動車組齒輪箱潤滑油更換周期優(yōu)化*

姜 陳 傅雙波 高 原

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司高鐵運(yùn)維技術(shù)中心 上海 200071)

齒輪箱是動車組動力傳動的關(guān)鍵設(shè)備，也是動車組傳動系統(tǒng)中最重要的傳動環(huán)節(jié)之一，其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響整個動車組的正常工作。齒輪箱的潤滑是保障動車組運(yùn)行安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。CRH380B平臺動車組齒輪箱供應(yīng)商主要有弗蘭德、采埃孚和戚墅堰，現(xiàn)階段使用的齒輪箱潤滑油主要是BASF(巴斯夫)生產(chǎn)的EMgard RW-B 75W-90重負(fù)荷車輛齒輪油，換油周期為40萬km。

目前，齒輪箱潤滑油更換是按照供應(yīng)商提供的換油周期執(zhí)行，缺乏對實(shí)際運(yùn)用條件下齒輪箱潤滑油性能狀態(tài)變化情況的跟蹤和研究分析，容易發(fā)生潤滑油提前更換造成油脂的浪費(fèi)，或發(fā)生潤滑油提前失效引發(fā)設(shè)備故障等問題。在以滿足齒輪箱潤滑油使用性能和延長齒輪箱潤滑油更換周期為目的條件下，本文作者通過選取對比車和試驗(yàn)車開展齒輪箱潤滑油更換周期優(yōu)化的驗(yàn)證，定期對試驗(yàn)車組潤滑油送檢化驗(yàn)，動態(tài)分析潤滑油各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)隨運(yùn)行里程變化趨勢；通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測，探索科學(xué)合理的潤滑油更換周期，對提升動車組運(yùn)維管理水平、降低動車組全壽命周期內(nèi)齒輪箱潤滑油更換費(fèi)用有著十分重要的意義。

1 研究方法

在動車組齒輪箱實(shí)際運(yùn)行工況下，外部進(jìn)入的雜質(zhì)和水分，以及齒輪、軸承在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的高溫剪切和微小金屬顆粒，都會引起潤滑油的失效[1-3]。齒輪箱潤滑油更換周期優(yōu)化研究主要通過定期采集和監(jiān)測對比車、試驗(yàn)車油樣數(shù)據(jù)，開展?jié)櫥完P(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢分析，擬合關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律曲線，根據(jù)初步確定的潤滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出油品各關(guān)鍵指標(biāo)變化至判廢標(biāo)準(zhǔn)時的運(yùn)行里程，從而對齒輪箱潤滑油理論最大更換周期進(jìn)行預(yù)測。

其中，對比車分別選取4列弗蘭德齒輪箱動車組、4列采埃孚齒輪箱動車組和4列戚墅堰齒輪箱動車組。對比車分別在潤滑油更換后運(yùn)行10萬、20萬、30萬和40萬km時取樣送檢化驗(yàn)。

試驗(yàn)車組共選取18列，其中每個型號齒輪箱分別選取2列進(jìn)行換油周期延長10萬km試驗(yàn)和4列進(jìn)行換油周期延長20萬km試驗(yàn)。試驗(yàn)車組分別在潤滑油更換后運(yùn)行40萬、45萬、50萬、55萬和60萬km時取樣送檢化驗(yàn)。

2 油樣檢測化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 運(yùn)用、檢修中動車組齒輪箱油的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

目前，關(guān)于動車組齒輪箱潤滑油檢測化驗(yàn)僅有動車組運(yùn)用化驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，檢測項(xiàng)目為反映齒輪箱內(nèi)部狀態(tài)的Fe和Cu元素，具體見表1。

表1 動車組齒輪箱潤滑油檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Gearbox lubricant inspection standard for EMU

