Ｉ ＧＭ通用税耱制造
Ｉ Ｇ ＭａｎＵｆａｃｔｕｌ・ｒ
基于油液分析的齿轮箱进水故障诊断
９２４９３部队８９分队 （辽宁葫芦岛 １ ２５０００） 赵质良马伸翦
【摘要】齿轮箱是机械变速传动的关键部件，齿 轮箱的维护和保养也是保证机械运转的关键环节。齿轮 的故障诊断也有多种方法，运用油液分析技术对齿轮箱 进水故障进行了诊断，并举一个具体实例进行分析。 【关键词】油液分析 齿轮箱进水 故障诊断
一、前言
齿轮箱是许多机械的变速传动部件。齿轮箱的运 行是否正常对整台机器或机组的工作有较大影响。设计 不当，制造不良和维护、操作不善是引起齿轮箱故障的
主要原因。因此，提高齿轮箱运行的可靠性就要提高运 行维护水平，对齿轮箱作运行状态的监测，进行故障
诊断。据统计，齿轮本身的失效占６０％。说明在齿轮箱 中，齿轮本身的制造和装配质量及其维护是保证齿轮正
常运行的关键。齿轮的故障诊断有许多方法，如振动诊
断、噪声分析、油液分析、声发射和温度及能耗检测
等。
二、油液分析技术
油液分析技术是通过分析油液中磨损微粒和其他
污染物质，了解系统内部的磨损状态，判断机械内部故 障的一种方法。利用机械中使用过的污染油样来诊断机
械内部磨损部位和磨损程度的原理是：机械中使用过的 油液中含有各种化学元素，它们来源于由相应材料制成
的零件。机械润滑油中含有的各种元素与相应来源对照
见 表１。
表１机械润滑油中含有的各种元素与相应来源对照表 元素 来源 元素 来源 铅、锡 灰尘和空降污物、轴瓦 铝 活塞、轴瓦 硼砂、钾、钠 冷却液、防幅剂残渣 铜 衬套、推力轴承、冷却水渗入 钙、钠 盐水残渣 锌 黄铜零件、含锌添加剂 锌、钡、钙、镁、磷 发动机机油添加剂 硅 尘埃渗入、硅润滑剂 铁 气缸、轴或轴颈、齿轮、滚动轴承、活塞环 铬 镀铬活塞环、滚动轴承
另外，在油液中是不允许有水分存在的，如果混
进水分，会导致油膜强度降低，产生泡沫或发生乳化；
.
精品 油液监测与诊断技术
油液监测与诊断技术是近十几年迅速发展起来的用于机械设备状态监测的新技术，尤其在发动机、齿轮传动、轴承系统、液压系统等诸方面，该技术取得了显著的效益，获得了广泛的应用，如表所示。
油液监测与诊断技术的应用
应用 监测设备
航空 发动机、液压系统、传动系统、雷达系统
船舶 柴油机、传动系统、起重设备、液压系统
机车 柴油机、传动系统、液压操作系统
汽车 发动机、传动系统、液压系统
石化 柴油机、发电机、压缩机、鼓风机、挤压机
冶金 传动系统、轧钢机、起重设备、传送机构
机床 传动装置、液压系统、加工中心
电力 气轮机、柴油机、蒸汽轮机、传动装置、变压器、液压系统
油液监测与诊断技术通常包括油液理化性能分析技术、铁谱分析技术、光谱分析技术、颗粒计数技术等，实现对油样中所含磨粒的数量、大小、形态、成分等及其变化，油品的劣化变质程度等的分析。油液分析技术涉及的机理、分析内容及使用的仪器见表。
油液分析技术及仪器
油液分析技术 机理 分析内容 仪器
油液理化指标及污染度检测 油液物理、化学性能指标及其它综合指标的变化，反映油品的劣化变质程度。超过一定数值，润滑油成为废油，必须更换。 粘度、酸碱值、闪点、水分、机械杂质、积炭、颗粒数及油液污染综合指标等 振荡式粘度计、滴定仪、闪点计、红外光谱仪、颗粒计数器、污染监测仪等
油液铁谱技术 借助于高梯度、强磁场的铁谱仪将油液中的金属磨粒有序分离出来进行分析，从而监测设备运转状态、磨损趋势、判断磨损机理 磨粒尺寸、磨粒数量、磨粒形貌、磨粒成分 分析式铁谱仪
直读式铁谱仪
旋转式铁谱仪
在线式铁谱仪
