CRH2A型動車組齒輪箱潤滑油發(fā)黑的原因分析與改進(jìn)措施

陳國防

(中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430071)

動車組齒輪箱為牽引驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，主要作用是將電機(jī)扭矩放大，并傳輸給車軸進(jìn)而帶動車輪轉(zhuǎn)動，齒輪箱的質(zhì)量直接關(guān)系到動車組的正常安全運(yùn)營。齒輪和各軸承的潤滑均使用相同的潤滑油，采取大齒輪旋轉(zhuǎn)帶動的飛濺潤滑方式進(jìn)行潤滑，齒輪箱潤滑油的狀態(tài)變化與各種參數(shù)的影響得到了廣泛的關(guān)注與研究，如潘元青等[1]對高速鐵路機(jī)車潤滑油要求進(jìn)行了研究，李光裕等[2]分析了高鐵齒輪箱潤滑失效模式及判定方法。潤滑油發(fā)黑一般為運(yùn)行過程中粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入潤滑油后產(chǎn)生，發(fā)黑的潤滑油中所含有的粉塵，會加重齒輪和軸承的磨損，對動車組的可靠性產(chǎn)生影響。發(fā)現(xiàn)齒輪箱潤滑油發(fā)黑嚴(yán)重的現(xiàn)象，需要及時更換潤滑油，增加了工作量和成本。采取有效的措施，防止或減少潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象的發(fā)生，對保障動車安全運(yùn)營、降低成本、提高效率具有積極的意義。

1 潤滑油發(fā)黑外部表象與運(yùn)行環(huán)境

在CRH2A型動車組運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)有齒輪箱潤滑油發(fā)黑的現(xiàn)象(見圖1)。對發(fā)生潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象的動車組運(yùn)用季節(jié)、天氣及配屬路局進(jìn)行調(diào)查，通過調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象主要發(fā)生在冬季和春季，沙塵較大的天氣，北方路局比南方路局多。

圖1 齒輪箱潤滑油狀態(tài)對比

1.1 原因分析

發(fā)現(xiàn)該問題后，對齒輪箱進(jìn)行分解檢查與分析。根據(jù)前期的經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾個可能的原因：齒輪箱接地碳刷磨耗粉從GM側(cè)密封處進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部；橡膠密封圈磨損進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部；通氣裝置防塵能力下降，導(dǎo)致粉塵進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部；粉塵從GM或GW側(cè)密封圈進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部；潤滑油在運(yùn)行過程中變質(zhì)導(dǎo)致發(fā)黑等。下文從分解檢查、潤滑油及油泥等物成分檢測、設(shè)計結(jié)構(gòu)分析等三個方面分析潤滑油發(fā)黑的原因，并提出改進(jìn)建議。

1.1.1分解檢查

分解潤滑油發(fā)黑的齒輪箱，發(fā)現(xiàn)GW側(cè)密封圈處油泥較多，齒輪、軸承表面狀態(tài)整體良好，齒輪箱內(nèi)未發(fā)現(xiàn)組裝異物等(見圖2)，排除生產(chǎn)過程中進(jìn)入異物而造成潤滑油發(fā)黑的可能，外觀檢查可推斷，沙塵有從GW側(cè)進(jìn)入齒輪箱的可能性。

圖2 齒輪箱GW側(cè)端蓋分解檢查狀態(tài)

1.1.2潤滑油與油泥等物成分分析

為了找尋潤滑油發(fā)黑的原因，明確發(fā)黑潤滑油是否變質(zhì)以及潤滑油中不溶物的成分及來源，進(jìn)行了以下各項(xiàng)分析與對比。

(1)潤滑油、密封圈、油泥粉塵等成分分析

對新品潤滑油、發(fā)黑潤滑油、密封圈、油泥以及粉塵進(jìn)行成分分析與對比，主要統(tǒng)計分析樣品中的鐵、銅、硅、鈣、鎂、硼、磷、鋇等元素，如表1所示。

表1 元素測試結(jié)果 /ppm

通過對上述發(fā)黑潤滑油樣品的成分分析，發(fā)黑潤滑油中的鐵、硅、鈣元素含量明顯增加，硼元素有所降低。同時，在密封圈外部的粉塵中，檢測到大量的銅和鐵元素。

(2)新舊潤滑油能譜分析

對新品潤滑油和發(fā)黑潤滑油進(jìn)行紅外光譜分析，未見有機(jī)污染與明顯變質(zhì)的情況，可排除潤滑油受有機(jī)污染變質(zhì)而發(fā)黑的可能。

(3)不溶物元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定

選取樣品，對提取出來的不溶物以及密封圈橡膠和碳粉進(jìn)行電鏡能譜分析，具體檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣品電鏡能譜分析元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%

在樣品檢測中，發(fā)現(xiàn)有密封圈橡膠的特征元素F，但含量很低，三個樣品的氧、鐵、硅、碳成分較高。因接地碳刷為銅碳粉末合金，銅成分較高，碳粉的檢測可得出其來自接地碳刷的可能性較小。