2.2 理化性能變化規(guī)律分析

齒輪摩擦副的潤滑效果主要和潤滑油的黏度有關(guān)。潤滑油的黏度過低或過高都會影響油膜形成導(dǎo)致潤滑不良[4-6]。為了有效調(diào)節(jié)潤滑油的高低溫性能，75W-90黏度級別的齒輪箱油中通常加入了一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑，但是在齒輪摩擦的苛刻剪切工況下，大分子黏度指數(shù)改進(jìn)劑通常被剪切成小分子，導(dǎo)致增黏作用逐漸消失，潤滑油黏度下降不利于摩擦表面油膜形成，造成齒輪磨損。同時動車組齒輪箱高速運(yùn)行時產(chǎn)生了較多的熱量，導(dǎo)致潤滑油氧化而產(chǎn)生油泥、膠質(zhì)等物質(zhì)，可能會使?jié)櫥宛ざ仍俅位厣?。通過對比車、試驗(yàn)車送檢油樣100 ℃運(yùn)動黏度和酸值變化值隨里程分布的統(tǒng)計(jì)分析(見圖1)，可以看出CRH380B平臺動車組RW-B 75W-90潤滑油使用至60萬km時，100 ℃運(yùn)動黏度和酸值變化值與40萬km時無明顯差異。

圖1 不同運(yùn)行里程時油樣100 ℃運(yùn)動黏度和酸值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistical results of 100 ℃ kinematic viscosity (a)and acid value(b)of the oil samples under different operating mileage

按不同型號齒輪箱對油樣黏度和酸值變化值變化趨勢進(jìn)行分析，如圖2所示?？梢姡?0萬km后，油品100 ℃運(yùn)動黏度趨于穩(wěn)定；運(yùn)行里程由40萬km延長至60萬km過程中，酸值變化值無較大范圍波動。

圖2 油品100 ℃運(yùn)動黏度和酸值變化值隨里程變化趨勢Fig.2 Variation of 100 ℃ kinematic viscosity(a)and acid value(b)of oil samples with mileage

2.3 污染物含量趨勢分析

動車組在行駛過程中，齒輪箱的污染源主要是水分和粉塵，水分會加速油品乳化變質(zhì)，而粉塵等固體顆粒則會引起磨粒磨損，對于動車組齒輪箱，污染情況評估的主要指標(biāo)為水分和硅元素。通過對比車、試驗(yàn)車送檢油樣中水分和Si元素含量隨里程分布的統(tǒng)計(jì)分析(見圖3)，可以看出CRH380B平臺動車組RW-B 75W-90潤滑油使用至60萬km后，水分和Si元素含量與40萬km時無明顯差異。

圖3 不同運(yùn)行里程時油樣水分和Si元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of moisture content(a)and Si element content of the oil samples(b)under different operating mileage

分別對3種齒輪箱潤滑油從新油到運(yùn)行60萬km后水分和Si元素含量變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示?？梢?，運(yùn)行45萬km后水分含量維持在較低且穩(wěn)定的狀態(tài)；Si元素含量在50萬km后上升較快，其中以弗蘭德齒輪箱上升最快，但60萬km時Si元素含量仍處于較低水平。

圖4 水分和Si元素含量隨里程變化趨勢Fig.4 Variation of moisture content (a)and Si element content(b)with mileage

2.4 磨損元素含量變化趨勢分析

隨著使用時間的增加，齒輪箱不可避免地存在磨損。磨損量增加，油中的金屬磨損顆粒增多，一方面會加速齒輪、軸承的磨損，另一方面會加速油品的氧化，其中磨損程度可以通過光譜元素含量進(jìn)行評價。對于齒輪箱而言，磨損的主要評價指標(biāo)有Fe、Cu元素含量，其中Fe元素主要來自齒輪、軸承等部件[7]，Cu元素通常來源于銅質(zhì)的軸承保持架。

