高速列車齒輪箱潤滑油發(fā)黑問題研究與優(yōu)化

張朝前，于大海，林國帥

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

隨著高鐵線路開通數(shù)量日益增多，線路里程越來越長，各種復(fù)雜嚴(yán)苛的運(yùn)營工況亦隨之而來。轉(zhuǎn)向架齒輪箱作為傳遞高速列車牽引動力的關(guān)鍵單元，通常也是風(fēng)險(xiǎn)最高的部件之一，在運(yùn)用過程中或發(fā)生潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象。通常來說發(fā)黑只是一種表象，根本原因可能是潤滑油變質(zhì)或者齒輪箱內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部件異常磨損或其他原因［1］，問題如不盡早解決將導(dǎo)致齒輪箱使用壽命縮短，甚至引起齒輪接觸疲勞及軸承燒損等嚴(yán)重故障，引發(fā)高鐵運(yùn)用安全事故。自高鐵開通以來，各型動車組基本都發(fā)生過潤滑油發(fā)黑故障，其中某型動車組配屬于多個鐵路局應(yīng)用，但僅部分鐵路局發(fā)生齒輪箱潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象，換油后一段時間再次發(fā)生變色甚至發(fā)黑現(xiàn)象，軸溫報(bào)警系統(tǒng)顯示齒輪箱軸承溫度正常。以此問題為典型，通過深入調(diào)查確定發(fā)黑原因提出解決方案并引發(fā)相關(guān)思考。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)簡介

齒輪箱作為高速列車的核心部件之一，主結(jié)構(gòu)采用鋁合金箱體、圓柱滾子軸承及球軸承、一級斜齒輪傳動，大小端密封結(jié)構(gòu)均采用金屬迷宮+接觸式組合密封，齒輪箱上部設(shè)置帶有呼氣功能的通氣裝置以平衡齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)時內(nèi)外氣壓變化［2］，潤滑油采用GL-5質(zhì)量等級的合成潤滑油，齒輪箱帶有接地裝置（內(nèi)含接地電刷）以導(dǎo)通牽引變壓器工作回流。齒輪箱裝車前經(jīng)過大量的臺架試驗(yàn)考核，如高低溫試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)溫升平衡試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)等，并進(jìn)行了長時間的線路試驗(yàn)，狀態(tài)良好，未發(fā)生潤滑油批量乳化現(xiàn)象，齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

2 原因分析

2.1 潤滑油化驗(yàn)分析

為確保發(fā)黑原因定位準(zhǔn)確，抽取發(fā)黑潤滑油與正常潤滑油以及新品潤滑油送至多家第三方檢測單位進(jìn)行對比化驗(yàn)分析，通過采取PQ指數(shù)、光譜、鐵譜和光學(xué)顯微分析等多種檢測方法，顯示發(fā)黑潤滑油黏度未發(fā)生明顯變化；水含量正常；油中除含有較高的鐵元素外，還包含硅、鈣、鎂、鋇以及少量氟等污染元素，硼、硫元素（潤滑油添加劑中的主要元素）相對較少；油品過濾后的光譜分析結(jié)果表明發(fā)黑潤滑油基本沒有氧化；潤滑油中的不溶物包括鐵磁性顆粒及腐蝕性磨損顆粒，是引起發(fā)黑的主因。通過化驗(yàn)，一是排除了潤滑油自身質(zhì)量問題；二是表明齒輪箱內(nèi)部的軸承或齒輪磨損；三是證明潤滑油存在被外界沙塵污染的可能性。

2.2 全面調(diào)查

為深入分析潤滑油發(fā)黑污染源，從齒輪箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部零部件產(chǎn)品質(zhì)量、線路運(yùn)用環(huán)境、檢修維護(hù)方法等方面逐一分析排查，并對齒輪箱進(jìn)行分解精密調(diào)查。

（1）齒輪箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。齒輪箱內(nèi)部與外界連通的部位共有4處，一是通氣裝置；二是PM側(cè)密封結(jié)構(gòu)；三是GM側(cè)密封結(jié)構(gòu)；四是GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)。此4處均為成熟設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在其余項(xiàng)目齒輪箱上大量應(yīng)用。除了尺寸略有差異，較大的差異點(diǎn)是GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)處與車軸配合部位略有不同，結(jié)構(gòu)詳細(xì)對比如圖2所示。

圖2 齒輪箱GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)

注：PM-小齒輪電機(jī)側(cè)軸承，GM-大齒輪電機(jī)側(cè)軸承，GW-大齒輪車輪側(cè)軸承。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量。軸承采用成熟型號，齒輪材料及制造工藝較既有產(chǎn)品未發(fā)生變化，供貨質(zhì)量一直較為穩(wěn)定。