1.2 成分分析結(jié)論

通過對新品潤滑油、發(fā)黑潤滑油、密封圈外部粉塵、油泥等成分分析和新舊潤滑油的能譜分析，可得出潤滑油未受到有機(jī)污染和變質(zhì)的結(jié)論；發(fā)黑潤滑油中不溶物的Cu成分不高，接地碳刷中銅含量超過50%，如不溶物是來自接地碳刷，銅成分會較高，故判斷潤滑油未受到接地碳刷磨耗物的污染。潤滑油發(fā)黑的不溶物，硅和鈣成分較高，說明潤滑油不溶物有來自外界的粉塵顆粒。不溶物中含有一定量的氟元素，表明少量的橡膠進(jìn)入了潤滑油中，但成分很低，故橡膠顆粒不是造成潤滑油發(fā)黑的主要原因。發(fā)黑嚴(yán)重的潤滑油不溶物中的鐵成分較高，其來源為齒輪箱內(nèi)部異常磨損所產(chǎn)生的磨屑。

2 設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

2.1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

動車組齒輪箱采用鋁合金一體式箱體、大小端圓錐滾子軸承、“迷宮+接觸式”的組合密封結(jié)構(gòu)等，同時配有通氣裝置，潤滑方式采用潤滑油飛濺式潤滑，齒輪箱高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，潤滑油被急速攪拌，箱體內(nèi)部形成油氣混合狀態(tài)，且壓力隨溫度升高而逐漸增大，正常情況下，箱體內(nèi)外壓力通過通氣裝置保持平衡，如圖3所示。

(a)外部結(jié)構(gòu)(b)GW側(cè)密封及雨水沙塵運(yùn)行軌跡圖3 齒輪箱結(jié)構(gòu)

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，齒輪箱GW側(cè)密封(與車軸卸荷槽)存在小凸懸結(jié)構(gòu)，線路雨雪沙塵較大工況下，水或粉塵可能通過該處進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部。

2.2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)論

齒輪箱臨近車輪/制動盤，高速旋轉(zhuǎn)時，制動盤相當(dāng)于一個風(fēng)箱，故此處沙塵較大；雨雪天氣下，制動盤冰雪融水或車輪卷起泥水。綜上，配合車軸的高速旋轉(zhuǎn)，使得水或沙塵順著車軸卸荷槽的圓弧在離心力作用下逐漸聚集在GW側(cè)密封凸懸處(如無凸懸，則順著密封蓋表面流走)，密封蓋與車軸為一靜一動配合，在車軸旋轉(zhuǎn)作用下使得粉塵更易于順著迷宮間隙進(jìn)入密封圈，積聚到一定程度即通過回油孔進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部。粉塵進(jìn)入齒輪箱內(nèi)，有加重齒輪箱磨損的可能，從而產(chǎn)品含鐵成分高的不溶物。因此，粉塵通過密封圈進(jìn)入齒輪箱潤滑油中，是潤滑油發(fā)黑的主要原因。

3 改善措施

3.1 措施的制定

根據(jù)潤滑油發(fā)黑的機(jī)理和結(jié)論，潤滑油發(fā)黑主要為粉塵通過密封圈進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部所造成，因此，對齒輪箱擋油環(huán)及端蓋進(jìn)行優(yōu)化(見圖4)。改善后的結(jié)構(gòu)，既增加了密封性能，又改善了齒輪箱端蓋的外部結(jié)構(gòu)，有效減少了沙塵在此處的聚集。

圖4 齒輪箱擋油環(huán)及端蓋優(yōu)化前后對比

3.2 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，模擬實(shí)際工況，對齒輪箱進(jìn)行臺架淋水噴砂對比試驗(yàn)，先正轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)，各進(jìn)行 5 次循環(huán)。每次試驗(yàn)前以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪箱至油溫達(dá)到 65 ℃～70 ℃后取 50 mL的油樣。每次正反轉(zhuǎn)后各取 50 mL 的油樣。噴砂試驗(yàn)在勻速運(yùn)行的 3 min內(nèi)噴砂，共 5 次，如圖5所示。對試驗(yàn)完成后的潤滑油進(jìn)行對比分析，如圖6所示。結(jié)果顯示：優(yōu)化后齒輪箱擋圈處粉塵聚集效果明顯降低，潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象改善明顯。

圖5 臺架試驗(yàn)

圖6 潤滑油試驗(yàn)前后對比

改善前的動車組齒輪箱噴砂完畢后，油樣明顯發(fā)黑，發(fā)黑油樣中鐵、硅元素顯著增加，沙塵已通過 GW 側(cè)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)入潤滑油中。GW 蓋拆解結(jié)果顯示，軸承座與 GW 蓋內(nèi)集聚了大量沙塵，故此結(jié)構(gòu)防沙性能較差。改進(jìn)后，動車組齒輪箱 GW 側(cè)密封改進(jìn)結(jié)構(gòu)的防沙性能相比原結(jié)構(gòu)有了明顯提高，GW 側(cè)進(jìn)沙量明顯減少，潤滑油無發(fā)黑現(xiàn)象，潤滑油成分檢測結(jié)果正常。

4 結(jié)論

CRH2A型動車組齒輪箱潤滑油發(fā)黑的主要原因?yàn)榉蹓m通過擋油環(huán)處進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部所造成。因此，對擋油環(huán)及端蓋進(jìn)行優(yōu)化，密封效果得到明顯提升。臺架試驗(yàn)中，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)對降低潤滑油發(fā)黑的效果明顯。對已經(jīng)裝車的齒輪箱，在四、五級修時進(jìn)行改進(jìn)后，此類質(zhì)量問題發(fā)生概率明顯下降，說明齒輪箱擋油環(huán)及端蓋優(yōu)化措施可有效降低齒輪箱潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象。