齒輪箱潤(rùn)滑油液中的磨粒攜帶了大量的磨損狀態(tài)信息，主要包括磨粒尺寸、磨粒數(shù)量及其生成速率。磨粒尺寸對(duì)應(yīng)磨損類型，磨粒濃度反映當(dāng)前磨損量，磨粒的瞬時(shí)生成率可以用來預(yù)測(cè)接下來一段時(shí)間內(nèi)的磨損情況。磨粒作為評(píng)價(jià)設(shè)備磨損狀態(tài)的重要指標(biāo)，能夠?yàn)樵O(shè)備的狀態(tài)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)提供參考和指導(dǎo)。

　　目前，評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)齒輪箱的用油性能主要還是采用定期取樣、離線送檢的方式，然而這種方式時(shí)效性不強(qiáng)，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備磨損故障的早期預(yù)警。針對(duì)這一現(xiàn)狀，磨粒在線監(jiān)測(cè)傳感器(以下簡(jiǎn)稱磨粒傳感器)應(yīng)運(yùn)而生，它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒輪箱磨粒數(shù)量變化，能夠更好地實(shí)現(xiàn)齒輪箱磨損故障的早期診斷與在線預(yù)警，為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)維提供保障和支撐。

　　針對(duì)磨粒參數(shù)與齒輪箱磨損狀態(tài)的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了多方面的研究。劉學(xué)工等提出了油液中金屬磨粒濃度預(yù)測(cè)法，得到了齒輪箱的可靠性壽命。胡志紅等對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑油中的顆粒污染度以及磨損顆粒失效類型進(jìn)行深入分析，通過分析顆粒的尺寸、成分以及形狀準(zhǔn)確地判別輪齒的失效形式以及失效機(jī)理。Sheng對(duì)750kW 風(fēng)機(jī)進(jìn)行在線油液監(jiān)測(cè)研究，探究了齒輪箱磨粒尺寸分布規(guī)律，得出齒輪箱發(fā)生故障時(shí)的磨粒生成率高于正常階段。但現(xiàn)有的研究更多集中在理論探究階段，在與設(shè)備磨損狀態(tài)和傳感器實(shí)際應(yīng)用結(jié)合方面有所欠缺，在設(shè)備的在線預(yù)警方面有所不足。另外，磨粒傳感器技術(shù)本身存在一定的技術(shù)壁壘，其測(cè)試精度及可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。基于此，本實(shí)驗(yàn)首先驗(yàn)證了磨粒傳感器的精確性，以保證后續(xù)磨損狀態(tài)分析的準(zhǔn)確性;然后通過搭建的小型齒輪箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬齒輪的運(yùn)行工況，完成齒輪箱全壽命加速實(shí)驗(yàn)，其中采用驗(yàn)證后的磨粒傳感器獲取生成的磨粒信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)的磨粒特征參數(shù)對(duì)磨損狀態(tài)做出預(yù)判;最后采用鐵譜分析等手段驗(yàn)證在線監(jiān) 測(cè)趨勢(shì)的準(zhǔn)確性。本研究不僅為齒輪箱磨損實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的理論方法，還對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中齒輪箱故障預(yù)判的方法具有指導(dǎo)意義。

　　1、實(shí)驗(yàn)

　　采用自主研制的齒輪磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　試驗(yàn)機(jī)主要由臺(tái)架基座、調(diào)速電機(jī)、試驗(yàn)齒輪箱、加載聯(lián)軸器、溫度控制和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等六大部分組成。在齒輪箱前加玻璃窗便于觀察齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，采用接觸式測(cè)溫儀來獲取實(shí)驗(yàn)過程中齒輪箱的潤(rùn)滑油溫度。采用粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試齒輪粗糙度，測(cè)得其平均粗糙度 Ra為3.2μm，齒輪表面以及箱體內(nèi)壁采用石油醚進(jìn)行清洗，以去除表面油污等污染物。潤(rùn)滑介質(zhì)選用粘度為320的齒輪油;磨粒傳感器及過濾器(濾芯40μm)依次串聯(lián)在循環(huán)油路上。實(shí)驗(yàn)中通過逐級(jí)施加載荷(30kg—50kg—60kg—70kg—80kg—90 kg)的方式來實(shí)現(xiàn)加速實(shí)驗(yàn)的目的。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。齒輪箱從開始運(yùn)行到出現(xiàn)故障，實(shí)驗(yàn)周期共計(jì)28d。