（3）線路環(huán)境。對該型動車組齒輪箱在全路的運(yùn)用情況統(tǒng)一調(diào)研，潤滑油發(fā)黑現(xiàn)象較多存在于沙塵較大的新開通線路，拆解通氣裝置檢查發(fā)現(xiàn)填充物較臟。調(diào)研期間適逢該型動車組在某局管路內(nèi)遭遇大雪天氣，轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪嚴(yán)重，部分齒輪箱潤滑油乳化，拆解通氣裝置發(fā)現(xiàn)部分存在水跡。

（4）運(yùn)用維護(hù)。鐵路局在停車庫內(nèi)對車輛檢修時，不存在用水直接沖洗齒輪箱的情況，也沒有其他不符合規(guī)范的操作。

（5）精密調(diào)查。選取潤滑油發(fā)黑齒輪箱下車分解，調(diào)查結(jié)果顯示齒輪、軸承表面狀態(tài)未見明顯異常，金屬迷宮密封未發(fā)生異常磨損，齒輪箱內(nèi)亦未發(fā)現(xiàn)組裝異物，通氣裝置填充物有沙塵，GW側(cè)密封處油泥較多，PM側(cè)及GM側(cè)密封處較為干凈。將油泥、接地電刷及其磨耗粉、橡膠密封圈及其內(nèi)部涂抹的潤滑脂、通氣裝置填充物進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果顯示油泥中含有大量硅、鈣、鎂、鋇、硼、硫等元素，填充物中硅、鈣元素含量相對較低，潤滑脂中含有大量鋇元素，橡膠密封圈主要含氟元素，接地電刷主要為銅元素。將化驗(yàn)結(jié)果與發(fā)黑潤滑油檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，表明電刷磨耗的碳粉未進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部（潤滑油中銅含量較低）。

2.3 發(fā)黑原因及機(jī)理分析

通過調(diào)查，基本排除齒輪箱內(nèi)部零部件異常磨損導(dǎo)致發(fā)黑的可能性，確定發(fā)黑主要是由外界污染物沙塵引起，且可排除從PM側(cè)及GM側(cè)密封進(jìn)入齒輪箱的可能，判斷沙塵從通氣裝置進(jìn)入齒輪箱的概率較小，從GW側(cè)密封處進(jìn)入概率較大。鑒于此，同步采取幾項(xiàng)驗(yàn)證措施，一是對齒輪箱通氣裝置包裹后進(jìn)行線路運(yùn)行，如圖3所示；二是選取既有成熟項(xiàng)目和該項(xiàng)目齒輪箱在試驗(yàn)臺進(jìn)行對比試驗(yàn)驗(yàn)證，對輪箱通氣裝置開展冰雪堆積試驗(yàn)、對GW側(cè)密封處開展淋水及噴沙試驗(yàn)（輪對旋轉(zhuǎn)以模擬現(xiàn)車運(yùn)用狀態(tài)如圖4、圖5所示）。線路試驗(yàn)結(jié)果表明通氣裝置包裹后仍存在潤滑油變黑或乳化現(xiàn)象；臺架試驗(yàn)結(jié)果表明通氣裝置積雪狀態(tài)下未發(fā)生潤滑油乳化現(xiàn)象，該項(xiàng)目齒輪箱GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)在淋水試驗(yàn)后發(fā)生潤滑油乳化現(xiàn)象，噴沙試驗(yàn)后發(fā)生潤滑油變色現(xiàn)象。

圖3 通氣裝置包裹線路運(yùn)用

圖4 臺架淋水試驗(yàn)

圖5 臺架噴沙試驗(yàn)

綜上，確定潤滑油發(fā)黑或乳化原因?yàn)椋壕€路沙塵較大或大雪天氣下，沙塵（極細(xì)?。┗蚍e雪融水通過齒輪箱GW側(cè)密封處（密封蓋與車軸卸荷槽形成的小突懸結(jié)構(gòu)）進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部，導(dǎo)致潤滑油變色。

沙塵或積雪融水進(jìn)入齒輪箱機(jī)理分析：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（乳化是由于大雪天氣下，齒輪箱及制動盤冰雪融水），配合車軸的高速旋轉(zhuǎn)，使得沙塵沿著車軸卸荷槽的圓弧在離心力作用下逐漸聚集在齒輪箱GW側(cè)密封突懸處（如無突懸，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)作用下使沙塵更易于順著迷宮間隙進(jìn)入密封圈，致使氟橡膠密封圈輕微磨損，沙塵積聚到一定程度會連同密封唇內(nèi)的潤滑脂通過齒輪箱軸承蓋上的回油孔逐漸進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部，如圖6所示。

