性能参数之间的相互影响情况，特别是油液润滑性能参数 的变化对齿轮摩擦副磨损性能参数的影响，有助于通过改善摩擦副润滑性能来 实现延长摩擦副的稳定磨损期，避免摩擦副的剧烈磨损。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验方案与检测结果 机械设备在运行过程中不可避免地要产生摩擦( 能量消耗) 和磨损( 材料 消耗) 。为减少设备运行的摩擦与磨损，最有效的方法之一就是选用恰当的润 滑剂，进行合理润滑。合理润滑是延长设备使用寿命、减少设备故障维修、降 低备品备件更换和延长设备换油周期的有效手段，油液分析技术在润滑油上的 使用则可以为合理润滑提供依据和保障。 油液分析技术是通过对机械设备摩擦副所用润滑油进行检测，来获取设备 摩擦副的润滑油状况和故障先兆信息，为设备维修提供依据t 3 3 1 ，从而预防设备 重大事故的发生，它是设备的“保健医生 。油液分析技术是对设备所需的润滑 油、液压油实施状态监测，通过判断油液的性能变化和所携带的颗粒进行分析， 从而来判断设备的运行状态。具体来讲就是，从油液的理化性能和其中包含的 磨损磨粒的形态，大小，色泽等方面来进行分析，来获得设备的润滑和磨损状 态信息，评价设备工况和预测故障，并确定故障原因、类型的技术。但要注意 的是，油液分析技术适用于低速重载、环境恶劣如噪声大、振源多、外界干扰 明显、往复运动和采用液体或半液体润滑且以磨损为主要形式的设备状态监测。 2 1 检测对象 2 1 1 检测对象工作原理 本课题跟踪监测的对象是3 辆相同型号的汽车后桥传动齿轮，汽车驱动桥 的工作原理：由发动机传过来的扭矩经传动轴传给驱动桥的主减速器总成上的 主动齿轮，主动齿轮再把扭矩传给从动齿轮进行减速、增大扭矩及换向后经差 速器再把扭矩传递给半轴，然后经过轮毂、轮胎最终把经过减速、增扭和换向 后的扭矩传递给地面而达到车辆行使的目的。 机械设备是由诸多构件和运动副组成的复杂系统。各种类型的摩擦副是运 动副的物理实现，这些摩擦副及其相关的润滑( 当采用润滑剂时) 、状态监测和 补偿控制子系统构成摩擦学系统。般，一个构件可与一个或一个以上的构件 形成一对以上的摩擦副。例如，在车辆后桥齿轮箱摩擦学系统中差速器的主动 轮和从动轮( 双曲线齿轮) 构成一对摩擦副，并由重负荷齿轮油润滑。而其他 的齿轮对则构成另外几对摩擦副等等。 2 1 2 重负荷齿轮的润滑类型 9 武汉理工大学硕士学位论文 润滑分为流体动力润滑、弹性流体动压润滑、边界润滑、极压润滑。齿轮 接触的特点是线接触，所以压力高，后三种润滑方式比较重要【3 2 】。 运动着的两个固体表面被连续的润滑油膜完全分离，运动的阻力来自润滑 油的内摩擦，就是说仅与润滑油的黏度有关，这种润滑叫做流体润滑。随着载 荷的增加、两物体的运动速度下降或润滑油黏度减小，摩擦面间的油膜逐渐变 薄。当油膜的厚度与固体表面( 摩擦面) 凸凹不平度大致相等时，产生两摩擦 间微凸体接触，结果摩擦系数变大，磨损加剧，随着操作条件进一步苛刻，油 膜破裂程度增加，直到最后引起擦伤和胶合，这种润滑状态叫边界润滑。边界 润滑又根据载荷和温度不同分为四种不同情况，见表2 - l ： 表2 1 边界润滑的分类 类型润滑条件备注 第一类低温压边界润滑低速滑动轴承、导轨 第二类高温边界润滑过热蒸气机汽缸、内燃机 第三类高压边界润滑球轴承、滚子轴承、正齿轮 第四类高温高压边界润滑双曲线齿轮等高负荷齿轮 高温高压边界润滑又称为极压润滑。重负荷齿轮润滑为极压润滑状态。在 边界润滑和极压润滑条件下，油性剂和极压添加剂起减少摩擦和磨损的作用。 他们能在金属表面生成牢固的吸附膜和化学反应膜，防止了摩擦面间的擦伤和 胶合，保证了重负荷齿轮的正常工作。 