國內(nèi)動(dòng)車組齒輪箱潤滑現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃蕓琪，張朝前，糜莉萍，王玉玲，徐立暉

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心, 甘肅 蘭州 730060；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司, 山東 青島 266111)

0 引言

高速鐵路與汽車和民航等運(yùn)輸方式相比，具有輸送能力大、輸送速度快、安全可靠、旅行舒適度高、受氣候變化影響小的優(yōu)勢。同時(shí)，高速鐵路還能節(jié)省石油和土地資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，擺脫交通堵塞，是解決大通道上大量旅客快速輸送問題的最有效途徑，已成為世界各國鐵路的普遍發(fā)展趨勢。高速列車從采用一輛動(dòng)力頭車牽引(動(dòng)力集中)發(fā)展到采用多輛自帶電動(dòng)機(jī)的動(dòng)車牽引(動(dòng)力分散)，動(dòng)車組應(yīng)運(yùn)而生。在動(dòng)車組動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，牽引齒輪箱具有極重要的地位。動(dòng)車組齒輪箱工況復(fù)雜，高速運(yùn)行時(shí)遇到的摩擦和磨損問題與較普通列車相比更為苛刻。因此，動(dòng)車組齒輪箱的潤滑問題顯得至關(guān)重要，高性能的齒輪油是降低齒輪摩擦磨損，保護(hù)齒輪和軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保動(dòng)車組安全運(yùn)行的重要保障[1]。

1 動(dòng)車組齒輪箱潤滑現(xiàn)狀

鐵路機(jī)車運(yùn)行的高速化必然會(huì)帶來更加復(fù)雜、苛刻的摩擦和磨損問題。鐵路機(jī)車運(yùn)行阻力的增加與運(yùn)行速度的平方成正比，而相應(yīng)零部件如齒輪、軸承的磨損程度與運(yùn)行速度已不是簡單的線性關(guān)系，而是平方或立方關(guān)系。實(shí)踐表明，85%以上的鐵路機(jī)車技術(shù)故障來源于工作零部件的過早磨損。因此，必須通過使用高性能的潤滑劑來降低零部件的摩擦和磨損，延長零部件使用壽命，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的安全行駛[2]。

1.1 國內(nèi)運(yùn)營動(dòng)車組概況

中國為了實(shí)現(xiàn)鐵路“跨越式發(fā)展”，對(duì)時(shí)速200 km以上的高速列車引進(jìn)整體技術(shù)，實(shí)行“消化吸收再創(chuàng)新”。目前國內(nèi)動(dòng)車組共有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型等多個(gè)平臺(tái)14種系列(見表1)，標(biāo)準(zhǔn)包含歐系及日系兩個(gè)體系。

表1 國內(nèi)動(dòng)車組車型概況[3]

1.2 動(dòng)車組齒輪箱潤滑方式

齒輪箱是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架核心部件之一，它作為電動(dòng)機(jī)和車軸之間的傳動(dòng)部件位于旅客間下方，潤滑方式采取飛濺潤滑，齒輪油同時(shí)潤滑齒輪和齒輪箱兩端軸承，見圖1。

圖1齒輪箱潤滑油潤滑部位[4]

齒輪箱內(nèi)油量根據(jù)齒輪的線速度來確定，一般按浸入0.7～1.5個(gè)齒高進(jìn)行設(shè)計(jì)。齒輪箱箱體底部設(shè)有油池儲(chǔ)存潤滑油，箱體內(nèi)部設(shè)有集油槽和回油孔，主動(dòng)端軸承座上設(shè)有集油槽和回油孔，從動(dòng)端軸承座上設(shè)有回油孔。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攪動(dòng)潤滑油將其帶到嚙合處，同時(shí)也將油甩到箱壁上借以散熱，飛濺的潤滑油經(jīng)集油槽流入軸承內(nèi)部潤滑軸承[5]。

1.3 動(dòng)車組齒輪箱潤滑油性能要求

齒輪油性能對(duì)于動(dòng)車組牽引齒輪的使用壽命和可靠性具有重要意義，動(dòng)車組運(yùn)行速度快，齒輪箱具有高速、高扭矩、沖擊負(fù)荷大、運(yùn)行環(huán)境溫差大等特點(diǎn)[6]，對(duì)于齒輪油的性能要求如下：