　　2、結(jié)果與討論

　　磨粒傳感器的精度驗(yàn)證

　　目前，磨粒傳感器主要輸出的實(shí)時(shí)信息是磨粒尺寸與數(shù)量。為保證磨粒傳感器能夠準(zhǔn)確判別出齒輪的磨損狀態(tài)，需要對(duì)其尺寸全面性、數(shù)據(jù)可靠性及反應(yīng)靈敏性進(jìn)行驗(yàn)證。為驗(yàn)證磨粒傳感器能夠?qū)Σ煌叽绲哪チ＜右哉鐒e區(qū)分，故設(shè)計(jì)齒輪箱磨損加速實(shí)驗(yàn)對(duì)齒輪箱工作過程中的磨粒生成情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)得的各尺寸區(qū)間磨粒數(shù)量變化曲線見圖2。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，0～60 μm 尺寸區(qū)間的磨粒數(shù)量和生成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他尺寸區(qū)間，且較大尺寸區(qū)間的磨粒數(shù)量在實(shí)驗(yàn)后期才開始增長(zhǎng)。這是因?yàn)辇X輪箱在磨合階段會(huì)有大量的小尺寸磨粒出現(xiàn)，這種現(xiàn)象的發(fā)生符合一般金屬材料的磨損規(guī)律：逐級(jí)增加載荷，磨合不斷重復(fù)，小尺寸磨粒不斷產(chǎn)生;當(dāng)載荷增加超過臨界點(diǎn)，在較大交變載荷作用下，大尺寸顆粒開始產(chǎn)生。

　　對(duì)磨粒傳感器輸出的磨粒數(shù)目信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。由于缺乏測(cè)量油液中磨粒數(shù)目的直接方法，故采用間接的方式來驗(yàn)證。設(shè)計(jì)齒輪箱加速磨損試驗(yàn)，每小時(shí)采集10mL油樣進(jìn)行離線磨粒濃度檢測(cè)，并將離線測(cè)得的磨粒濃度變化趨勢(shì)與磨粒傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的磨粒數(shù)量變化規(guī)律進(jìn)行比照，探究二者在演化規(guī)律上的一致程度。圖3為磨粒傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與離線測(cè)得的鐵磁性顆粒濃度數(shù)據(jù)，從圖3中可以看出，兩者的變化趨勢(shì)基本一致。故可以得出，磨粒傳感器可靠性良好。

　　設(shè)計(jì)油液磨粒濃度變化響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證傳感器靈敏度。實(shí)驗(yàn)中分批次向油液中加入一定量金屬磨粒來不斷提升其磨粒濃度，以此來考察傳感器對(duì)油液中磨粒濃度變化的響應(yīng)特性。每次人為改變油液磨粒濃度，并待其平穩(wěn)時(shí)對(duì)油液取樣，通過離線測(cè)試方法檢測(cè)油樣中磨粒的含量，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的磨粒總數(shù)目變化規(guī)律與油液中磨粒濃度的變化趨勢(shì)進(jìn)行比照印證，如圖4所示。

　　由在線監(jiān)測(cè)結(jié)果圖4(a)可見，每一次人為改變磨粒濃度后，傳感器都能夠及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)。由于油路中未使用過濾器，因此曲線斜率直接表征磨粒濃度。從圖 4(a)可明顯看出，曲線斜率隨著濃度增加而不斷增大。通過離線檢測(cè)結(jié)果(圖4(b))可以更為準(zhǔn)確地得到油液中磨粒濃度確實(shí)呈遞增趨勢(shì)，與在線監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合。因此，排除實(shí)驗(yàn)條件的極端性，傳感器具備良好的靈敏度。

　　綜上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，磨粒傳感器全面性、可靠性及靈敏性良好，可用于齒輪箱磨損狀態(tài)評(píng)價(jià)。

