動車組齒輪箱乳化油成因及潤滑影響研究

王興宇，戰(zhàn)立超，王澤飛

(1.吉林工程技術師范學院 機械工程學院,吉林 長春 130052；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

我國高速動車組的齒輪箱多數采用非接觸式迷宮密封方式，在雨雪天氣運行時，一些動車組齒輪箱的潤滑油出現(xiàn)了乳化現(xiàn)象，解決此問題的典型措施是將乳化油排空，并對齒輪箱注油清洗，重新加注新的潤滑油.這種方式操作簡便，但乳化現(xiàn)象并未從源頭上徹底解決.此外，乳化油對動車組的行車安全是否造成必然影響，以及乳化油含水率與齒輪、軸承磨損的量化關系的研究，國內卻鮮有文獻介紹.

從外觀上看，乳化油一般呈現(xiàn)乳白色液體狀，這主要是由于水的進入，使得油品中的表面活性劑以小顆粒形式分散開來，從而形成懸浮混合的狀態(tài).從乳化油的潤滑特性來看，乳化后的油品在黏度、酸值、潤滑、冷卻方面的性能都會發(fā)生改變，這使得零件接觸面間的油膜遭到破壞，從而降低潤滑油的保護作用，加劇零件間的磨損和腐蝕，嚴重的甚至導致齒輪箱損壞[1].但從齒輪箱自身角度來看，乳化油是否必然造成零件的過早磨損及失效，還有待驗證.針對乳化油的影響，國內學者在相關領域做了研究，劉宸旭等[2]對油水乳化液的邊界潤滑行為及機理進行了研究，指出含水量為30%時乳化液的抗磨效果接近純油潤滑狀態(tài)，但磨損效果不及純油.李振順等[3]對高水基乳化液作用下液壓元件摩擦磨損性能進行了研究，磨損量隨著高水基乳化液體積分數的增加而降低，當體積分數達到8%后其磨損量降低幅度趨于平穩(wěn)，此時高水基乳化液會形成有效潤滑膜，起到承載和潤滑作用.白振華等[4]對乳化液性能對摩擦系數影響進行了研究，指出乳化液pH值在4.5～7.0時摩擦系數基本持穩(wěn)定狀態(tài)，超出此范圍的pH值都會使摩擦系數增大.

動車組齒輪箱潤滑油的乳化往往發(fā)生在高速運行過程中，一般情況下，動車組只有完成當天運營任務后才能得到日檢維護，在此運營過程中，無法及時排空乳化油并更換新油，因此，有必要研究乳化油對齒輪箱內部零件的短期磨損的影響，并進行定量分析，通過翔實的試驗加以驗證，進而評估齒輪箱的安全性和可靠性，避免安全事故的發(fā)生.

1 潤滑油的乳化現(xiàn)象與機理

1.1 動車組齒輪箱潤滑油的乳化現(xiàn)象

圖1是某型高速動車組齒輪箱潤滑油發(fā)生乳化時的現(xiàn)場照片，不難看出，從齒輪箱排油口排出的潤滑油呈現(xiàn)乳白色，與新油截然不同.

圖1 動車組齒輪箱潤滑油乳化

排油前，該動車組已經完成當天運營任務，這表明齒輪箱在潤滑油乳化后已經持續(xù)運行一定里程.

1.2 潤滑油的乳化機理

為了提升潤滑油的潤滑性能，油品生產企業(yè)會在基礎油中適當加入表面活性劑.當兩種互不相溶的液體(油與水)在強烈攪動時，表面活性劑會使得基礎油中的微小顆粒被分散在水中，從而形成懸浮混合的乳狀液，這個過程就稱之為乳化[5].乳化實際屬于油-水兩相界面現(xiàn)象，由于潤滑油表面活性劑的作用,使本來不能互相溶解的兩種液體能夠懸浮混合到一起的現(xiàn)象稱為乳化現(xiàn)象[6].乳化油的微觀組織是‘水包油’或‘油包水’的兩種混合態(tài)，見圖2.油-水兩相界面現(xiàn)象是可以相互轉化的，即‘油包水’到‘水包油’之間的轉化.在無外力攪動情況下，水顆粒從分散狀態(tài)轉為連續(xù)相，同時潤滑油從連續(xù)相轉為分散相.在無外界干擾時，這種轉化過程是不可逆的，當外力再次攪動時，則油-水兩相界面現(xiàn)象再次轉化，此時水顆粒從連續(xù)相再次轉變?yōu)榉稚⑾?