(1)適宜的黏度

黏度是齒輪油最基本的特性，是衡量油品油膜厚度、流動(dòng)性的重要指標(biāo)。工作溫度下的油品黏度更是決定設(shè)備彈性流體動(dòng)壓潤滑可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。就齒輪油來說，如果黏度過大，會(huì)使摩擦面過熱，造成無謂的動(dòng)力消耗，也促使油品氧化變質(zhì)；若黏度過小，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的離心力易將油從齒面甩掉，使油膜變薄且降低油膜強(qiáng)度，可能產(chǎn)生嚴(yán)重疲勞點(diǎn)蝕與破壞性磨損或燒結(jié)。

(2)良好的低溫性能

我國地域遼闊，在冬季，尤其是我國北方地區(qū)，室外溫度較低。動(dòng)車組運(yùn)行地域跨度大，要求油品在低溫下也要具有良好的流動(dòng)性，以防啟動(dòng)時(shí)潤滑不足導(dǎo)致軸承因缺油而損壞。

(3)良好的極壓抗磨性

高速機(jī)車頻繁啟停提速、空重載荷交替變化等復(fù)雜多變的運(yùn)行工況，要求齒輪箱潤滑劑具有優(yōu)良的極壓、抗磨、抗載荷沖擊能力，尤其是在低速高扭矩(上坡)或高速低扭矩(下坡)條件下齒輪嚙合面處于邊界潤滑狀態(tài)，必須依靠齒輪油中極壓添加劑的活性與齒輪表面起摩擦化學(xué)作用，形成固態(tài)無機(jī)極壓膜(如硫化鐵膜等)，從而防止齒面擦傷或膠合。

(4)良好的減摩能力

高速運(yùn)行中的齒輪箱溫升較快，為了使齒輪箱溫度不因摩擦生熱的原因超出正常溫度范圍，要求油品具有良好的減摩能力，從而減小摩擦，控制齒面溫升。同時(shí)，良好的減摩性能也可以大大提升齒輪的傳動(dòng)效率，降低能源消耗。

(5)良好的熱氧化安定性

動(dòng)車組齒輪箱在高速運(yùn)行條件下溫度可能達(dá)到100～150 ℃[5]，高溫會(huì)加速油品氧化降解，使其潤滑性能降低，而且產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會(huì)促使金屬被腐蝕且易起泡沫，使齒輪油的性能大大劣化，直接影響其牽引齒輪的使用壽命。因此，必須選用熱氧化安定性好的基礎(chǔ)油，同時(shí)輔以抗氧性能優(yōu)異的抗氧劑強(qiáng)化其氧化安定性。

(6)良好的抗泡沫能力

動(dòng)車組運(yùn)行速度快，齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成油品的強(qiáng)力攪動(dòng)和飛濺，使齒輪油極易產(chǎn)生泡沫。這些泡沫會(huì)使齒輪油的冷卻效果降低，還會(huì)造成齒面供油不足，而且泡沫還會(huì)破壞油膜的完整性，導(dǎo)致齒面的磨損加劇。因此，要求齒輪油必須具有良好的抗泡沫能力。

(7)與密封材料的適應(yīng)性

為防止齒輪箱油的泄露，齒輪箱中都會(huì)使用各種彈性密封材料制成的密封圈，這就要求齒輪油必須具有良好的密封材料適應(yīng)性，不能使密封材料有明顯的膨脹或收縮以及硬化變質(zhì)。

(8)其他性能要求

齒輪箱油在運(yùn)行過程中溫度較高，因此還須具有較高的閃點(diǎn)、燃點(diǎn)以及較低的蒸發(fā)損失才能保證較長的換油周期。

1.4 動(dòng)車組齒輪箱潤滑油用油標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)動(dòng)車組齒輪箱潤滑油并沒有統(tǒng)一的用油標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)主要?jiǎng)榆嚱M齒輪箱供應(yīng)商對(duì)齒輪油的要求都是在API GL-5重負(fù)荷車輛齒輪油規(guī)格的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，增加了臺(tái)架試驗(yàn)指標(biāo)，以保證潤滑油能夠滿足齒輪箱產(chǎn)品的潤滑需求。國內(nèi)日系動(dòng)車組齒輪箱主要供應(yīng)商有東洋電機(jī)公司等，歐系有采埃孚公司、西門子弗蘭德公司、福伊特公司等。國產(chǎn)動(dòng)車組齒輪箱供應(yīng)商則有中車常州戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所。不同齒輪箱供應(yīng)商對(duì)用油標(biāo)準(zhǔn)有不同的規(guī)定。