　　齒輪臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

　　圖5為本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的齒輪箱全壽命周期內(nèi)磨粒數(shù)量及磨粒生成率隨時(shí)間的變化曲線。從圖5可以看出，齒輪箱全壽命曲線可以清晰地劃分為三個(gè)階段，磨合階段、正常磨損階段、異常磨損階段。從圖5中還可以看出，齒輪箱運(yùn)行初期，磨粒生成率較高，分析原因認(rèn)為，磨合階段是齒輪表面進(jìn)一步加工的過程，其表面的粗糙峰和微凸體大量剝落，以便使其與摩擦副良好接觸，減小磨損，因此，磨合階段測(cè)得的磨粒生成率遠(yuǎn)高于正常磨損階段以及異常磨損階段。穩(wěn)定磨損階段，磨粒生成率比較小、磨粒生成量趨于穩(wěn)定，此階段，摩擦副表面磨合良好，齒輪箱運(yùn)行平穩(wěn)，未有大量磨粒生成，故磨粒生成率曲線變化不大。在磨損后期(650h后)，磨粒的累積數(shù)量與生成率均劇烈上升，當(dāng)齒輪箱進(jìn)入磨粒大量增加的嚴(yán)重磨損階段后約48～72h，實(shí)驗(yàn)臺(tái)開始振動(dòng)、噪音急劇增大，齒輪發(fā)生嚴(yán)重破壞并最終停機(jī)，分析原因認(rèn)為，齒輪在長(zhǎng)期的交互應(yīng)力作用下表面發(fā)生嚴(yán)重的疲勞磨損，故導(dǎo)致磨粒數(shù)量及生成率突增。觀察不同階段的齒輪表面磨損情況(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，開始階段齒輪表面光亮且狀態(tài)良好，管路里的潤(rùn)滑油呈現(xiàn)黃色，無顆粒出現(xiàn);隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，齒輪箱運(yùn)行500h后齒輪表面出現(xiàn)輕微磨損，齒輪節(jié)圓附近出現(xiàn)輕微點(diǎn)蝕現(xiàn)象;運(yùn)行650h后，管路里的潤(rùn)滑油顏色呈現(xiàn)深黃色，且能明顯看到黑色顆粒，此時(shí)觀察齒輪齒面，可以看到大面積的材料剝落，已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

　　相關(guān)研究表明，油液中的磨粒生成速率的突然升高以及濃度突變反映了該段時(shí)間內(nèi)的設(shè)備磨損量情況，磨損量的積累是導(dǎo)致齒輪發(fā)生磨損，出現(xiàn)表面剝落甚至裂紋、斷齒的重要原因。因此，磨粒濃度和生成率的突變表征著齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的質(zhì)變。即通過傳感器監(jiān)測(cè)磨粒曲線斜率的變化可以判別出此時(shí)的齒輪箱的磨損狀態(tài)。

　　對(duì)于材料磨損過程而言，不同的表面磨損形式所對(duì)應(yīng)的磨粒平均尺寸往往存在一定的差異性，例如疲勞磨粒通常處于100～200μm 的尺寸區(qū)間，而切削磨損會(huì)產(chǎn)生大尺寸的長(zhǎng)條狀磨粒。對(duì)不同尺寸區(qū)間的磨粒累積數(shù)量、磨粒生成率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析在線監(jiān)測(cè)信號(hào)與磨損物理過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠提前預(yù)知或判斷某些磨損類型的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的齒輪箱磨損故障預(yù)警。

　　圖7為0～60μm 尺寸區(qū)間的磨粒數(shù)量及磨粒生成率隨時(shí)間的變化曲線。從圖7可以看出，該區(qū)間的磨粒總量以及生成速率曲線與圖5曲線趨勢(shì)基本一致，即磨合階段，該尺寸區(qū)間的磨粒濃度快速增大，在磨合階段末期逐漸變小，正常磨損周期內(nèi)保持著非常穩(wěn)定的增長(zhǎng)率，且在齒輪箱發(fā)生嚴(yán)重磨損破壞之前，該尺寸區(qū)間磨粒濃度快速上升。從圖7中還可以看出，逐級(jí)施加載荷時(shí)，該尺寸區(qū)間的磨粒生成率會(huì)出現(xiàn)短暫的波動(dòng)，但由于磨粒總量非常大，小尺寸磨粒的總累積量對(duì)載荷的改變并不十分敏感。因此，在齒輪箱整個(gè)運(yùn)行周期，0～60μm 尺寸區(qū)間的磨粒是持續(xù)產(chǎn)生的，且在磨合及平穩(wěn)磨損階段，該尺寸區(qū)間的磨粒的數(shù)量累積以及生成率對(duì)齒輪箱磨損不具有明顯的破壞作用，不需要重點(diǎn)關(guān)注。

