動(dòng)車組潤(rùn)滑油Fe光譜與鐵量數(shù)據(jù)相關(guān)性的研究

屈曉龍

（上海鐵路局上海動(dòng)車段，上海 201812）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路技術(shù)成果和建設(shè)成就在國(guó)際社會(huì)產(chǎn)生了重大影響，高速動(dòng)車組的新實(shí)踐、新發(fā)展極大地豐富和深化了人們對(duì)高速鐵路技術(shù)水平、功能作用、發(fā)展模式、合作交流等方面的認(rèn)識(shí)，而中國(guó)高速鐵路更是走出了一條獨(dú)具魅力的成功之路。據(jù)了解，目前我國(guó)鐵路已投入運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車組達(dá)兩千余組，每天開(kāi)行動(dòng)車組四千余列，研發(fā)、制造技術(shù)位于國(guó)際領(lǐng)先水平。

隨著我國(guó)高速鐵路的蓬勃發(fā)展，動(dòng)車組的運(yùn)行安全問(wèn)題也得到了空前的重視。齒輪箱作為動(dòng)車組傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，尤其是作為一個(gè)易磨損部件，得到了廣泛關(guān)注。一般，齒輪箱的失效方式主要有磨損、腐蝕和斷裂等，其中，磨損失效是造成齒輪箱故障的主要原因之一。潤(rùn)滑油作為齒輪箱內(nèi)的“血液”，起著潤(rùn)滑、密封、清洗、冷卻和防腐等作用。此外，它還承擔(dān)著記錄齒輪箱磨損信息的重要任務(wù)— 潤(rùn)滑油內(nèi)蘊(yùn)含的大量機(jī)械雜質(zhì)可作為監(jiān)測(cè)齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)及判斷齒輪箱故障的重要依據(jù)。目前，對(duì)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油的磨損分析方法主要有原子光譜分析法、鐵譜分析法以及鐵量分析法等。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，原子發(fā)射光譜分析法有效檢測(cè)范圍為亞微米級(jí)到微米級(jí)的小磨粒，而鐵量分析法能夠有效檢測(cè)最高可達(dá)上百微米級(jí)的大磨粒，因而是獨(dú)立的兩種油液分析方法，對(duì)其數(shù)據(jù)相關(guān)性的研究較少。但是，F(xiàn)e元素作為潤(rùn)滑油內(nèi)的主要檢測(cè)元素之一，兩種分析方法均能對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)。以上海動(dòng)車段化驗(yàn)室（下文簡(jiǎn)稱“化驗(yàn)室”）負(fù)責(zé)檢測(cè)的CRH1型動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油為研究對(duì)象，借助SPSS軟件采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法，就Fe元素在“光譜”與“鐵量”檢測(cè)數(shù)據(jù)上的相關(guān)性進(jìn)行研究和探討。

1 分析方法

1.1 旋轉(zhuǎn)盤(pán)電極原子發(fā)射光譜法

本文中所采用的檢測(cè)數(shù)據(jù)基于原子發(fā)射光譜原理，其原理是：在具備一定能量的光源（如電弧）中，物質(zhì)在高溫的作用下解離，不同組分的物質(zhì)解離形成的原子分布在不同的能級(jí)，由于躍遷現(xiàn)象將產(chǎn)生不同的光輻射，即形成原子發(fā)射光譜。理論上該方法可用于檢測(cè)任何狀態(tài)的樣品，且可實(shí)現(xiàn)多組分含量的同時(shí)檢測(cè)，此外還具有靈敏、快速的特點(diǎn)，因此應(yīng)用十分廣泛。

1.2 鐵量分析法

鐵量?jī)x是一種感應(yīng)磁場(chǎng)變化的儀器，可以檢測(cè)出油樣中鐵磁性物質(zhì)的存在并以其濃度表示檢測(cè)結(jié)果。其原理是：鐵量?jī)x有2個(gè)磁通計(jì)線圈，樣品線圈（探測(cè)線圈）和參比線圈。在沒(méi)有樣品掠過(guò)時(shí)，2個(gè)線圈的磁場(chǎng)處于平衡狀態(tài)；當(dāng)把含有鐵磁性物質(zhì)的油樣掠過(guò)探測(cè)線圈時(shí)，線圈內(nèi)的磁通密度發(fā)生與鐵磁性物質(zhì)濃度正相關(guān)的變化，2個(gè)線圈之間的平衡被破壞產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)并被放大、過(guò)濾后顯示為鐵量濃度。鐵量?jī)x采用的是物理檢測(cè)方法，與樣品中鐵磁性物質(zhì)的含量更與其尺寸大小相關(guān)。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

基于兩年來(lái)累積的CRH1型動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油液檢測(cè)數(shù)據(jù)，光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)與鐵量檢測(cè)數(shù)據(jù)的單位均為ppm（10-6）。研究過(guò)程中收集了CRH1型動(dòng)車組的共計(jì)2400個(gè)油樣的“光譜”及“鐵量”的對(duì)應(yīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。其中，由于光譜分析法（化驗(yàn)室所使用的光譜分析儀是美國(guó)斯派超SpectrOiL 120C型光譜分析儀，有效檢測(cè)范圍＜10 μm）與鐵量分析法（有效檢測(cè)范圍至mm級(jí)）對(duì)被測(cè)對(duì)象實(shí)施有效檢測(cè)的尺寸范圍不同，剔除因油樣中含有大磨損顆粒導(dǎo)致光譜分析法失效的109個(gè)樣品，有效研究對(duì)象總數(shù)為2291個(gè)，約占樣本總數(shù)的95.5%。運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的觀察分析，可參考一元線性方程模型，假設(shè)：yi=α+βxi+εi。其中，yi表示某樣品光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)值，xi表示該樣品鐵量檢測(cè)數(shù)據(jù)值。根據(jù)一般線性回歸分析方法，采用以下步驟對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）繪制數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖（圖1）