2 1 3 齿轮磨损类型 齿轮磨损是指金属在整个齿面上连续不断的损耗，从而在齿面上产生金属 的研磨状。齿轮在啮合过程中，往往在轮齿接触表面上出现材料摩擦损伤的现 象。如果磨损量不影响齿轮在其寿命内应具备的功能的磨损，我们称之为正常 磨损，其特征是齿面光滑，没有宏观擦伤，各项公差在允许范围内。如果由于 齿轮用材不当，或在接触面间存在硬质颗粒，以及润滑油供应不足或不清洁， 往往引起齿轮的早期磨损，有微小的颗粒分离出来，接触表面发生尺寸变化， 重量损失，并使齿形改变，齿厚变薄，甚至出现“刀片 状齿尖：啮合间隙增 大；噪声增大；严重磨损的结果将导致齿轮失效。齿的磨损情况主要有以下几 类： ( 1 ) 粘着磨损：粘着磨损是油膜被破坏而发生齿面金属的直接接触形成的。 产生粘着磨损的原因可能是齿轮在低速、重载、高温、润滑油黏度太低、供油 不足和齿面粗糙等情况下工作而导致的。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 磨粒磨损：由于润滑油中夹杂直径大于3 0 z m 以上的磨粒或者污物、 金属屑末、尘埃和砂粒等进入齿的工作表面，引起磨粒磨损。磨粒磨损多发生 在齿根、齿顶处的滑动接触部位，而在节圆处较少发生。 ( 3 ) 腐蚀磨损：润滑油中含有酸、碱和水等易对金属产生腐蚀的化学物质， 与齿面发生化学反应，由腐蚀导致齿面损伤。 2 2 齿轮油分析方法及检测结果 齿轮油的规格和指标检验主要包括常规指标检验和台架试验检验两个方 面。其中台架试验成本高、费时费力，故主要局限于新油品开发相关的检验， 而不适宜用于旧油的诊断，常用的齿轮油诊断大多立足于常规指标检验和摩擦 学模拟检验。常规检验项目主要包括齿轮油的黏度、闪点、酸碱值、水分、机 械杂质，以及抗泡、抗氧、抗腐蚀、抗乳化性能。摩擦学模拟检验项目主要包 括四球实验机p b 和p d 、梯母肯试验机o k 值、f z g 齿轮试验机载荷级等。另 外，利用红外光谱分析可以检测油品的质量：而通过分析润滑油中磨损颗粒的 数量和大小可以推测磨损的程度，从磨粒形貌可以推测磨损类型，从磨粒组成 可以确定磨损部位。目前，用于磨损颗粒分析的主要方法包括光谱法、铁谱法、 颗粒分析仪及磁塞法【3 3 】等；其中铁谱法取样代表性较差、准确性较低、认为 影响大，而且以事后判断为基础，故己很少用于润滑油诊断。 本课题跟踪监测的对象是3 辆相同型号的汽车后桥传动齿轮，跟踪监测周 期为一年，3 辆车在试验期间，l # 车运行1 0 0 0 0 0 k m ，2 # 车运行1 1 7 0 0 0 k m ，3 # 车运行11 5 0 0 0 k m 。在试验过程中，3 辆车按照一定的规律各取1 0 个油样，并 按照时间顺序对油样进行编号，其中第一个数字代表车号，后面两个数字表示 采样序列。 根据需要，对试验采集油样分别进行了1 0 0 。c 运动粘度，酸值，红外光谱， 原子发射光谱，磨粒浓度p q 指标等检测项目的分析。各检测项目所采用试验方 法见表2 2 ： 表2 2 各检测项目的参考试验方法 检测项目试验方法 1 0 0 运动粘度 g b t 2 6 5 酸值 g b 厂r2 6 4 红外光谱分析 a s t m2 4 12 0 4 原子发射光谱分析 a s t m6 7 2 8 2 0 01 磨粒浓度p q 值分析 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 常规理化性能分析 重负荷齿轮油理化性能分析的主要项目有： 1 ) 粘度 粘度是齿轮传动润滑油的重要质量指标，粘度的大小可用绝对粘度和相对 粘度( 条件粘度) 来表示。