FXD1型動(dòng)力車齒輪箱潛伏性故障的分析及防范對(duì)策

王潔瑩 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海機(jī)務(wù)段

隨著鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全和質(zhì)量穩(wěn)定的需求不斷提升。2018年，作為“復(fù)興號(hào)”品牌戰(zhàn)略的組成部分，國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司和中車集團(tuán)共同研發(fā)的時(shí)速160 kmFXD系列動(dòng)力集中型動(dòng)車組并陸續(xù)投入到使用。作為動(dòng)車組動(dòng)力車運(yùn)行關(guān)鍵核心部件之一的齒輪箱，其性能和狀態(tài)的好壞直接影響到了動(dòng)車組在高速運(yùn)行下的平穩(wěn)與安全。

1 齒輪箱潛伏性故障的發(fā)現(xiàn)

我段自2018年12月開(kāi)始配屬FXD1型動(dòng)力車。動(dòng)力車經(jīng)整車作業(yè)后投入正常運(yùn)行，同時(shí)段化驗(yàn)部門對(duì)齒輪箱油進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)。齒輪箱位于動(dòng)力車的輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置上，是保障牽引電機(jī)大小齒輪嚙合和動(dòng)力傳送的關(guān)鍵部件。FXD1型動(dòng)力車齒輪箱所加注的是Mobil Delvac Synthetic Gear Oil 75W-90齒輪箱油，我們?cè)趯?duì)齒輪箱油的光譜分析項(xiàng)目監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，大部分該型動(dòng)力車投運(yùn)后齒輪箱油在首次化驗(yàn)中所監(jiān)測(cè)到的鐵、銅、硅元素含量偏高，這是齒輪箱內(nèi)部摩擦副在磨合過(guò)程中產(chǎn)生的磨損金屬雜質(zhì)使油質(zhì)污染，經(jīng)換油后再次檢測(cè)大多趨于正常。而某臺(tái)FXD1型動(dòng)力車1軸齒輪箱油經(jīng)多次換油后，在光譜分析中仍發(fā)現(xiàn)其鐵元素含量相對(duì)于其它同型號(hào)動(dòng)力車齒輪箱油偏高且外觀黑灰色。理化檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)該齒輪箱油樣中含有水分。

2 齒輪箱故障的分析

2.1 齒輪箱油光譜分析

油樣光譜分析通常是利用原子發(fā)射光譜儀來(lái)分析油樣中元素含量。原理是通過(guò)高壓電弧對(duì)油樣進(jìn)行激發(fā)，使油樣中各元素釋放不同特征頻率的光子，經(jīng)過(guò)儀器光路系統(tǒng)分離，獲得各元素的發(fā)射光譜，基于光譜線的相對(duì)強(qiáng)度和光電轉(zhuǎn)換來(lái)求得油樣中各類元素的含量。通常適用于齒輪箱、柴油機(jī)等密閉循環(huán)系統(tǒng)中油品中所含各類元素的檢測(cè)。后期通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)與前期數(shù)據(jù)比對(duì)和趨勢(shì)分析，判斷相關(guān)部件是否處于異常磨損或油品污染。對(duì)齒輪箱而言鐵元素含量偏高往往與齒輪嚙合面異常磨損相關(guān)；銅元素來(lái)源則多與軸承銅質(zhì)保持架相關(guān)；觀察硅元素含量可判斷是否有灰塵等雜質(zhì)是否進(jìn)入到油路系統(tǒng)，也可判斷含硅密封件是否異常存在磨耗；磷是添加劑元素，油品老化可導(dǎo)致該元素衰減。所以通過(guò)持續(xù)光譜監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)齒輪箱是否存在潛伏性故障以及油品有無(wú)污染、老化趨勢(shì)。

基于尚無(wú)FXD1型動(dòng)力車齒輪箱油的光譜分析的界限值標(biāo)準(zhǔn)，因此我們對(duì)前期配屬FXD1型動(dòng)力車齒輪箱油光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？紤]新車磨合干擾因素，我們選取完成維護(hù)修程并更換新油后、進(jìn)入正常運(yùn)用階段的FXD1型動(dòng)力車齒輪箱油光譜分析數(shù)據(jù)，梳理發(fā)現(xiàn)鐵元素含量均值為50.8 ppm、最大值為94.8 ppm、最小值為34.9 ppm；銅元素含量均值為6.4 ppm、最大值為14.2 ppm、最小值為4.6 ppm；硅元素含量均值為33.2 ppm、最大值為10.9 ppm、最小值為64.1 ppm（見(jiàn)表1）。按照光譜分析方法可靠性為95%置信水平，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到鐵、銅和硅元素含量經(jīng)驗(yàn)范圍：鐵元素44.7 ppm-56.9 ppm；銅元素5.6 ppm-7.2 ppm；硅元素27.0-39.3 ppm。

表1 2019年1月-2019年6月FXD1型動(dòng)力車齒輪箱油主要元素光譜數(shù)據(jù)