(a)水包油 (b) 油包水

1.3 油-水兩相流數學模型

油-水兩相流體的黏度方程、密度方程、比熱方程及熱傳導方程分別如下[7]：

(1)

ρ=τρ1+(1-τ)ρ2

(2)

c=τc1+(1-τ)c2

(3)

(4)

式(1)～式(4)中：a、b分別為瓦爾塞(Walther)方程[8]中與油品的黏-溫特性相關的常數，其中a的取值范圍通常為0.6～0.8，b由黏-溫特性曲線獲得；n為油品中與黏度-含水率相關的常數；η1、η2、η分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的黏度；τ為油-水兩相流體的含水率；ρ1、ρ2、ρ分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的密度；c1、c2、c分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的比熱容；λ1、λ2、λ分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的導熱系數.

從式(1)～式(4)中不難看出，油-水兩相混合液的黏度、密度、比熱容和導熱系數均隨含水率τ的變化而改變，即乳化油中含水量的不同會引起潤滑性能的變化.根據相關學者研究結果，隨著含水量的增大,黏度逐漸降低，當不足以束縛乳狀液顆粒運動時,則乳狀液顆粒將會以極小的速度運動,從而發(fā)生黏附、碰撞和摩擦[9-10].式(5)表述了乳化油顆粒運動速度與黏度的關系，黏度越小，顆粒運動速率就越大,發(fā)生碰撞的概率就越大.隨著齒輪的高速攪動，進一步提升了乳化顆粒運動速率，相互碰撞不斷加劇，從而形成了大量懸浮混合的乳狀液，進一步惡化了潤滑油的乳化現(xiàn)象.

(5)

式中：v是乳化顆粒運動速率；ρ是油-水兩相流體的密度；η是油-水兩相流體的黏度；γ是乳狀液顆粒半徑.

2 齒輪箱潤滑油乳化再現(xiàn)試驗

2.1 齒輪箱潤滑油乳化的結構原因

目前，國內各型動車組選用的齒輪箱型號各不相同、迷宮結構多樣、隔水原理差異明顯，因此，難以開展系統(tǒng)性和概括性研究.李建等[11]對某型動車組齒輪箱乳化原因進行了分析，并對齒輪箱迷宮密封結構進行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)齒輪箱潤滑油乳化的原因是由于雪水沿車軸卸荷槽進入箱體內部，從而導致潤滑油乳化.周持斌[12]對潤滑油乳化的成因進行了分析，通過設置擋水圈控制潤滑油乳化，并采用噴淋試驗的方法證明了擋水圈的預期效果.上述研究側重于改進齒輪箱迷宮密封結構，從而降低潤滑油發(fā)生乳化的可能性.在乳化油對旋轉部件影響方面，郭亞南等[13]研究了不同含水量潤滑油對軸承性能的影響，通過仿真計算得到含水量與軸承油膜、摩擦力矩、溫升的關系.張雨等[14]分析了高速列車齒輪箱轉子旋轉造成的離心變形和熱膨脹變形對迷宮密封性能的影響，得到轉子旋轉離心變形和熱膨脹變形會減小迷宮密封間隙的結論，從這個角度來說，迷宮間隙的減小會在一定程度上阻礙乳化的形成.

基于上述學者的研究結果，動車組車輪箱乳化的直接原因在于迷宮結構處的水分進入齒輪箱，與潤滑油混合，從而形成乳化現(xiàn)象.本文在此基礎上，設計了兩種迷宮密封結構，并開展?jié)櫥腿榛佻F(xiàn)試驗，一方面驗證密封結構優(yōu)化效果，另一方面深入研究不同含水量的乳化油對零部件磨損的影響，從密封結構優(yōu)化和行車安全兩個方面提供論證依據.

2.2 齒輪箱潤滑油乳化再現(xiàn)試驗

為了再現(xiàn)動車組齒輪箱潤滑油的乳化現(xiàn)象，在同樣一臺齒輪箱上分別安裝優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩種迷宮樣件，并進行臺架對比試驗.該齒輪箱輸入端為接觸式密封結構，輸出端為非接觸式迷宮密封結構，因此輸出端進水的可能性較大.將被試齒輪箱固定在雙向傾擺試驗臺上，傾斜角和俯仰角均設定為±7°，同時，受驅動電機帶動作用，齒輪箱高速運轉，在齒輪箱前后各布置一個噴頭，模擬齒輪箱的淋雨狀態(tài)，水通過噴頭噴灑在高速運轉的齒輪箱表面，每個噴頭的流量為5 L/min、水壓為0.2 MPa，以上試驗條件符合TJ/CL 277—2014 《動車組齒輪箱組成暫行技術條件》要求，整個試驗工況見表1.考慮最惡劣情況，動車組最高速度時對應的齒輪箱輸入端轉速為5 900 r/min，以此轉速作為試驗轉速.由于齒輪箱安裝在動車組車體下方，當列車停站時，即便外界雨水較大，受車體遮擋的原因，齒輪箱也不再受到雨水的侵擾.因此，當試驗臺停轉時，噴水同步停止，以模擬動車組自然停車狀態(tài).