油液光谱分 通过测量物质燃烧发出的特定波长、一定强度的光，从而检测磨粒的元素成分及含量浓度，监测设备运转状态、磨损趋势，判断磨损部位 金属磨粒元素成分及含量浓度值
添加剂元素成分浓度
杂质污染元素成分及浓度 直读式发射光谱仪
吸收式光谱仪
一、润滑剂及其质量指标
科技创新与应用Ｉ ２０ｌ４年第４期 工业技术 汽轮机叶片的焊接工艺 贾治 （安徽新源热电有限公司，安徽蚌埠２３３０１０） 摘要：公司＃３汽轮机（Ｎ３０—０．９８型单缸冲动凝汽式汽轮机）是北京重型电机厂制造生产，该机组在运行中突然振动大，轴系振 动无明显变化。２００３年１０月停运，并对＃３机进行专项检修，检查发现，汽轮机末级叶片振荡、变形，普遍拉金孔因振动被啃痕。有 一叶片发生断损，两叶片严重扭曲变形，而且这三处叶片外圈拉筋孔磨损扩大成椭圆状，局部拉筋断裂，其余末级叶片均有不同 程度的水蚀等异常现象，严重威胁机组的安全运行。文章主要介绍对汽轮机末级叶片的焊接工艺。 关键词：叶片焊接；节省时间；保证运行；提高效益 １焊前准备 １．１检查缺陷 ａ第一级隔板上，一静叶片有２０ｘ９ｘ２ｍｍ的楔形沟痕。ｂ耒级一叶片 断裂５０ｑＳ０ｍｍ，两个叶片变形＞３００ｍｍ。ｃ末级叶片的三处外拉筋发生局 部变形，部分拉筋孔有１￣１．５ｍｍ的间隙。ｄ．叶片断裂和严重扭曲部位均 发生在外拉筋的接头处。 １．２缺陷的处理方法： ａ第一级隔板上，一静叶片上发生的楔形沟痕，采用挖补处理的方 法。ｂ采取焊接的方法处理断裂、扭曲的叶片。切断部分包括变形部分， 大约是叶片的１／２位置，工艺难点是对口的错口值８。＞１０％，角变形０≤ ３。。ｃ．末级叶片断的拉筋要更换，向外变形的拉筋可以整形。 ２焊接规范 ２．１材质：２Ｃｒ１３不锈钢的化学成份（％） 末级叶片的材质为２Ｃｒ１３马氏体不锈钢，具有较高的韧性，冷变形 性质，有较好的耐腐蚀胜能和热强性能，特别是其减振性很好。２Ｃｒ１３的 碳含量较高，含ｃｒ量也高达１３％，这种钢的可焊性较差，在空气中冷却 即能生成马氏体组织，所以焊前必须预热，焊后及时热处理。 ２．２焊接材料：铬２０２或铬２０７不锈钢焊条熔敷金属化学成份（％） 采用铬２０２或铬２０７不锈钢焊条，可以得到与母材化学成分相近 的焊缝金属，焊缝和热影响区的机械性能，耐腐蚀性、减振性都与母材 相近，为了尽可能减小残余应力和热影响区，焊接时宜选用小直径焊条 （ ２．０ｒａｍ）和小焊接电流。 ３焊接设备 ｚＸ７．３１５逆变电焊机采用直流正接，焊接电流５０－－５５Ａ。 ４坡口的加工要求 坡口开成Ｖ型，坡口角度６０￣～７０。，钝边为０．５ｒａｍ，根部对口间隙不 小于ｌｍｍ，如图： ６０￣￣７０￣ 考虑新旧叶片的配合问题，要对新叶片多余重量从顶部去除，确认 新配叶片的重量及坡口尺寸完全符合要求，方可对Ｈ施焊，焊接时中间 应放入青壳纸，防止加工与焊接时上下叶片损伤。施焊前需进行试焊， 施焊的样板要和实际焊接尺寸相符，并对试件进行硬度及着色检验，合 格后，方可进行正式施焊。 ５焊接工艺 ａ焊前需把铬２０７焊条经３００％左右烘焙１小时。ｂ．叶片预热由操 作熟练的气焊工担任，用氧乙炔局部均匀预热３００％左右，预热温度要 缓慢上升，预热范围在焊缝二侧３０￣５０ｍｍ左右，预热温度控制用红外 线测温仪测温控制。ｃ．由Ｉ类高压合格焊工担任，焊接时现场无外界干 扰。ａ把末级叶片转在平焊位置进行施焊，焊接时不能在叶片引弧，焊接 引弧应在专用的引弧板上引弧，待电弧稳定后再逐渐引入坡口，焊接时 焊条不做横向摆动，采用多层多道焊，以连弧焊为宜，收弧时要填满弧 坑，以免产生火口裂纹。Ｂ焊接时应注意要熔合良好，避免根部未焊透， 层间未熔合，气孔、夹渣、裂纹、咬边等缺陷。焊缝的加强面应在ｌｍｍ左 右为宜，在焊缝清理过程中发现缺陷应立即修补。