從圖1可以看出光譜與鐵量數(shù)據(jù)之間存在一定的線性相關(guān)關(guān)系。

（2）簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

由表1可知Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)（0.877）以及相關(guān)檢驗(yàn)t統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的p值（0.000，＜0.05），可以看出表示兩數(shù)據(jù)間具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，其中相關(guān)系數(shù)右上角的“**”表示相關(guān)系數(shù)在0.01的顯著性水平下顯著，則在該分析結(jié)果的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步回歸分析。

（3）線性回歸分析

圖1 散點(diǎn)圖

表1 簡(jiǎn)單相關(guān)性

表2給出了回歸模型的擬合優(yōu)度（R2）、調(diào)整的擬合優(yōu)度（調(diào)整 R2）、估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差。從所得數(shù)據(jù)結(jié)果分析，該模型的判定系數(shù)以及調(diào)整后的判定系數(shù)分別為0.7693和0.7692，表示擬合優(yōu)度較高，即收集的樣品光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)76%以上的變動(dòng)都可以通過(guò)假設(shè)的模型進(jìn)行解釋。

表2 回歸模型的擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)

表3給出了假設(shè)模型的方差分析數(shù)據(jù)，其中Fe統(tǒng)計(jì)量為7631.521，對(duì)應(yīng)的p值為0。則否定該模型非顯著的可能性，即該模型的整體是顯著的。

表3 方差分析表

由表4給出的分析結(jié)果可知，鐵量（即解釋變量x）與常數(shù)項(xiàng)的t統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)p值均遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，此即表示在0.05的顯著性水平下其均可滿足t檢驗(yàn)的相關(guān)要求。此外，由表4還可知所假設(shè)線性模型的常數(shù)項(xiàng)為4.660，斜率（即變量x的回歸系數(shù)）為2.612，此時(shí)，可初步得出所假設(shè)模型方程為，即鐵量數(shù)據(jù)值每增加A，其對(duì)應(yīng)光譜數(shù)據(jù)值將增加2.612A。

上述所得模型初步方程未考慮隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)，所以為進(jìn)一步提高模型的可信度，繪制研究數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化殘差的P-P圖（圖2），由圖2可知，研究數(shù)據(jù)形成的散點(diǎn)呈現(xiàn)在對(duì)角線附近，則可認(rèn)為本研究中數(shù)據(jù)模型的殘差基本服從正態(tài)分布。

表4 回歸系數(shù)估計(jì)及其顯著性檢驗(yàn)

另外，根據(jù)圖1呈現(xiàn)的散點(diǎn)可知，隨著鐵量數(shù)據(jù)值的增加，光譜數(shù)據(jù)值產(chǎn)生的波動(dòng)范圍明顯加大，這表示隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)在本次假設(shè)的分析模型中受異方差影響較大，應(yīng)通過(guò)其他數(shù)學(xué)方法對(duì)模型作進(jìn)一步修正以獲得更加準(zhǔn)確可靠的分析模型。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化殘差的P-P圖

3 總結(jié)

通過(guò)運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析發(fā)現(xiàn)兩種分析法在Fe元素的檢測(cè)數(shù)據(jù)上存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，并給出了初步分析后得到的模型方程。但通過(guò)圖1可以看出，受限于數(shù)據(jù)來(lái)源，本次研究收集的數(shù)據(jù)比較集中，使得這種相關(guān)性具有一定局限性。此外，指出應(yīng)借助其他數(shù)學(xué)方法修正模型以盡可能地減少異方差所產(chǎn)生的影響，而這些都還需要進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)后再進(jìn)行深入研究分析。然而，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，這種相關(guān)性的存在對(duì)于動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油的磨損分析仍具有重要意義。

（1）驗(yàn)證檢測(cè)儀器運(yùn)行狀態(tài)?？梢杂糜诨ハ囹?yàn)證油樣檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而判斷分析儀器運(yùn)行狀態(tài)是否正常，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)齒輪箱故障的分析判斷造成干擾；

（2）彌補(bǔ)技術(shù)上的不足。鐵譜技術(shù)是一項(xiàng)十分重要的油液檢測(cè)技術(shù)，可用于檢測(cè)油液中的大磨損顆粒情況，由于其難度系數(shù)較大，暫時(shí)無(wú)法投入生產(chǎn)。但通過(guò)比對(duì)油樣“光譜”與鐵量數(shù)據(jù)是否與本文所述相關(guān)性存在明顯差異可以在某種程度上間接判斷油液中是否存在大磨損顆粒；

（3）提高經(jīng)濟(jì)效益。鐵量分析法相對(duì)簡(jiǎn)便快捷，光譜分析法操作繁瑣且成本相對(duì)較高，所以對(duì)該相關(guān)性進(jìn)一步深入研究并修正后理論上可以利用鐵量分析法進(jìn)行部分油樣的預(yù)檢測(cè)，減少“光譜”作業(yè)量，降低生產(chǎn)成本。

［1］中國(guó)鐵路總公司.高速動(dòng)車組概論［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.

［2］張銳，黃碧霞，何友昭.原子分析光譜［M］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1991.

［3］丁國(guó)盛，李濤.SPSS統(tǒng)計(jì)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］美國(guó)斯派超SpectrOil 120C型原子光譜分析儀使用說(shuō)明書(shū)［R］.