圖6 齒輪箱GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)沙塵雨雪運(yùn)動軌跡示意

潤滑油發(fā)黑機(jī)理：極細(xì)小的沙塵混到潤滑油中，加劇了齒輪或者軸承的磨損，生成較多的小尺寸鐵磁性顆粒（15μm以下，有金屬光澤，屬于物理磨損），在齒輪副嚙合的瞬間，這些鐵磁性顆粒和潤滑油中的添加劑在高溫作用下與齒輪表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量腐蝕磨損顆粒（尺寸多在2μm及以下的鐵化合物，無磁性，無金屬光澤），沙塵與此2種磨損顆粒引起潤滑油逐漸發(fā)黑不透明。（注：基于潤滑油的特性，沙塵導(dǎo)致發(fā)黑是個緩慢過程，冰雪導(dǎo)致乳化一般為短時間發(fā)生。）

3 優(yōu)化方案

對齒輪箱GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出3種方案，如圖7所示。

圖7 齒輪箱GW側(cè)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

方案比選：方案1是對擋油環(huán)及密封蓋均優(yōu)化，結(jié)構(gòu)可靠，但既有齒輪箱改造需要更換擋油環(huán)；方案2是增加防水擋圈、優(yōu)化密封蓋，操作便捷，但防水擋圈組裝可靠性待運(yùn)用考核，長期運(yùn)用有松脫風(fēng)險(xiǎn)；方案3是增加防水用摩擦環(huán)、優(yōu)化密封蓋，改動較小，操作便捷，但摩擦環(huán)疲勞可靠性待驗(yàn)證。3個方案均通過臺架淋水試驗(yàn)驗(yàn)證，防水效果良好，其中方案1還完成了噴沙試驗(yàn)，防沙塵效果良好?；诳煽啃钥紤]，優(yōu)選方案1。另外，考慮到個別線路冬季大雪天氣較多，對密封蓋空腔下部增加一個螺紋排水孔并采用螺栓臨時封堵，可根據(jù)運(yùn)用情況決定是否打開排水孔。按照優(yōu)化結(jié)構(gòu)改造后的齒輪箱上線運(yùn)用考核未再發(fā)生潤滑油發(fā)黑或乳化現(xiàn)象，表明改造效果良好，后續(xù)批量動車組均執(zhí)行了此優(yōu)化方案。

此外，根據(jù)不同線路運(yùn)用的大批量齒輪箱潤滑油定期抽檢結(jié)果以及發(fā)黑或乳化潤滑油檢驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化了潤滑油失效評判標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)對鐵含量限度進(jìn)行優(yōu)化，采取預(yù)判、預(yù)警、報(bào)警3個等級，每個等級對應(yīng)的處理措施不同，為動車組齒輪箱更加科學(xué)合理的運(yùn)用提供了指導(dǎo)依據(jù)。

4 結(jié)束語

（1）同一結(jié)構(gòu)齒輪箱，在某些線路應(yīng)用成熟，但更換線路后（包括氣候條件的變化）出現(xiàn)問題是由于齒輪箱密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適用線路運(yùn)用導(dǎo)致，且產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的臺架試驗(yàn)驗(yàn)證不足以完全模擬線路及氣候條件運(yùn)營工況，原因一方面是由于認(rèn)知不足，另一方面是由于線路及氣候條件模擬較為困難。該項(xiàng)目齒輪箱前期在試驗(yàn)臺上也做了淋雨試驗(yàn)，但只是做了靜態(tài)試驗(yàn)，未考慮到輪對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動靜密封匹配問題；防沙塵模擬試驗(yàn)最初認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)。

（2）為提高故障解決效率，避免重復(fù)解決，首先要保證故障原因定位準(zhǔn)確，調(diào)查方法要全面細(xì)致。該項(xiàng)目在原因確定的過程中，首先采取油品化驗(yàn)分析，其次從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)用環(huán)境、檢修維護(hù)及分解檢查多方面調(diào)查，采取線路考核及臺架試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行原因鎖定，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取了對比驗(yàn)證方法。

（3）隨著高鐵運(yùn)行里程增加，前期動車組齒輪箱出現(xiàn)過箱體裂紋、軸承燒損、潤滑油滲漏、包括潤滑油發(fā)黑或乳化等故障，經(jīng)過調(diào)查分析均有效解決。問題更多體現(xiàn)在產(chǎn)品與運(yùn)營工況之間的匹配方面，即車線耦合問題。除了傳統(tǒng)的弓網(wǎng)耦合、輪軌耦合、流固耦合等需要持續(xù)研究外，環(huán)境耦合、機(jī)電耦合等亦需要開展深入研究，從設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)一步提高產(chǎn)品運(yùn)行安全性及可靠性。