潤(rùn)滑脂在機(jī)車運(yùn)行中質(zhì)量變化及監(jiān)測(cè)研究

周浩，王文移，王春龍

(青島斯坦德檢測(cè)股份有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

軸箱軸承是軌道列車轉(zhuǎn)向架的重要組成部件之一[1]，其性能質(zhì)量關(guān)系到列車的運(yùn)行安全[2]。潤(rùn)滑脂填充在機(jī)車軸承中，起到降低磨損、延長(zhǎng)軸承壽命[3]、保護(hù)軸承的作用。但高速、長(zhǎng)時(shí)間和負(fù)荷過(guò)重都會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑性能變差，潤(rùn)滑脂中的基礎(chǔ)油被析出，稠度變差，滴點(diǎn)變高，從而無(wú)法起到保護(hù)作用[4]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)更換潤(rùn)滑脂的周期主要依據(jù)《SKF軸承手冊(cè)》，給出的建議是潤(rùn)滑脂的壽命不大于15000 h或60萬(wàn)公里，但實(shí)際運(yùn)行狀況的復(fù)雜多變，每種潤(rùn)滑脂的真實(shí)使用壽命也未可知，換脂周期過(guò)短會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)、不環(huán)保，換脂周期過(guò)長(zhǎng)又會(huì)導(dǎo)致設(shè)備受損[5]。

本文主要研究了新脂、40萬(wàn)公里、60萬(wàn)公里潤(rùn)滑脂的水分、酸價(jià)、油耗、錐入度、滴點(diǎn)、紅外、鐵譜、光譜元素等項(xiàng)目，來(lái)觀察潤(rùn)滑脂的性能變化，給出潤(rùn)滑脂更換的最佳周期[6]。

潤(rùn)滑脂選用美國(guó)紫皇冠Upg2復(fù)合鋁基脂。

1 新脂特性

新脂特性具體見(jiàn)表1～表3及圖1。

表1 新脂物理性能

表1(續(xù))

表3 鐵譜分析

表3(續(xù))

圖1 新脂磨損顆粒

從表1、表2和表3的數(shù)據(jù)可以看出，新脂未混入水氣，也未被其他成分污染。從光譜分析和鐵譜分析的數(shù)據(jù)可以看出，新脂中只含有微小顆粒雜質(zhì)，可能來(lái)源于一些未反應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽類或者制脂過(guò)程中從外界帶入的微量灰塵等，數(shù)值在正常范圍內(nèi)[7]。

表2 新脂光譜元素分析 mg/kg

Al、Zn含量高，主要原因是紫皇冠Upg2屬于復(fù)合鋁基脂，基體中Al含量高。Zn含量高主要是一些抗氧抗腐添加劑屬于鋅鹽。從新脂的游離有機(jī)酸來(lái)看，數(shù)據(jù)偏高，可能是在皂化過(guò)程中添加硬脂酸的原因。綜合分析，新脂基本無(wú)外界污染，可以正常加注到軸承內(nèi)作為研究對(duì)象。

2 潤(rùn)滑脂不同里程數(shù)的性能變化

軸承為滾動(dòng)軸承，材質(zhì)為GCr15，保持架為黃銅[8]。從機(jī)車牽引機(jī)部位取樣，機(jī)車運(yùn)行溫度區(qū)間在70～120 ℃。

40萬(wàn)公里時(shí)取軸承上、端蓋上、端蓋下、軸承座下，共計(jì)4個(gè)點(diǎn)位的潤(rùn)滑脂。60萬(wàn)公里時(shí)取端蓋上、端蓋下，共計(jì)2個(gè)點(diǎn)位的潤(rùn)滑脂。