齿轮油运动粘度的变化，反映了油品氧化衰变的程 度、热分解程度以及粘度指数改进剂、降凝剂等变化的情况，它能比较综合地 反映油品质量的变化。我国采用的是运动粘度和恩氏粘度。运动粘度是在相同 温度下液体的动力粘度与其密度之比，测定方法的标准为g b f r 2 6 5 。 2 ) 闪点和燃点 润滑油受热后所蒸发出来的油气和空气形成混合气体与火焰接触时发生闪 火现象，此时的油温叫做油品的闪点。如果闪火时间长达5 秒钟，则此时温度 就叫做该油品的燃点。闪点和燃点是储存和运输油品的重要安全指标，它对于 高温运转的齿轮传动以及储存、运输时具有重要意义。其测定方法的标准为 g b t 2 6 7 。 3 ) 酸值 润滑油中所含的酸和酸性化合物对齿轮的腐蚀和油品质量有不利的影响， 因此必须严格控制。酸值的变化反映了基础油氧化衰变和有关添加剂消耗降解 的状况。油品氧化产生有机酸增加酸值；另方面呈酸性含磷抗磨添加剂的消耗 将导致酸值的逐步下降。其测定方法是将氢氧化钾乙醇溶液与试油进行中和滴 定，中和1 9 油品中的酸所需的氢氧化钾的毫克数，即称试油的酸值。其测定方 法的标准为g b 厂r 2 6 4 。 由于油液的理化性能指标比较多，而且各指标对油液性能劣化程度的影响 差别很大。因此，不能只根据某一项指标来判定油液润滑性能的劣化程度，必 须考虑多个指标。在此，主要检测了所采集油样1 0 0 运动粘度、酸值，并运用 红外光谱对其进行分析，最终选取如下理化性能参数作为评价指标。具体参数 及相关数据见表2 3 ： 2 2 2 光谱分析数据及p c ) 指数 将采集的油液进行发射光谱分析，并运用磨粒监测仪测试油液的p q 指标， 选取f e 、c u 、a 1 、p b 等主要反应齿轮摩擦副磨损情况的金属元素浓度、油液外 来固体s i 元素浓度值和油液p q 指标，用来评判油液所对应的齿轮摩擦副所处 的磨损状态，具体数据见表2 - 4 ： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 3 各理化性能指标数据 车油样取样里试验里 粘度 酸 氧化值硝化值硫化值 综合污 口 编号程( k r n )程( k i n )值染指数芎 1 0 l1 2 4 3 0 03 5 0 01 4 0 7 l1 6 6o 0 50 0 50 0 45 4 2 1 0 21 3 4 3 0 01 3 5 0 01 3 8 1 71 7 50 0 50 0 505 2 4 1 0 31 4 0 6 0 01 9 8 0 01 3 7 9 61 8 20 0 50 0 5o 0 25 6 7 1 0 41 4 7 3 0 02 6 5 0 01 3 7 8 l1 8 30 0 40 0 50 0 2 5 7 3 1 0 5 1 5 7 8 0 03 7 0 0 01 3 7 7 31 8 30 0 40 0 4 0 0 35 8 7 1 # 1 0 61 6 6 4 0 0 4 5 6 0 01 3 7 5 81 8 l0 0 50 0 4 o6 0 1 1 0 71 7 2 1 0 0 5 1 3 0 01 3 7 4 41 80 0 5o 0 5 0 0 26 1 6 1 0 81 8 8 1 0 06 7 3 0 01 3 6 5 31 8 50 0 40 0 506 1 1 1 0 92 0 4 1 0 08 3 3 0 01 3 6 8 71 9 50 0 40 0 4o9 5 1 1 1 02 2 0 8 0 01 0 0 0 0 01 3 7 4 42 2 20 0 60 0 50 0 51 1 6 3 2 0 11 2 6 0 0 07 0 0 0 1 3 9 0 81 8 4o 0 50 0 50 0 35 2 7 2 0 21 3