表1 噴淋試驗工況

三種工況下的噴淋試驗見圖3.

(a) 水平

噴淋試驗結束后，對潤滑油進行采樣(取80 mL油樣).從圖4的原結構不難看出，潤滑油已經發(fā)生乳化現(xiàn)象，與圖1中的乳化油外觀基本一致，表明模擬試驗已經再現(xiàn)了動車組在實際運行中的乳化現(xiàn)象.將該齒輪箱迷宮件拆卸，并安裝優(yōu)化后迷宮樣件(圖5)，按照表1的噴淋試驗工況重新進行一輪試驗，所采集的油樣見圖4新結構.不難看出，優(yōu)化后的迷宮結構能夠有效阻礙水分進入箱體內部，大幅度降低了乳化油發(fā)生的可能性.

圖4 迷宮結構優(yōu)化前、后潤滑油的狀態(tài)

圖5 新結構輸出端及進水路徑

乳化油模擬試驗結束后，對齒輪箱的進水機理做了進一步分析，其中原結構輸出端及進水路徑見圖6，圖中：1為圓錐滾子軸承；2為內側迷宮環(huán)；3為外側迷宮還；4為端蓋；5為迷宮蓋；6為軸承襯套.外界水分從端蓋經兩道迷宮和軸承進入齒輪箱內部，同潤滑油混合后形成乳化油，進水路徑如圖6中虛線所示.

圖6 原結構輸出端及進水路徑

鑒于原結構輸出端密封性能不良，經研究發(fā)現(xiàn)，外側迷宮環(huán)與端蓋的配合間隙無法阻斷外界水分的進入，因此，本文對外側迷宮環(huán)進行優(yōu)化設計，使之調整為圖5中的新外側迷宮環(huán)和擋水圈兩個零件.此優(yōu)化設計的主要目的是在源頭上阻斷水分的進入，當外界水分開始進入齒輪箱時，必然經過擋水圈，由于擋水圈的內側面采用斜面設計，在高速旋轉時，對流淌至其內側面的水產生離心作用，水分就會被甩出，因此從入口就阻斷了乳化發(fā)生的可能，這從臺架試驗結果中所采集的油樣狀態(tài)可以得到驗證.

3 乳化油影響分析

3.1 乳化油化學性能測試

上述乳化油再現(xiàn)試驗和對比結果，證明了導致齒輪箱乳化油形成的直接原因是迷宮密封不良.同時給出了結構優(yōu)化方案，但對于既有運營的大量動車組，還需要進一步研究乳化油對齒輪箱內部旋轉零件的短期磨損特性，以保證動車組的行車安全.

為了驗證乳化油對旋轉件的短期磨損影響，本文首先對5組不同含水量的乳化油的運動黏度和酸值進行了對比測試，分別為：新油、含水量為0.5%、0.8%、1.0%及1.5%的油樣，測試結果見表2.根據測定結果，含水量對油品的運動黏度和酸值都有一定程度的影響，隨著含水量的增加，油品的運動黏度略微升高，酸值沒有明顯變化.需要說明的是，在試驗過程中，當含水量達到0.5%時，潤滑油已經發(fā)生乳化.

表2 含水量對運動黏度和酸值的影響

3.2 乳化油磨損影響試驗

為了驗證乳化油對齒輪箱零件的磨損影響，在齒輪箱試驗臺上進行了乳化油磨損試驗，并按照動車組齒輪箱的額定轉速和扭矩進行，齒輪箱乳化油磨損試驗見圖7.

圖7 齒輪箱乳化油磨損試驗

試驗前，將齒輪箱內部進行清洗和干燥處理，磨損試驗工況見表3，詳細試驗過程如下：

(1)初始時加注新油4.5 L，中油位，并運轉0.5 h；

(2)分4個階段注入一定水分，使?jié)櫥偷暮糠謩e達到0.5%、0.8%、1.0%、1.5%，并按照額定扭矩和轉速分別運轉12 h(每種含水量正、反轉各運轉6 h)；

(3)整個試驗結束后，用100 mL的兩個試管對乳化油進行取樣；

(4)對齒輪箱進行分解，檢查軸承及齒輪磨損狀態(tài).