潤(rùn)滑脂不同里程數(shù)的物理性能見(jiàn)表4。

表4 潤(rùn)滑脂不同里程數(shù)的物理性能

從表4中可以看出，40萬(wàn)公里潤(rùn)滑脂酸價(jià)平均值為10.34%，60萬(wàn)公里滑脂酸價(jià)平均值為13.13%。隨著機(jī)車?yán)锍虜?shù)的增加，酸價(jià)逐漸升高，主要是在高溫使用過(guò)程中，脂中礦物油氧化的原因。軸承座下的酸價(jià)高于其他部位，原因?yàn)檩S承座下潤(rùn)滑脂較其他位置更容易接觸外界氧氣、潮濕空氣等，這些因素會(huì)加速氧化作用。

潤(rùn)滑脂的錐入度和油耗小于新脂，而滴點(diǎn)卻隨著里程數(shù)增加而增加，主要原因是在使用過(guò)程中，軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)潤(rùn)滑脂起到剪切作用，破壞了原有稠化劑形成的骨架結(jié)構(gòu)，使原來(lái)被吸附和固定在結(jié)構(gòu)骨架中的礦物油被釋放出來(lái)。另一方面，軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生70～120 ℃的高溫，也加快了釋放出來(lái)的礦物油慢慢揮發(fā)損失，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂變干、變硬，錐入度值減小。在用油脂在使用過(guò)程中已經(jīng)損失部分礦物油，自然離心出來(lái)的油耗數(shù)值也會(huì)小于新油。含油量變少，會(huì)使得滴點(diǎn)變高。

另外，潤(rùn)滑脂在使用過(guò)程中會(huì)從外界空氣中吸收水分，因?yàn)橛忻芊庋b置，所以多數(shù)是通過(guò)呼吸作用吸收的微量水分(特殊因素除外)，而軸承運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫，會(huì)使該部分微量水分蒸發(fā)，所以40萬(wàn)里程數(shù)是水分含量為無(wú)。但隨著里程數(shù)的增加，潤(rùn)滑脂變干，軸承中無(wú)法完全填滿軸承，密封作用會(huì)變差，所以60萬(wàn)公里時(shí)，潤(rùn)滑脂從無(wú)水到含有0.08%的游離水。

不同里程數(shù)磨損元素含量見(jiàn)圖2。

圖2 不同里程數(shù)磨損元素含量

GCr15軸承鋼的主要成分是C：0.95%～1.05%、Mn：0.25%～0.45%、Si：0.15%～0.35%、S：≤0.025%、P:≤0.025%、Cr:1.40%～1.65%、Mo:≤0.10%、Ni:≤0.30%、Cu:≤0.25%、Ni+Cu≤0.50%[9]。

從圖2中可以看出，Cu、Si、Fe、P、Cr、Mn等元素隨著運(yùn)行里程數(shù)的增加而增加[10]。新脂中Fe、Cr、Mn元素含量很微量，說(shuō)明潤(rùn)滑脂中Fe、Cr、Mn元素主要來(lái)源于GCr15軸承磨損顆粒[11]。而40萬(wàn)公里時(shí)，軸承上的Fe含量高于其他取樣位置的潤(rùn)滑脂，主要原因是各區(qū)域受到的承載力不同，造成的磨損程度不同。60萬(wàn)公里，F(xiàn)e元素含量平均值為1140 mg/kg，是40萬(wàn)公里的5.5倍，新脂的127倍。從潤(rùn)滑脂的物理性能中也可以看出，60萬(wàn)公里時(shí)，錐入度平均值為219 0.1 mm，與新脂298 0.1 mm的絕對(duì)差值為79 0.1 mm，而40萬(wàn)公里時(shí)，錐入度平均值為277 0.1 mm，與新脂的絕對(duì)差值為21 0.1 mm。使用后潤(rùn)滑脂錐入度與使用前潤(rùn)滑脂錐入度的差值變化超出±30 0.1 mm時(shí)，潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑能力、密封能力、附著力會(huì)大幅度降低，所以60萬(wàn)公里時(shí)，F(xiàn)e含量會(huì)迅速增加。