　　圖8為100～200μm 尺寸區(qū)間的磨粒數(shù)量及磨粒生成率隨時(shí)間的變化曲線。從圖8可以看出，磨合階段，該區(qū)間的磨粒數(shù)量遠(yuǎn)低于0～60μm 尺寸區(qū)間的磨粒;平穩(wěn)磨損階段，該區(qū)間磨粒生成率一直相對(duì)穩(wěn)定;進(jìn)入劇烈磨損期時(shí)，該尺寸區(qū)間的磨粒生成率突變且上升幅度較大。分析原因認(rèn)為，齒輪箱經(jīng)過平穩(wěn)磨損階段，齒輪表面已遭到細(xì)微破壞，逐漸失去了原有的平衡運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展貫通，最終形成大尺寸磨粒剝落。對(duì)于齒輪箱磨損過程，在發(fā)生嚴(yán)重的磨損破壞之前，產(chǎn)生的磨粒以疲勞磨粒為主，當(dāng)出現(xiàn)大量 200 μm 左右的疲勞磨損磨粒時(shí)，通常認(rèn)為材料進(jìn)入嚴(yán)重疲勞磨損狀態(tài)，即在劇烈磨損階段，100～200μm 尺寸區(qū)間磨粒的數(shù)量及生成率突增且波動(dòng)幅度較大時(shí)，意味著齒輪箱已經(jīng)發(fā)生較為嚴(yán)重的疲勞磨損。

　　圖9為200～300μm 尺寸區(qū)間的磨粒在線監(jiān)測(cè)曲線。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，該尺寸區(qū)間的磨粒數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他尺寸區(qū)間，磨粒生成率在相當(dāng)多的時(shí)間內(nèi)都是零，且該尺寸區(qū)間磨粒的生成率幾乎都是階躍式的。對(duì)照實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，該區(qū)間磨粒曲線的階躍現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)過程中的載荷施加有著良好的對(duì)應(yīng)性，每一級(jí)階躍過程均對(duì)應(yīng)了一組工作載荷的施加，可以認(rèn)為該尺寸區(qū)間的磨粒對(duì)載荷的改變十分敏感。

　　綜上，0～60μm 尺寸區(qū)間磨粒的曲線變化趨勢(shì)與磨粒總量的變化趨勢(shì)一致，且數(shù)量級(jí)相同，即磨粒傳感器所記錄的顆粒總量較大程度是小尺寸顆粒總量貢獻(xiàn)的結(jié)果，但對(duì)于判斷齒輪磨損狀態(tài)準(zhǔn)確性不足。而由100～200μm 的顆粒曲線的變化趨勢(shì)可知，磨合階段100～200μm 的顆粒產(chǎn)生的非常少，隨著齒輪箱的運(yùn)行，正常磨損期階段，100～200μm 的顆粒產(chǎn)生量增加，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，斜率有上揚(yáng)趨勢(shì)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到650h時(shí)，斜率突變，曲線斜率大于75°，此時(shí)齒輪表面易發(fā)生嚴(yán)重的剝落，意味著齒輪箱已經(jīng)發(fā)生失效。200～300μm 的顆粒曲線在650h時(shí)，斜率變化略有升高，變化不大，但該大尺寸區(qū)間的磨粒出現(xiàn)時(shí)意味著齒輪箱已進(jìn)入劇烈磨損狀態(tài)，需要加以警惕并做出預(yù)警。

　　3、離線檢測(cè)的驗(yàn)證

　　圖10為680h內(nèi)采用 Q2000鐵量?jī)x離線測(cè)試的鐵磁顆粒濃度隨時(shí)間的變化曲線，從圖10中可以看出，齒輪箱在運(yùn)行約650h后開始出現(xiàn)磨粒濃度快速增大的現(xiàn)象，由于實(shí)驗(yàn)中對(duì)齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑油進(jìn)行了循環(huán)過濾，離線檢測(cè)獲取的磨粒濃度信息實(shí)質(zhì)上反映了磨粒的實(shí)時(shí)生成速率。即通過加速實(shí)驗(yàn)的磨粒測(cè)試信息可以發(fā)現(xiàn)，在齒輪箱達(dá)到磨損破壞之前，磨粒生成率快速增長(zhǎng)，這一現(xiàn)象有效印證了磨粒生成率是反映齒輪箱磨損狀態(tài)、提出故障預(yù)警的重要影響因素。