若焊缝温度降低在限 制温度以下时，需重新加温至３００℃左右后方可施焊。焊接工作结束后， 将叶片与引弧板的连接焊缝锯开，然后用磨光机和锉刀将叶片修复好。 ￡焊后用石棉被或超细棉保温，让其缓慢冷却到１ｏ０ ，紧接着进行焊后 热处理。 ６焊后热处理 ａ热处理必须是富有经验的气焊工担任加热。焊后热处理温度 ６８０％￣７２０％。加热范围在焊缝两侧３０￣５０ｍｍ，温度上升要缓慢均匀，用 红外线测温仪控制温度，温度达到要求后叵温５分钟左右，用石棉被或 超细棉进行保温缓慢冷却ｏｂ樨后热处理后要对焊缝进行打磨至平滑过 渡，宏观检查不得有咬边、裂纹等缺陷后，进行着色探伤检验。 参考文献 『ｌＩＤｉ／ｒ ８６９－２ＯＬＯ．火力发电厂焊接技术规程『ｓ］． ［２］ＧＢ８７３２－１９８８．汽轮机叶片用钢『 ． 『３１Ｄ ８１９－２００２．火力发电厂焊接热处理技术规程闭． ［４］Ｄｉｌｌ￣７１４－２０００．￣￣Ｌ轮机叶片超声波检验技术导则『ｓ１． ［５］ＤＬ４３８－２００９．火力发电厂金属技术监督规程『Ｓ１． ［６］ＤＩＪｒ ７１５－２０００火力发电厂金属材料选用导则ｆｓ１． ［７￣Ｄｔ／ｒ ７５２－２００１．火力发电厂异种钢焊接技术期程 ． ｆ８］ＯＬｆｆ ８２０－－２００２．管道焊接接头超声波检验技术规程『Ｓ］． ［ｇｌＤＩＲ ７１５－２０００．火力发电厂金属材料选用导则 作者简介：贾治（１９７１，４－），男，工程师，安徽新源热电有限公司检 修公司副总经理，籍贯：安徽省蚌埠市，专业：电厂热能动力工程。 行星头漏油，而且有异响，矿方立即向设备管理中心调剂部申请更换减 速器。但矿里因客观原因未能及时更换，致使事故扩大化，导致减速器 Ｉ轴损坏。 事故原因分析：在油液监测报告显示异常的情况下，因客观原因， 矿方未能及时更换减速器，导致减速器Ｉ轴损坏。 点评：油液分析能够报告和预测的反映齿轮箱内部的异常磨损和 可能出现的故障。严格按照油液分析报告进行换油或采取其他措施能 够有效较低设备故障率，提高生产效率，延长设备寿命。 ６结束语 在煤矿生产中，机械设备的应用可以有效的提高生产效率，促进煤 矿企业的发展。为了保证生产能够安全稳定的进行，对于机械设备的运 行应该加强安全监测。现阶段油液监测体系在煤矿综采设备的运行中 广泛的应用，对设备的运行状况进行监测，可以及时的发现问题，提早 制定出预防对策。在油液监测体系中，应该掌握科学的监 ６方法，利用 先进的设备和技术，对设备的运行状态进行监测。通过油液监测体系的 运用，可以有效的减少设备故障的发生几率，减少维修成本，提高运行 效率，提高设备的安全陛，延长设备的使用寿命。随着科技的不断发展， 一９０一 各项新技术和新设备会逐渐的用到煤矿生产中，为煤矿生产创造更大 的经济效益，所以为了保证机械设备的安全运行，在监测技术方面还要 不断的提升，为设备的安全稳定运行提供有利的基础，从而确保煤矿的 安全生产。 参考文献 ［１］张培林，李兵，徐超，等．齿轮箱故障诊断的油液、振动信息融合方法 ．北京爿儿械工业出版社，２０１１． ［２】杨其明，严新平，贺石中，等．油液监测分析现场实用技术 訇．北京：机械 工业出版社，２００６． ｆ３］尚慧岭，张新城，孟繁华．采掘设备液压润滑系统污染控制研究与实践 叨煤炭科学技术，２００９（１１）：５４－４８． ［４ｌ徐启圣．智能化多规则油液综合故障诊断理论及方法的研究［Ｉ）１．上海： 上海交通大学，２００７． ［５］郭海林．基于平面线圈的油液监测传感器的研究 ．南京：南京航空航 天大学。２０１２． ［ｑ朱飞飞，周华燕，唐燕．浅析油液诊断技术在设备故障诊断中的作用叽． 经济师，２０１０．