40萬(wàn)公里時(shí)，Cu含量平均值為118 mg/kg，60萬(wàn)公里時(shí)，Cu含量平均值為552 mg/kg，Cu含量增加主要來(lái)源于軸承和黃銅支架磨損。60萬(wàn)公里Si含量明顯增加，原因是潤(rùn)滑脂起不到良好的密封作用，可能混入灰塵和雜質(zhì)所致。

鐵譜分析見(jiàn)表5。磨損顆粒見(jiàn)圖3、圖4。

表5 鐵譜分析

圖3 40萬(wàn)公里磨損顆粒

圖4 60萬(wàn)公里磨損顆粒

40萬(wàn)公里時(shí)，潤(rùn)滑脂酸價(jià)已經(jīng)高于新脂的，說(shuō)明已經(jīng)出現(xiàn)了氧化產(chǎn)物，從鐵譜譜圖中也可以看出，40萬(wàn)公里時(shí)產(chǎn)生了少量的油泥。隨著運(yùn)行里程數(shù)的增加，潤(rùn)滑脂中基礎(chǔ)油在使用過(guò)程中進(jìn)一步形成酸性不溶物，與其他固體等黏合在一起最終形成油泥，沉降在各處，所以60萬(wàn)公里時(shí)鐵譜譜圖中，出現(xiàn)了大量的油泥。

60萬(wàn)公里時(shí)，樣品中的Fe、Cr、Mn元素含量偏高，而Gcr15軸承鋼中鐵含量約占95%左右，長(zhǎng)期運(yùn)行磨合使磨損顆?；烊胫兴隆Ｔ阼F譜分析中也可以看出潤(rùn)滑脂中含有少量的小于10 μm的鋼/鑄鐵碎屑，進(jìn)一步證明了軸承存在磨損情況。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)磨粒屬于黏著擦傷，黏著磨損多發(fā)生在工作溫度高、載荷高的邊界潤(rùn)滑部位，如軸承在啟動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑間斷的瞬間[12]。

60萬(wàn)公里時(shí)，潤(rùn)滑脂中還存在個(gè)別異常的疲勞磨損顆粒和個(gè)別高溫氧化物。主要是潤(rùn)滑不良引起局部產(chǎn)生干摩擦，并伴有高溫使?jié)櫥趸?/p>

40萬(wàn)公里時(shí)，4個(gè)樣品的鐵譜分析中均沒(méi)有大顆粒銅合金磨粒，Cu元素含量比新脂高，屬于正常的軸承和黃銅支架磨損。60萬(wàn)公里時(shí)，潤(rùn)滑脂中發(fā)現(xiàn)了銅合金，主要是來(lái)源于運(yùn)行過(guò)程中與黃銅支架產(chǎn)生的摩擦銅碎屑混入潤(rùn)滑脂中造成。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)潤(rùn)滑脂的水分、酸價(jià)、滴點(diǎn)，隨著運(yùn)行里程數(shù)的增加而增加[13]，油耗和錐入度隨著運(yùn)行里程數(shù)的增加而減小。60萬(wàn)公里時(shí)，潤(rùn)滑脂錐入度與新脂相差79 0.1 mm，超過(guò)±30 0.1 mm，已經(jīng)無(wú)法起到潤(rùn)滑保護(hù)作用[14]。

(2)40萬(wàn)公里時(shí)，潤(rùn)滑脂中的磨損元素含量和磨損顆粒均在正常范圍內(nèi)[15]。60萬(wàn)公里時(shí)，F(xiàn)e是新脂的127倍，Cu是新脂的551倍，Si是新脂的7.9倍，并含有大量的油泥、黏著擦傷、高溫氧化物、銅合金。

綜上所述，潤(rùn)滑脂在機(jī)車中40萬(wàn)公里時(shí)已經(jīng)有跡象表明出現(xiàn)磨損，但各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，然而運(yùn)行60萬(wàn)公里時(shí)，軸承表面磨損嚴(yán)重，需要更換新脂。