日本東洋電機(jī)公司對(duì)油品的基本理化性能沒有具體的要求，性能測試主要是自建的相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)，主要包括低溫急加速試驗(yàn)和高溫特性試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)特定運(yùn)行條件下齒輪箱大、小齒輪軸承的溫度和潤滑油溫度進(jìn)行監(jiān)測，關(guān)注軸承和油品的溫升情況。

西門子弗蘭德公司和福伊特公司對(duì)齒輪油的基本理化性能沒有公開的指標(biāo)要求，但上述兩家齒輪箱制造公司對(duì)于油品都有密封適應(yīng)性、承載能力、FE-8滾動(dòng)軸承試驗(yàn)、點(diǎn)蝕試驗(yàn)等項(xiàng)目的測試數(shù)據(jù)要求[7]。同時(shí)認(rèn)證油品需通過其內(nèi)部的臺(tái)架試驗(yàn)測試，測試的相關(guān)參數(shù)條件并不對(duì)外公開。弗蘭德鐵路車輛齒輪箱油用油規(guī)格見表2。

表2 弗蘭德鐵路車輛齒輪箱油用油規(guī)格

采埃孚公司針對(duì)動(dòng)車組齒輪箱潤滑油制定了ZF TE-ML 16鐵路機(jī)車齒輪箱油規(guī)格，其中ZF TE-ML 16F為全合成齒輪油的規(guī)格， ZF TE-ML 16F中GL-5 75W-90黏度級(jí)別齒輪油的技術(shù)指標(biāo)見表3。在該用油規(guī)格中對(duì)齒輪油的運(yùn)動(dòng)黏度、低溫性能、閃點(diǎn)、抗泡性和銅片腐蝕等常規(guī)性能有所限定之外還采用了歐洲 CEC 方法，德國 DIN 方法以和采埃孚公司試驗(yàn)方法對(duì)齒輪油的剪切安定性、熱氧化安定性、密封適應(yīng)性、承載能力和抗點(diǎn)蝕等性能進(jìn)行了限定，采埃孚公司試驗(yàn)方法相關(guān)參數(shù)條件并不對(duì)外公開。

表3 采埃孚公司ZF TE-ML 16F全合成齒輪油規(guī)格[7]

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所也有相應(yīng)的高速列車齒輪箱綜合試驗(yàn)臺(tái)，可以開展溫升平衡試驗(yàn)、噪聲測定試驗(yàn)、振動(dòng)測定試驗(yàn)、傳動(dòng)效率測定試驗(yàn)、齒輪箱耐久性試驗(yàn)、齒輪箱超載試驗(yàn)。潤滑油的溫升情況和高低溫性能會(huì)被同時(shí)進(jìn)行記錄考察[8]。對(duì)油品的基本理化性能中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所并沒有公開的指標(biāo)要求。

1.5 國內(nèi)動(dòng)車組在用油

目前國內(nèi)動(dòng)車組齒輪箱潤滑油在用油基本為國外油壟斷，部分在運(yùn)營動(dòng)車組齒輪箱潤滑油典型數(shù)據(jù)見表4。

表4 動(dòng)車組齒輪箱在用油典型數(shù)據(jù)

表4(續(xù))