北京泰迪迈润滑科技有限公司 机械设备的油液监测技术 摘要：简要介绍了油液监测的基本方法，并用案例说明油液监测所获得的状态参数能很好反映设备的润滑磨损状态，实现设备的预知性维修和主动性维修。 前言 随着机械设备日益向高速、大型、自动化与多功能化方向发展，对设备的可靠性提出了更高的要求。设备运行后，对其进行合理的维修保养至关重要。为满足现代大型机械设备的维修需求，工业界提出了视情维修的概念。为实现设备的视情维修，必须依托设备的状态监测技术。根据国外相关统计数据，机械设备70%以上的故障与磨损有关，而油液分析所获得状态参数能很好地判断设备的润滑磨损状态，因而在国外被广泛采用。 油液监测技术能有效判断机械设备产生磨损故障的原因及部位，从而使设备劣化趋势及时得到矫正，避免恶性事故的发生和发展，实现设备的预知性维修。另一方面，油液监测能及时发现油质劣变原因和污染状态，及时采取对应措施，使设备长期处于良好的润滑状态，减少故障发生概率，延长其使用寿命，实现设备的主动性维护[1]。 1 油液分析三个方面的内容 机械设备的磨损总是不可避免的。磨损过程一般分为三个阶段，即磨合磨损、稳定磨损和剧烈磨损。如果过快或过早出现异常磨损，则应查明原因，及时消除。引发设备出现异常磨损的主要原因[2]如下： （1） 零部件材料加工及装配质量（如不平衡、不对中）； （2） 用油不当（如牌号不对、添加了与在用油不相溶的油液）； （3） 油液劣变导致品质下降，不能满足设备润滑要求； （4） 环境应力（如温度、湿度等）或机械应力过大； （5） 设备维护不当（如空气滤效率下降导致进入粉尘增加）。 油液监测的目的是控制设备的磨损速率，因此应能涵盖引发异常磨损的所有因素，油液监测技术主要包括三方面的内容： ● 磨损颗粒分析（简称WDA） ● 污染监测与控制 ● 润滑油品质监测 磨损颗粒分析目的是了解设备的磨损状态及原因，属于预知性维修范畴，其它两方面监测的目的是为了延长设备的使用寿命，属于主动性维修范畴。 1.1 磨损颗粒分析 磨损颗粒分析是通过分析油样、过滤器、磁塞中固体颗粒的成分、含量及尺寸等信息，探究设备的北京泰迪迈润滑科技有限公司 磨损机理、磨损部位、磨损原因及预测磨损发展趋势。磨损监测的主要手段包括利用光谱元素分析、PQ指数及铁谱分析等。必要时，还可借助扫描电镜进行分析。 光谱元素分析可测量油液中磨损金属、污染元素及添加剂的成分及含量。连续监测可以得出部件摩擦副的磨损趋势及润滑油添加剂的消耗情况。 PQ指数可测量油液中铁磁性颗粒的含量，一般与光谱元素分析配合使用，提高故障探测率。 常用铁谱仪主要有直读铁谱和分析式铁谱。直读铁谱分析可以获得大磨粒读数DL 、小磨粒读数DS 及组合参数磨粒浓度WPC和磨损烈度指数IS，用于判断润滑油中铁磁性颗粒变化趋势。分析式铁谱通过在双色显微镜下观察油中磨粒图像，判断磨损类型和磨损原因。 1.2 污染监测与控制 导致润滑油失效的主要原因是污染。如发动机油污染主要包括：燃油混入、冷却液渗漏、固体颗粒污染等。采用粘度与闪点等方法可检测出燃油混入；冷却液进入润滑油中会影响油品的润滑性能，加速滑油的衰变，造成腐蚀磨损。常用水分测定器可检测油中水分含量。 在所有润滑油污染物中，危害最大的是固体颗粒，研究表明80%以上的磨损故障与固体颗粒污染物有关。因此西方发达国家对固体颗粒污染物的监测与控制非常重视，制定了设备用油的污染度等级控制标准。常用的控制方法是三步污染控制法[3]： ● 综合考虑预期使用寿命、使用环境等因素，制定设备的目标污染度等级； ● 选择过滤元件，合理布置过滤系统，实现预期的油液清洁度目标； ● 通过颗粒计数器定期监测污染度等级，并采取对应措施； 1.3 润滑油品质监测 润滑油品质监测包括油品理化分析及添加剂使用性能变化趋势监测，以确保润滑油能满足设备的使用要求。 