王子彦  郭四洲

南车株洲电机有限公司；湖南株洲 412001

摘要：牵引电机轴承润滑是影响轴承使用寿命的主要因素之一。光谱、铁谱分析是实现轴承润滑监测的重要手段。二者各有优劣，在检测磨粒尺寸范围上具有互补性。本文主要对牵引电机轴承润滑监测的光谱、铁谱分析方法进行研究，介绍了两种方法原理和特点，并以某机务段HXD1C型机车电机轴承润滑油油样为分析对象，通过例举实际应用成果体现光谱、铁谱分析相结合的分析方法在轴承润滑维护中的良好效果。

关键词：牵引电机  光谱分析  铁谱分析  润滑油

0 引言

电机轴承直接影响电机整体的可靠性水平，轴承润滑性能在很大程度上影响了轴承的寿命，进而影响电机的使用寿命和使用性能。因此，对牵引电机轴承润滑进行监测，是电机正常、安全运行的重要保障手段之一。

光谱、铁谱分析是是轴承润滑监测技术的重要实现手段。光谱分析利用物质在被外能激发后所产生的原子发射光谱来进行分析，主要检测油液中的各种元素含量，具有操作简便，可跟踪性强的特点；铁谱分析通过分析轴承润滑油携带的磨损微粒情况，能够准确可靠地预测机器润滑部件的磨损状态和潜在故障，获得轴承的润滑和磨损状态信息，评价轴承的工况，具有直观性强，可分析磨粒尺寸范围大等优点。二者各有优劣，可在磨粒检测范围上互补。

光谱、铁谱分析技术作为一项预测维修技术起源于二十世纪七十年代中期，最初用于用磁力沉淀润滑油中的铁磁磨损颗粒，被成功应用于监测飞机发动机、齿轮箱和传动系统的状态。而美国的三军油液分析中心（JOAP-TSC）也将铁谱作为陆军油液分析中的重要内容，用于确定油液中金属颗粒形状大小和类型[1] [2]。在国内，20世纪末，陈结旺、叶晓洪等对铁谱和原子发射光谱检测以及与其它检测方法联合分析做了总结和展望[3][4][5]，2000年后，国内多位学者对铁谱分析进行了总结研究[6][7]。国内目前没有成熟度铁谱分析在牵引电机轴承润滑中的应用。现在油液监测技术已经由简单常规分析发展到综合分析，由事后查因发展到事前预报。无论油液检测技术如何发展，光谱、铁谱分析始终是油液检测技术中的重要一环，在各种润滑监测方法中有着重要的作用。

本文介绍了光谱、铁谱分析的原理和特点，总结铁谱分析的基本判断准则，阐述光谱铁谱相结合的分析方法，并以某机务段HXD1C型机车电机轴承润滑油油样为分析对象，通过例举实际应用成果体现光谱、铁谱分析在轴承润滑维护中的良好效果。

1 光谱、铁谱分析的原理和特点

1.1 光谱分析

原子发射光谱检测是利用物质在被外能激发后所产生的原子发射光谱来进行分析，由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对样品进行定性分析；而根据待测元素原子的浓度不同，因此发射强度不同，可实现元素的定量测定。原子发射光谱检测的特点如下：

 检测范围≤20μm尺寸范围的磨粒；

 多元素同时检出能力强；

 分析速度快；

 检出限低；

 样品消耗少；

 对标准参比的组分要求较高；

 只能用于元素分析。

1.2 铁谱分析

铁谱分析的基本方法和原理是把铁质磨粒用磁性方法从油样中分离出来沉积在玻璃基片上，在显微镜下观察分析的技术。这种技术不仅可以提供磨粒的类别和数量信息，还可以提供磨粒的形态、颜色和尺寸等直观特征。借助铁谱分析方法判别磨损故障的部位、严重程度、发展趋势及产生原因等有重要作用。其特点有：