　　鐵譜能通過分析油液中的磨損顆粒的形態(tài)特征對(duì)齒輪箱的磨損狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，且能很好地驗(yàn)證油液在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性。本工作對(duì)上述運(yùn)行的680h齒輪箱實(shí)驗(yàn)中抽取的各時(shí)期的油樣進(jìn)行鐵譜分析，做出磨損特征與磨損類型的評(píng)價(jià)，圖11中給出了80h、300h、630h以及650h油樣的鐵譜圖片。

　　通過對(duì)不同時(shí)間的油樣進(jìn)行鐵譜顯微分析發(fā)現(xiàn)，80h油樣中的磨粒主要為少量的小尺寸鐵磁性金屬顆粒(最大尺寸約為15μm)，伴有少量滾動(dòng)疲勞磨損顆粒以及滾/滑齒輪磨損顆粒(最大尺寸約為100μm)，未見明顯異常磨損;300h正常磨損期內(nèi)，磨粒主要為較多的小尺寸鐵磁性金屬顆粒和少量固體污染顆粒，伴有少量疲勞擦傷磨損顆粒(最大尺寸約為200μm)，且有磨損顆粒互相碾磨的跡象;在630h及650 h劇烈磨損期內(nèi)，油液中存在大量的小尺寸鐵磁性金屬顆粒 且伴有較多的疲勞擦傷磨損顆粒和個(gè)別銅合金磨損顆粒，鐵合金部件磨損率較高(最大尺寸約為300μm)，且銅合金部件亦出現(xiàn)異常磨損，意味著除了齒輪齒面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損以外，軸承等設(shè)備組件也發(fā)生了異常磨損現(xiàn)象。從鐵譜分析結(jié)果可知，油液中磨粒尺寸和磨粒濃度信息是磨損程度的直接表現(xiàn)。齒輪箱從磨合階段到劇烈磨損階段的變化過程中，油液中檢測(cè)到的大尺寸磨粒濃度從小到大，這與實(shí)際工況中齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)相吻合，由此可見，磨粒尺寸和磨粒濃度可用于表征齒輪箱的磨損狀態(tài)。

　　因此，油液中磨粒含量的離線油樣測(cè)試、磨粒含量變化規(guī)律以及油液的鐵譜分析結(jié)果，有效地印證了在線監(jiān)測(cè)的磨粒信息變化趨勢(shì)能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)齒輪磨損故障。

　　4、結(jié)論

　　磨合階段，齒輪箱產(chǎn)生的磨粒尺寸主要在0～60μm 之間，且主要表現(xiàn)為疲勞磨損機(jī)制，該尺寸區(qū)間的磨粒生成對(duì)齒輪箱后續(xù)的磨損影響不大，不需要重點(diǎn)關(guān)注;經(jīng)過平穩(wěn)運(yùn)行階段后，60～100μm 尺寸區(qū)間的磨粒數(shù)量迅速增多，即該區(qū)間磨粒生成率增大時(shí)，此時(shí)齒輪表面已發(fā)生輕微的點(diǎn)蝕;當(dāng)監(jiān)測(cè)到100～200μm 大尺寸磨粒生成率迅速增長(zhǎng)時(shí)，說明齒輪箱已進(jìn)入較為嚴(yán)重的疲勞磨損狀態(tài)，需要引起運(yùn)維人員重視，進(jìn)行換油或者其他必要的預(yù)防措施;若大于200μm 的磨粒大量出現(xiàn)且數(shù)量呈現(xiàn)跳躍式增長(zhǎng)時(shí)，表明此時(shí)齒輪箱已發(fā)生嚴(yán)重的損壞，需要做出預(yù)警處理。

　　本工作采用油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)齒輪箱的磨損狀態(tài)進(jìn)行判斷及預(yù)測(cè)，為齒輪部件的磨損狀態(tài)診斷提供了必要的理論基礎(chǔ)，具有很好的參考價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)略.