而從該FXD1型動(dòng)力車1軸齒輪箱油理化及光譜分析數(shù)據(jù)中可以看出（見(jiàn)表2），2019年6月20日光譜檢測(cè)顯示該動(dòng)力車1軸齒輪箱油鐵元素含量相對(duì)偏高，且含有2.4%的水分。光譜分析數(shù)據(jù)對(duì)比經(jīng)驗(yàn)含量范圍后發(fā)現(xiàn)，銅元素含量基本正常，而鐵元素則含量遠(yuǎn)超出該范圍。因此可以判斷該齒輪箱內(nèi)存在異常磨損可能且油質(zhì)已污染，決定先換油處理、兩周后再跟蹤取樣分析。

表2 某FXD1型動(dòng)力車1軸齒輪箱油理化及光譜數(shù)據(jù)

2019年7月3日再次取樣分析。經(jīng)檢測(cè)，鐵元素含量雖有所降低但依然相對(duì)偏高，且仍含有0.9%水分，決定再次換油并繼續(xù)跟蹤處理。2019年7月24日跟蹤取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鐵元素含量仍偏高，且依然含有水分。經(jīng)與廠方共同研判分析，決定進(jìn)行對(duì)齒輪箱拆解檢查。

2.2 齒輪箱故障判斷

2019年7月26日，檢修人員在廠方指導(dǎo)配合下，經(jīng)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)放出的齒輪箱油，外觀黑灰色。而后對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)軸承座外表有滲漏油污，大小齒輪嚙合面及軸承座潤(rùn)滑油路中有較多油泥，觸摸有明顯顆粒感，小齒輪箱與軸承座結(jié)合面工藝螺堵銹蝕。通過(guò)拆解檢查，判斷導(dǎo)致該齒輪箱油含水分和鐵元素持續(xù)偏高的原因如下：

（1）新車齒輪箱前期組裝工藝控制不到位。螺堵安裝使用扭矩不合適，導(dǎo)致小齒輪箱組裝過(guò)程中O型橡膠密封圈變形，影響密封效果，造成水分進(jìn)入到齒輪箱體，污染齒輪箱油（見(jiàn)圖1）。

圖1 某臺(tái)FXD1型動(dòng)力車1軸齒輪箱小齒輪箱與軸承座結(jié)合面異常情況

（2）齒輪箱油被水分污染后，造成齒輪嚙合面等摩擦副表面油膜無(wú)法正常建立，降低了齒輪油抗極壓性能，導(dǎo)致磨損加劇。

拆解檢查完畢，更換O型圈和齒輪箱油后繼續(xù)投入運(yùn)用。9月26日該動(dòng)力車按修程計(jì)劃取樣分析，油樣外觀無(wú)異常且水分和光譜分析結(jié)果正常（見(jiàn)表3）。

表3 拆解檢查后某FXD1型動(dòng)力車1軸齒輪箱油理化及光譜數(shù)據(jù)

3 齒輪箱故障防范對(duì)策

（1）加強(qiáng)對(duì)齒輪油的外觀檢查。利用進(jìn)出庫(kù)時(shí)機(jī)，檢查箱體、工藝螺堵、油堵、結(jié)合面等部位是否有滲油痕跡。透過(guò)齒輪箱油位觀察孔，檢查油位是否正常，觀察齒輪油顏色是否正常，是否有乳化現(xiàn)象。遇可疑情況及時(shí)取樣送檢確認(rèn)。

（2）規(guī)范齒輪箱油取樣送檢。嚴(yán)格按照修程計(jì)劃做到定期取樣，確保齒輪箱油周期監(jiān)測(cè)。取樣時(shí)，應(yīng)在停輪20分鐘內(nèi)使用專用取樣器從注油口伸入抽取油樣，不宜在底部放油堵取樣，以免因油樣缺乏代表性而誤判。

（3）加強(qiáng)對(duì)各零部件的檢查。檢查螺栓、油堵等零部件是否有破損、滑絲松動(dòng)、丟失的情況，對(duì)不良零部件及時(shí)對(duì)其進(jìn)行更換、調(diào)整，確保齒輪箱的密封性。

（4）與時(shí)俱進(jìn)修改完善檢修作業(yè)指導(dǎo)書。作業(yè)指導(dǎo)書各項(xiàng)檢查應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)檢修手冊(cè)修訂，但實(shí)踐中也遇到一些特殊情況，譬如：檢修手冊(cè)規(guī)定FXD1型動(dòng)力車注油堵緊固扭矩為79Nm±10%，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)按此規(guī)定操作會(huì)導(dǎo)致鋼絲螺套損壞，后經(jīng)反復(fù)實(shí)踐將扭矩調(diào)整為50 N·m±10%后能避免此情況發(fā)生。遇類似情況，一旦經(jīng)專業(yè)工程師與廠方分析驗(yàn)證、雙方確認(rèn)后，應(yīng)及時(shí)對(duì)作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行修改完善。

（5）將FXD系列動(dòng)力集中動(dòng)車組齒輪箱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，將相關(guān)技術(shù)參數(shù)納入到光鐵譜專家診斷系統(tǒng)，從而對(duì)齒輪箱日常監(jiān)測(cè)到各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行常態(tài)化地全面分析診斷，減少經(jīng)驗(yàn)行事，多用數(shù)據(jù)說(shuō)話，達(dá)到更準(zhǔn)確、及時(shí)預(yù)報(bào)故障和分析診斷故障原因之目的，確保鐵路運(yùn)輸安全。