润滑油的物理稳定性常用粘度来评估。粘度如果超出规定的范围，则加速装备的磨损、流体渗漏、压力下降、控制精度降低等。影响粘度变化的因素有：温度、压力、污染物、设备老化等。 润滑油化学稳定性通常采用总酸值（TAN）和总碱值(TBN)来评估。如果TAN、TBN变化较大，则应更换或补充新油，避免磨损加剧。影响润滑油化学稳定性的因素有：过热、机械应力和污染等。 润滑油添加剂用于改变滑油性能以满足使用要求。润滑油在使用过程中，添加剂会逐渐劣变，导致磨损加剧。常用傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）来检测在用油的添加剂变化趋势，指导设备正确选油与换油。 三种油液监测技术目标不同，可根据设备类型、工况条件、所采用的维修方式等多种因素进行合理选择和配置。 2 油液分析的实现方式 油液监测的一般流程是：取样、检测和提出维修建议。目前油液监测主要有以下三种实现方式： 北京泰迪迈润滑科技有限公司 （1）实验室分析。依托油液监测实验室精密的测试仪器和专业经验，准确获得设备的润滑磨损状态参数，并给出相应的维修建议。国外企业一般委托专业化的油液分析公司进行。由于油样传递和分析时间较长，因此时效性较差。 （2）现场测试。利用便携式设备在现场对油样进行测试，主要优点是：检测速度快，而且能结合现场工艺参数和故障信息，快速判断设备状态。但由于现场检测手段的限制，深层次的故障原因不易查明。 （3）在线监测。据国外统计，油液监测中95%以上的油样为正常。为减少油样传递和分析费用，人们不断研发在线监测设备，实现重要设备的实时监测，发现异常情况及时报警[4]，如粘度传感器、Metalscan铁磁性颗粒探测器等。 油液监测成功的关键是取样必须有代表性，即油样中磨屑颗粒、油液性质和污染物与设备润滑系统在役油之间存在较好的对应关系，理想状态下油样应该是设备在役油的“复制品”。为获取有代表性油样，取样部位、取样时设备的状态、取样周期应严格遵守取样规范，油样瓶的清洁度也应符合要求，尽量避免外界污染给测试带来误差。 3 案例分析 3.1案例一 齿轮箱换油不当 某公司一自动生产线齿轮箱大修换油后，设备运行出现异常。如果故障不及时排除，每小时停机直接损失为4.8万元人民币。应用户要求，对新油和旧油进行了分析，结果如下： （1）综合新旧油的理化指标（见表1）可看出，新油与旧油属于两种不同牌号的齿轮油。 （2）从新油和旧油的硫元素含量，红外光谱图（见图1、2）中主添加剂成分的吸收峰位置分布（新旧油在1100至850cm-1区域间吸收峰有显著区别）和添加剂元素浓度对比分析来看，两种齿轮油所采用的添加剂种类有显著区别。 （3）四球机烧结负荷值测试结果表明，旧油属于中负荷齿轮油，新油属于重负荷齿轮油。 根据以上分析，可以判断运行故障是由于错误换油引起的，新油粘度明显比原用油偏高。若齿轮运行速度仍保持不变，则必然会导致油温升高，长期运行有可能造成齿轮胶合失效，因此建议重新换用原粘度等级的油品。由于早期发现了事故苗头，并及时采取了有效措施，设备运行状态恢复了正常。 