2 發(fā)展趨勢

隨著動(dòng)車組技術(shù)不斷發(fā)展，動(dòng)車組運(yùn)行速度不斷提升。20世紀(jì)90年代初，法國高速鐵路機(jī)車就已創(chuàng)下了515.3 km/h的有軌鐵路實(shí)驗(yàn)室行駛記錄，到2007年4月，更創(chuàng)下了574.8 km/h的實(shí)驗(yàn)室記錄[1]。2014年，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司已經(jīng)將我國高鐵的試驗(yàn)速度提高到了605 km/h。伴隨動(dòng)車組提速，動(dòng)車組齒輪箱工況出現(xiàn)了新的變化。一方面，車速的提高必然要求牽引電機(jī)的功率增大，但在牽引電機(jī)功率增大的前提下，齒輪箱和齒輪的體積又不能隨意增大。因此動(dòng)車組提速勢必導(dǎo)致牽引齒輪齒面負(fù)荷增大；另一方面，齒輪體積不變的前提下，動(dòng)車組提速使齒輪箱內(nèi)齒輪線速度增大，必然導(dǎo)致潤滑油在箱內(nèi)翻攪更加劇烈，因此由齒輪嚙合傳動(dòng)功率損失、齒輪攪油功率損失、齒輪箱內(nèi)各傳動(dòng)表面摩擦生熱等導(dǎo)致的齒輪箱內(nèi)部及箱體溫升會(huì)更加劇烈。根據(jù)以上分析，為應(yīng)對(duì)未來動(dòng)車組提速，動(dòng)車組齒輪箱工況更為苛刻的問題，潤滑油必須對(duì)承載能力、熱氧化安定性和抗點(diǎn)蝕性能進(jìn)行強(qiáng)化。

(1)承載能力。隨著動(dòng)車組牽引齒輪箱載荷的加大，為了防止齒面磨損、擦傷、燒結(jié)，對(duì)油品的承載能力勢必提出更高的要求，但添加劑不能在賦予優(yōu)異承載能力的同時(shí)活性太高，造成金屬表面的過度腐蝕。

(2)熱氧化安定性。劇烈溫升使?jié)櫥偷墓ぷ鳁l件更為惡劣。工作溫度升高，使?jié)櫥宛ざ群退嶂档淖兓俾始涌?，腐蝕性增大，外觀上顏色變深，沉淀增多，更易產(chǎn)生淤渣和結(jié)膜，使?jié)櫥偷氖褂眯阅芟陆?。為保證在長達(dá)一年的換油周期內(nèi)，齒輪箱油能夠保持良好的潤滑效果，保證機(jī)車安全運(yùn)行，油品需要具有更好的熱氧化安定性。

(3)抗點(diǎn)蝕性能。動(dòng)車組齒輪工況更為苛刻使齒面更易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕一旦出現(xiàn)，隨著齒輪的繼續(xù)使用點(diǎn)蝕和剝落區(qū)域會(huì)不斷增大，導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，造成震動(dòng)和噪音增大，影響旅客舒適度。當(dāng)點(diǎn)蝕達(dá)到一定程度時(shí)可能導(dǎo)致斷齒，嚴(yán)重威脅到動(dòng)車組的安全運(yùn)行。為延長齒輪使用壽命，保障動(dòng)車組運(yùn)行的平穩(wěn)和安全，在動(dòng)車組齒輪箱齒面負(fù)荷增大、齒輪線速度增大的前提下，提升齒輪箱潤滑油的抗點(diǎn)蝕性能尤為重要。

3 結(jié)束語

作為中國工業(yè)未來十年的發(fā)展綱領(lǐng)“中國制造2025”十大領(lǐng)域之一，先進(jìn)軌道交通裝備將迎來轉(zhuǎn)型升級(jí)的大突破、大提速。動(dòng)車組作為其中代表性的產(chǎn)業(yè)也將迎來更加迅猛的發(fā)展。針對(duì)動(dòng)車組牽引動(dòng)力的核心部件齒輪箱，研制并開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的配套油品，改變我國動(dòng)車組齒輪箱潤滑油依賴進(jìn)口的局面就顯得勢在必行。我國潤滑油制造商應(yīng)針對(duì)不同型號(hào)、不同潤滑需求的動(dòng)車組開發(fā)相應(yīng)的齒輪油產(chǎn)品，并積極與齒輪箱制造商開展相關(guān)的合作研究，打破國內(nèi)動(dòng)車組齒輪箱潤滑油市場國產(chǎn)產(chǎn)品“零”現(xiàn)狀。