區(qū)別于油品理化性能和污染物，磨損元素的含量不僅與油品使用里程相關(guān)，還與齒輪箱運(yùn)行里程有直接關(guān)系。為了評估齒輪箱運(yùn)行里程對磨損元素含量的影響，選取了不同運(yùn)行里程的齒輪箱在潤滑油運(yùn)行40萬km后的磨損元素含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)齒輪箱運(yùn)行接近240萬和440萬km(因無440萬～530萬km間樣本，推測應(yīng)為480萬km左右)時，齒輪箱Fe含量呈上升趨勢，且經(jīng)過對應(yīng)的分解檢修修程(四、五級修)并對齒輪箱進(jìn)行清洗后，后續(xù)運(yùn)用過程中齒輪箱潤滑油中Fe含量下降；Cu元素含量除194萬km時外，均較為穩(wěn)定，基本維持在3～5 mg/kg。所以，在研究潤滑油中磨損元素含量變化趨勢時，應(yīng)考慮齒輪箱運(yùn)行里程帶來的影響，且齒輪箱里程變量最大值應(yīng)為一個分解檢修周期。

對試驗(yàn)車組齒輪箱潤滑油中磨損元素含量隨里程變化趨勢進(jìn)行了分析，結(jié)果圖6所示?？梢?，不同型號齒輪箱的Fe、Cu元素含量差異較大，且各型齒輪箱Fe元素含量在55萬km后上升幅度較快，Cu元素含量在45萬km后上升趨勢趨于平緩，60萬km時Fe、Cu元素含量都遠(yuǎn)低于表1中的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 磨損元素Fe和Cu含量隨里程變化趨勢Fig.6 Variation of Fe element content(a)and Cu element content(b)with mileage

2.5 小結(jié)

通過理化性能變化規(guī)律分析、污染物含量趨勢分析和磨損元素含量變化趨勢分析可以看出，齒輪箱潤滑油100 ℃運(yùn)動黏度、酸值變化值以及水分和Si元素含量在使用至60萬km時與40萬km時無明顯差異，Cu元素含量在45萬km后上升趨勢趨于平緩，F(xiàn)e元素含量隨著油品使用里程的延長而快速增加，但60萬km時Fe、Cu元素含量都遠(yuǎn)低于運(yùn)用、檢修中動車組齒輪箱油的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因而，CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油更換周期由40萬km延長至60萬km后各項(xiàng)指標(biāo)均滿足使用要求，且Fe元素含量可以作為齒輪箱潤滑油更換周期延長重點(diǎn)監(jiān)控的指標(biāo)[8]。

3 齒輪箱潤滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前，對于動車組齒輪箱潤滑油判斷標(biāo)準(zhǔn)在國家標(biāo)準(zhǔn)以及鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均沒有明確規(guī)定。通過此次試驗(yàn)驗(yàn)證取樣化驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合動車組潤滑油有關(guān)運(yùn)用檢測標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 30034—2013《重負(fù)荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標(biāo)》(適用于重負(fù)荷齒輪油使用過程中換油指標(biāo))，初步制定了CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油判廢參考標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 動車組齒輪箱潤滑油判廢參考標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Gearbox lubricant failure reference standard for EMU

4 齒輪箱油更換周期的預(yù)測

4.1 模型假設(shè)

根據(jù)上文油樣檢測化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，把Fe元素含量作為影響齒輪箱潤滑油更換周期的主要因素。假設(shè)齒輪箱潤滑油中的Fe元素由磨損產(chǎn)生，在潤滑良好的情況下，不同時間(下文中時間均指油樣運(yùn)行里程)區(qū)間的Fe元素的增量應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立的，且在充分小的時間內(nèi)，由磨損產(chǎn)生Fe元素的發(fā)生概率正比于時間。

在滿足上面假設(shè)的條件下，F(xiàn)e元素含量X近似服從一個泊松過程[9-11]，且實(shí)際Fe元素含量的變化曲線近似于泊松分布，如式(1)所示。

(1)