表1 新油和旧油理化指标和添加剂元素含量的比较 理 化 指 标 元素含量（mg/kg） 运动粘度(40℃ mm2/s) 总酸值(mgKOH/g) 硫含量(% m/m) 烧结负荷( N) Zn P 新油 179.1 1.12 2.57 4508 1.3 640.1 旧油 53.95 0.49 0 2353 222.5 248.2 北京泰迪迈润滑科技有限公司 图1新油傅立叶变换红外光谱图 图2旧油傅立叶变换红外光谱图 3.2案例二 发动机进气系统故障 对某发动机进行定期监测，运行610h时发现油样中磨损元素Fe、Al、Cr含量急剧升高，污染元素Si含量明显超标（见图3），铁谱分析（见图4）发现油中有大量切削磨粒和沙粒。由此判断，发动机进气系统出现故障，导致大量灰尘进入发动机燃烧室，引发钢套/活塞环切削磨损。经检查发动机空气滤被击穿，如果继续运行，必然会导致发动机拉缸。经及时维修后，发动机磨损状态恢复正常。 050100150200250300350280440610620铁铬铝硅 图3 磨损元素浓度随发动机工作小时的变化趋势 北京泰迪迈润滑科技有限公司 油中的铁质切削磨粒 油中有大量沙粒污染物及红色氧化物 图4 典型磨粒图像 3.3 案例三 油液污染的控制 某包装生产自动线在一次换油后液压系统伺服阀运行失灵，多次换阀故障仍未消除，一个月内连续损坏了三个伺服阀，每个阀价值8000美金。停机后取样进行污染度测试，发现油液污染度为NAS 13(ISO 21/20/18)，大大超出伺服阀对油液清洁度要求，导致阀工作故障。污染来源于换油时设备清洗不当，建议对油液进行净化。当油液清洁度提高至NAS 6-8级，故障随即消失。在所有工业润滑油中，液压油是对油液清洁度要求最高的，液压系统工作故障90%以上来自液压油的污染。 某水轮发电机组故障频发，设备运行成本大幅增加。对其使用的透平油进行测试，发现油液污染度等级为ISO25/22。采取如下措施提高油液清洁度：（1）将系统过滤器的过滤精度从原来的25µ提高到3µ；（2）加装旁通过滤系统（By-Pass），不断地对油液进行净化，目前取得的效果如表2。 表2 油液污染度与设备使用寿命 ISO污染度等级相对磨损速率 寿命延长系数 原始水平 25/22 1.0 1.0 初期目标 16/13 0.15 6.5 中期目标 14/11 0.11 9.0 终期目标 13/10 0.10 10.0 4 结论 （1）机械设备70%以上的故障与磨损有关，而油液监测所获得的状态参数能很好地判断设备的润滑磨损状态，因而在国外被广泛采用； （2）磨损颗粒分析能有效判断机械设备产生磨损的原因及部位，从而使设备劣化趋势得到矫正，避免恶性事故的发生和发展，实现设备的预知性维修； （3）润滑油品质检测和污染监测与控制能及时发现油质劣变原因和污染状态，及时采取相应措施，使设备长期处于良好的润滑状态，减少故障发生概率，延长其使用寿命，实现设备的主动性维护。 北京泰迪迈润滑科技有限公司 参考文献 1 James C. Fitch. Proactive maintenance can yield more than a 10-fold savings over conventional predictive/preventive maintenance program. Noria corporation 2000. 2 周文新。 履带装备的三维油液分析。2002全国摩擦学大会. 3 James C. Fitch. Three-step implementation of fluid contamination control. 1996 Diagnetics. 4 Robert E. Kauffman. Development and laboratory evaluation of on-board oil condition monitoring sensors for HMMWV diesel engines. JOAP2002.