 检测范围涵盖1-250μm尺寸范围的磨粒，该范围最能反应机器的磨损特征，可及时准确的判断零件的磨损变化；

 可直观的研究油样中的磨粒形态、大小和颜色等特征，掌握零件磨损状态，确定磨损类型；

 可以通过磨粒成分的分析和识别，判断异常磨损部位。

 个人经验的依赖性较大，结论的正确与否与分析者的个人经验关系密切。

2 分析条件

本文以某机务段HXD1C型电力机车齿轮箱油为分析对象，运用该段油样化验室的检测设备对油样进行分析，研究牵引电机轴承润滑监测中光谱、铁谱相结合的分析方法。

2.1 分析仪器

光谱检测仪器为美国超普公司制造的SPECTROIL M油料分析光谱仪，铁谱检测仪器为FTP-X2型分析式铁谱仪，如图1、图2所示。

    

2.2 分析对象

本文所检测的对象为某机务段该型号机车牵引电机传动端轴承润滑油，型号为MOBILUBE SHC80W-140。电机传动端轴承采用飞溅润滑，齿轮箱中的润滑油经大、小齿轮的啮合旋转飞溅至轴承外端盖，再进入轴承室润滑轴承，之后通过回油口流回齿轮箱，形成一个循环。润滑油路经过的零件中主要磨损元素和外来污染物元素的分布如表1所示。根据元素分布和显微镜下易于辨别的铁磁性颗粒种类，确定主要关注磨损颗粒为含有铁、铜、硅、铝的颗粒。

表1  HXD1C型电力机车电机传动端轴承润滑油路主要元素分布

序号 零件 所含主要磨损元素

1 齿轮箱 铝

2 大、小齿轮 铁、锌、铬、镍

3 电机轴承盖（D端） 铝、镁

4 电机轴承（含保持架） 铁、铜、锌、铬

5 外来污染物 硅

6 润滑油添加剂 锌、磷

4种颗粒中，大、小齿轮和轴承以铁为主要元素，润滑油中铁颗粒与磨损情况密切相关。轴承为黄铜保持架，铜颗粒与轴承磨损状态相关。牵引电机运行环境风沙大，石英颗粒可以反应出轴承密封性能的好坏，同时间接反应轴承磨损状态。含铝颗粒源于齿轮箱和铝制轴承端盖，不能明确体现轴承磨损状态。综上，在分析轴承磨损情况时以铁、铜、石英颗粒为主要对象，铝颗粒为辅助参考对象。

3 分析方法

3.1 磨损判断依据

轴承磨损可分为三个阶段：磨合期、正常磨损期、异常磨损期，异常磨损期磨粒有其突出特征，可根据以下原则判断轴承是否处于异常磨损状态：

 磨粒特征比较突出和单一。

 只有与发生异常磨损零部件相同成分的磨粒，才会在粒度和浓度上有别于其它磨粒，以有色金属磨粒最为突出。

 异常磨损阶段的磨粒粒度和浓度会越来越大。

 会含有润滑油衰变产物。

通过磨粒粒度、浓度以及磨粒特征，可以辨别轴承的磨损程度和位置等信息。

3.2 综合分析方法

根据光谱分析检测速度快、样品消耗少，铁谱分析检测范围宽、谱片制作耗时、可辨识度高的特点，将光谱分析作为日常检测内容，将铁谱分析作为精确判断检测。当油样光谱检测结果异常时，针对异常油样进行铁谱分析，从而提高检测效率，提高检测准确度，增强油样监测效果。

 

4.1 光谱分析

2012年11月对该机务段HXD1C机车某牵引电机传动端轴承润滑油进行季检光谱分析，发现铬、铜含量超出限值，但数值不大，其余元素含量均未超标。表明光谱检测结果异常，检测结果如下表所示。

表2  油样光谱检测结果

元素 铁（Fe） 铬（Cr） 铜（Cu） 铝（Al） 硅（Si） 锌（Zn）

元素含量门限值（μg/g） 600 2 14 60 100 20

检测值（μg/g） 398 3.9 14.4 20.6 25.5 15.1

 