式中：λ為待定系數(shù)；t為油樣運(yùn)行里程，該參數(shù)反映齒輪箱磨損情況。

4.2 分布函數(shù)擬合

考慮到齒輪箱大修前Fe元素含量呈上升趨勢，說明齒輪箱新造或大修后的運(yùn)行里程也是齒輪箱磨損即Fe含量變化的的影響因素，所以應(yīng)當(dāng)加入總運(yùn)行里程的影響。同時，現(xiàn)實(shí)中磨損的速度本身應(yīng)與磨損程度成正比(性能越差則磨損速度越快)，磨合同理，于是在這一近似假設(shè)下，式(1)中λ即為一個指數(shù)函數(shù) ，即

λ=cexp(kS)

(2)

式中：c和k是待定系數(shù)；S為齒輪箱新造或大修后運(yùn)行的總里程，0≤S≤2 400 000 km。

結(jié)合式(1)泊松過程表達(dá)式，可以得出Fe元素含量的累積分布函數(shù)，式如(3)所示。

E(X)=λt=cexp(k0S)tk1

(3)

式中：c、k0和k1是待定系數(shù)；t為潤滑油運(yùn)行里程；S為齒輪箱新造或大修后運(yùn)行的總里程。

對式(3)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，則有

log(E(X))=logc+k1logt+k0S

(4)

對式(4)采用廣義線性模型Generalized Linear Models來對上述原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[12-13]，其中分布族為泊松分布，自變量為潤滑油運(yùn)行里程和齒輪箱新造或大修后運(yùn)行里程。通過R語言GLM函數(shù)實(shí)現(xiàn)上述算法，得到各待定系數(shù)如表3所示。

表3 各待定系數(shù)計(jì)算值Table 3 Calculated value of undetermined coefficient

4.3 最大換油里程預(yù)測

將Fe元素含量作為影響齒輪箱潤滑油更換周期的主要因素，在累積分布函數(shù)E(X)中Fe含量為500 mg/kg，齒輪箱新造或大修后運(yùn)行240萬km時，潤滑油的運(yùn)行里程即為齒輪箱潤滑油理論最大換油里程。在廣義線性模型Generalized Linear Models中采用predict函數(shù)進(jìn)行預(yù)測，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅采集至60萬km，在現(xiàn)有齒輪箱油樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，F(xiàn)e含量到達(dá)500 mg/kg時的油品運(yùn)行里程預(yù)測值失真。

結(jié)合潤滑油60萬km試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在一定范圍內(nèi)對潤滑油再使用10～20萬km后的Fe元素含量進(jìn)行大致的預(yù)測。將表3各系數(shù)代入式(3)，當(dāng)潤滑油運(yùn)行里程t=70萬km時，F(xiàn)e元素含量E(X)平均值為163 mg/kg，在均值為163 mg/kg的泊松分布中，考慮99.95%的樣本容量，通過泊松函數(shù)qpois()即可計(jì)算出70萬km時E(X)最大閾值為229 mg/kg。同理，當(dāng)潤滑油運(yùn)行里程t=80萬km時，F(xiàn)e元素含量E(X)均值為227 mg/kg，最大閾值為304 mg/kg。所以，使用現(xiàn)有60萬km齒輪箱油樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以大致預(yù)測在齒輪箱潤滑油使用至80萬km時，潤滑油中Fe元素含量仍滿足表2中的使用標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)通過對比車和試驗(yàn)車齒輪箱潤滑油更換周期延長試驗(yàn)結(jié)果表明，CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油更換周期由40萬km延長至60萬km可行。

(2)理化性能變化規(guī)律分析、污染物含量趨勢分析和磨損元素含量變化趨勢分析表明，影響潤滑油更換周期的主要影響因素是油品中Fe元素含量的變化。

(3)通過擬合關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)(Fe元素含量)的分布，根據(jù)初步確定的潤滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油使用80萬km時Fe元素含量仍滿足使用要求。

(4)文中對動車組齒輪箱潤滑油現(xiàn)行更換周期的優(yōu)化方法，同樣適用于其他平臺動車組齒輪箱潤滑油更換周期的優(yōu)化，同時，可進(jìn)一步拓展至其他關(guān)鍵部件(如空壓機(jī)等)潤滑油更換周期的優(yōu)化研究。