表3 磨損試驗工況

試驗結束后，所取油樣外觀見圖8(a)，試管中潤滑油已呈現(xiàn)乳白色，外觀與前文圖1所示的乳化現(xiàn)象基本吻合.2#油樣是與1#油樣同時取的油樣，靜止30 min后的外觀狀態(tài)，不難看出，此時油、水已經分離，水顆粒從分散狀態(tài)轉為連續(xù)相，上層為油，下層為水.

(a) 1#油樣 (b) 2#油樣

3.3 零件磨損狀態(tài)檢測

試驗結束后對齒輪箱進行分解檢查，對齒輪嚙合面、軸承滾道面和滾子表面的磨損狀態(tài)重點觀察，利用JSM-6510掃描電鏡對肉眼可見較明顯的磨損位置進行微觀放大并拍照.

齒輪嚙合面整體狀態(tài)未見明顯異常，無明顯銹蝕，對嚙合面磨損較明顯位置(圖9箭頭位置)進行電鏡觀察(圖10)，其形貌特征未見明顯異常，可見視野內磨損均勻.

圖9 齒輪表面狀態(tài)

圖10 齒輪表面電鏡圖

軸承滾道面兩側有輕微磨損帶及微小缺陷，無觸感，無明顯銹蝕，對滾道面磨損較明顯位置(圖11箭頭位置)進行電鏡觀察，其形貌特征存在輕微磨損，但可見視野內磨損均勻，見圖12，通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，磨損帶的點狀坑屬于脆性高硬度顆粒受周期性擠壓而形成的壓痕，是由鑄造箱體脫落的細小砂粒引起的，與乳化油無關.

圖11 軸承滾道表面狀態(tài)

圖12 滾道表面電鏡圖

軸承滾子表面有輕微磨損亮帶，無明顯可見缺陷，無銹蝕，對磨損亮帶(圖13箭頭指示位置)進行電鏡觀察(圖14)，其形貌同樣無擦傷或干摩擦特征，可見視野內磨損均勻.

圖13 軸承滾子表面狀態(tài)

圖14 滾子表面電鏡圖

通過圖9～圖14的形貌觀察和電鏡圖可見，在48 h試驗過程中，乳化油未對齒輪及軸承造成明顯磨損和銹蝕，由此可見，乳化油在短期內不會對齒輪箱造成明顯損傷.

3.4 乳化油對軸承溫度的影響

除了上述研究工作之外，本文也對試驗過程中各個軸承的平均溫度進行了監(jiān)測，共設5個溫度測點.測點1是輸入端電機側軸承溫度,測點2是輸入端車輪側軸承溫度,測點3是輸出端電機側軸承溫度,測點4是輸出端車輪側軸承溫度,測點5是齒輪箱潤滑油溫度.

從圖15的關系曲線分析可知，在48 h的試驗過程中，隨著潤滑油含水量的提升，各測點平均溫度無線性變化趨勢，即溫度與含水量沒有明顯對應關系.從絕對溫度來看，含水量增加未對軸承溫升造成明顯影響，這也反映出高速動車組運行時，并不能通過監(jiān)測齒輪箱溫度來判斷潤滑油是否發(fā)生乳化.

圖15 軸承溫度與潤滑油含水量關系曲線

4 結論

動車組齒輪箱潤滑油乳化原因主要取決于迷宮密封結構，本文通過對潤滑油乳化再現(xiàn)試驗和不同含水量潤滑油的臺架對比試驗，得到如下結論：

(1)齒輪箱潤滑油乳化取決于迷宮密封結構，通過優(yōu)化密封結構，可以有效避免乳化現(xiàn)象的發(fā)生.

(2)當潤滑油發(fā)生乳化后，其黏度、酸值及潤滑性能等方面會隨之改變.

(3)在48 h試驗過程中，不同含水量對齒輪表面磨損影響不明顯，對軸承溫度影響不明顯.

(4)試驗過程中，齒輪箱零件未見異常磨損和銹蝕，表明即便動車組齒輪箱潤滑油發(fā)生乳化，依然可以維持當天運行任務，但對軸承滾道會輕微加劇磨損，因此需盡快更換新油，避免磨損加劇，影響行車安全.

從結構入手優(yōu)化齒輪箱迷宮密封結構，是解決潤滑油乳化的根本途徑.對于數量龐大、型號多樣的既有在用齒輪箱，如何正確看待潤滑油乳化的影響，并提供定量分析，具有一定的現(xiàn)實意義，本文研究可為我國高速動車組齒輪箱的運用和維護提供借鑒依據.