4.2 铁谱分析

对该电机传动端轴承润滑油进行铁谱分析：入口处沉积链堆积成片，颗粒密集，有50μm大尺寸铁系颗粒，纤维较多，在100-200倍放大倍数下有大尺寸铜颗粒。整个谱片有大量大尺寸石英颗粒和间断分布的纤维，洁净度较差，1-2μm小尺寸铜颗粒较多。

   

图4为谱片入口处的颗粒沉积状况，颗粒堆积成片，已分辨不出沉积链，图中有大尺寸铁颗粒和石英、纤维，以及球体。图5为入口处的一个铁颗粒，500倍放大倍数下长宽为50×20（10μm×4μm），表面粗糙，有回火色斑，属于剥离颗粒。

   图6  铜颗粒群集（100倍）                图7  铜颗粒（200倍）

图6为靠近入口处的上方，100倍放大倍数下有大量铜颗粒群集。图7为靠近入口处的下方位置，在200倍放大倍数下有大块铜颗粒，颗粒表面有磨痕和坑洼，为铜颗粒脱落后受挤压和摩擦导致。

   

图8  大尺寸铝颗粒（200倍）             图9  铝颗粒和石英（200倍）

图8为谱片中的大尺寸铝颗粒，表面层次清晰，棱角分明，应为刚剥离不久的颗粒。图9为谱片出口处的状态，图中小尺寸铝颗粒密集，夹杂有大量石英颗粒以及少量杂质。

    该谱片入口处的磨粒粒度和浓度大，出现了球体（轴承异常磨损期常见磨粒形态），但数量很少。谱片中出现大量不同尺寸的铜颗粒，表明轴承保持架存在异常磨损。同时铁颗粒粒度增大，部分铁颗粒表面有回火色斑，可能由润滑环境不良（石英较多）或二体磨损导致。综上，判断该电机传动端轴承异常磨损。

4.3 拆解验证

铁谱分析判断轴承异常磨损后，对电机进行顶轮检测，发现传动端均方根值超标，修落电机。经返厂拆解，发现轴承内圈、保持架和外圈均有剥离磨损痕迹。

   

图10 轴承内圈和保持架                      图11 轴承外圈

在对选定车辆进行光谱、铁谱分析期间，检测出多台电机传动端轴承有异常磨损现象，经顶轮后发现数值超标，返厂拆解确有发生剥离。表明以光谱分析作为日常检测，铁谱分析作为判定检测的方法可在牵引电机轴承润滑监测中能起到良好作用。

 

5 结论

本文通过结合某机务段的油样对HXD1C机车牵引电机传动端轴承润滑油的光谱、铁谱分析方法进行研究，取得了良好效果，总结如下：

（1）根据检测对象含有的主要成分和光谱、铁谱仪器自身特性合理选择关注元素成分和颗粒；

（2）分析谱片时，除对入口和出口处重点关注外，还应该对谱片的大小磨粒区进行记录，根据谱片的整体情况进行分析；

（3）实际运用中光谱、铁谱分析相结合，可提高监测效果。

参考文献

[1] 王国庆，润滑油油液监测技术现状与发展，润滑油（期刊），2004.

[2] 粟斌，田高友，等，在用油液监测技术发展现状及思考，用油全方位（期刊），2012.

[3] 陈结旺，徐正鸣，等，光谱铁谱并用提高机车故障预报和诊断的准确性，内燃机车（期刊），1994.

[4] 叶晓洪，刘文杰，等，油液检测分析技术在ST-6C柴油铲运机上的应用，矿山机械（期刊），2003.

[5] 刘建辉，杜永平，铁谱分析在设备监测诊断中的应用与发展前景，专题论坛（期刊），2007.

[6] 杨其明，磨粒分析——磨粒图谱与铁谱技术，中国铁道出版社，2001.

[7] 刘仁德，胡申辉，等，铁谱技术在脂润滑滚动轴承的状态监测中的应用，中国机械工程学会摩擦学分会润滑技术专业委员会第八届学术年会（厦门）论文集，2002.

作者简介：王子彦（1987.5-- ），男，汉族，湖南省岳阳市人，现在南车株洲电机有限公司任助理工程师，主要研究方向为轴承试验应用技术研究。