過電狀態(tài)下高鐵齒輪油失效研究*

(廣研檢測(cè)(廣州)有限公司 廣東廣州 510000)

高鐵在運(yùn)行過程中由于靜電、接線錯(cuò)誤、接地不當(dāng)、絕緣不夠等因素會(huì)產(chǎn)生過電[1]，又稱電腐蝕[2]。高鐵齒輪箱是列車動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵零部件，處于電機(jī)與輪對(duì)之間，負(fù)責(zé)動(dòng)力的傳遞，齒輪箱在出現(xiàn)過電狀態(tài)下會(huì)對(duì)齒輪油及軸承造成損害，如圖1所示為某軌道客車公司出現(xiàn)故障的齒輪箱潤(rùn)滑油和軸承，齒輪油外觀發(fā)黑嚴(yán)重，如圖1(a)右圖所示(左圖為送檢對(duì)比新油)，在軸承外圈表面也出現(xiàn)了類似金屬熔融的點(diǎn)蝕凹坑[3]，如圖1(b)所示。

圖1 發(fā)黑油品及故障軸承

目前，針對(duì)高鐵齒輪油在過電狀態(tài)下的失效研究在國內(nèi)尚屬空白，國外也未有對(duì)外公開的研究資料可供查詢，而隨著越來越多運(yùn)行中的高鐵動(dòng)車組進(jìn)入3級(jí)維修修程，探究齒輪箱在過電狀態(tài)下的失效機(jī)制對(duì)于指導(dǎo)高鐵齒輪箱開展科學(xué)的潤(rùn)滑維護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用[4-6]。

為探究過電狀態(tài)對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑油及軸承損傷的影響機(jī)制，本文作者開展臺(tái)架實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，通過實(shí)驗(yàn)油品和電極的變化探討齒輪箱潤(rùn)滑油和軸承的失效過程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

采用圖2所示的裝置開展實(shí)驗(yàn)，該裝置主要由穩(wěn)壓電源、儲(chǔ)油槽、圓盤電極和實(shí)驗(yàn)油品組成，穩(wěn)壓電壓用來提供不同等級(jí)的加載電壓，兩圓盤電極用來模擬電勢(shì)差，各部分的詳細(xì)信息參如表1所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

穩(wěn)壓電源儲(chǔ)油槽圓盤電極實(shí)驗(yàn)油品電壓可調(diào)范圍:0～20 kV容量:250 mL;材質(zhì):塑料材質(zhì):銅質(zhì); 間隙:約1 mm75W-90合成齒輪油

在實(shí)驗(yàn)過程中，為減少實(shí)驗(yàn)油品的用量，從而放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示，往儲(chǔ)油槽中添加了大量玻璃珠小球，實(shí)際實(shí)驗(yàn)油品用量約為50 mL。實(shí)驗(yàn)首先測(cè)量油品的臨界擊穿電壓值，即測(cè)量該油品在多大的加載電壓下會(huì)發(fā)生擊穿；然后通過持續(xù)的擊穿累積，檢測(cè)油品理化性能指標(biāo)如色度、黏度、酸值、生成物以及電極會(huì)發(fā)生變化的加載電壓和擊穿時(shí)間。實(shí)驗(yàn)加載電壓及時(shí)間的設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)加載電壓及時(shí)間設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 臨界擊穿電壓

按照表2所示實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了加載實(shí)驗(yàn)，在加載電壓增加至1 600 V時(shí)發(fā)生了擊穿，表現(xiàn)為兩圓盤電極間產(chǎn)生火花和大量氣泡，如圖3所示。為了確定臨界加載電壓值，分別進(jìn)行了1 400 V和1 500 V的加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，1 400 V加載3 h未擊穿，而1 500 V發(fā)生擊穿，表明臨界擊穿電壓值約為1 500 V。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)結(jié)果如表3所示。

圖3 發(fā)生擊穿時(shí)的現(xiàn)象

加載電壓U/V擊穿與否實(shí)驗(yàn)總用時(shí)t/h擊穿次數(shù)平均擊穿用時(shí)t/min實(shí)際累積有效擊穿時(shí)間t/min300否2———500否2———800否2———1 200否2———1 400否3———1 500擊穿48133571 600擊穿48153382 000擊穿964428352 500擊穿1205823603 000擊穿1206915754 000擊穿19285121025 000擊穿3601448210

注：(1)平均擊穿用時(shí)為該加載電壓下每次實(shí)驗(yàn)擊穿用時(shí)的和與擊穿次數(shù)的比值；(2)實(shí)際累積有效擊穿時(shí)間為單次擊穿有效時(shí)間與擊穿次數(shù)的乘積。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程并沒有完全按照表2設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)視進(jìn)行結(jié)果進(jìn)行了調(diào)整；每組加載電壓實(shí)驗(yàn)總用時(shí)越來越長(zhǎng)是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)而延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間；未進(jìn)行5 000 V以上和更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)是因?yàn)樵谧詈笠唤M5 000 V加載電壓、144次擊穿后，油中有大量生成物生成，該項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的值，因而未進(jìn)行后續(xù)更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

不同電壓下?lián)舸┖笥推防砘笜?biāo)變化如表4所示。

表4 油品理化指標(biāo)變化

注：取樣時(shí)間指的是在發(fā)生不同擊穿次數(shù)后的取樣，如6次擊穿指的是6次擊穿后取樣。

2.2 擊穿時(shí)間

在每組實(shí)驗(yàn)加載電壓下，從設(shè)置好加載電壓到發(fā)生擊穿需要一定的時(shí)間，時(shí)間的長(zhǎng)短與加載電壓的大小相關(guān)。從圖4中可看出，加載電壓越大，平均擊穿所花時(shí)間越短，整體看擊穿用時(shí)與加載電壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

圖4 平均擊穿時(shí)間隨加載電壓變化曲線

2.3 累積擊穿時(shí)間

發(fā)生擊穿后，在短時(shí)間內(nèi)兩圓盤電極間會(huì)累積生成物導(dǎo)致電路形成通路，從而電流增大，電壓減小，電壓降到一定程度后擊穿狀態(tài)逐漸停止，單次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。重新實(shí)驗(yàn)需要關(guān)閉電源、清理電極表面、重新設(shè)置加載電壓進(jìn)行下一次試驗(yàn)，因而在每組實(shí)驗(yàn)電壓下的擊穿時(shí)間是單次擊穿時(shí)間的疊加，而單次擊穿時(shí)間又與加載電壓相關(guān)。從圖5可看出，單次擊穿時(shí)間隨加載電壓的增大而增大，單次擊穿時(shí)間維持在1 min左右。

圖5 平均單次擊穿時(shí)間隨加載電壓變化曲線

2.4 色度

在用油的色度反映油品的氧化變質(zhì)程度，色度越深，代表氧化程度越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)過程中，在每組加載電壓下，取樣2次檢測(cè)油品色度的變化。色度變化情況如圖6所示，可以看出，隨著加載電壓的增大、擊穿次數(shù)的增加，油品色度出現(xiàn)一定程度增加，但總體而言增加有限，該牌號(hào)齒輪油新油的色度值為1.5，實(shí)驗(yàn)最大測(cè)試值為2.5，而且色度值的增加一定程度上與油中生成物相關(guān)，而不是源自油品整體顏色的變深。

圖6 色度隨加載電壓變化情況

2.5 黏度

黏度是在用油氧化變質(zhì)另一項(xiàng)指示指標(biāo)，油品氧化變質(zhì)嚴(yán)重通常黏度會(huì)升高。實(shí)驗(yàn)油品新油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度是15.18 mm2/s。檢測(cè)得到的實(shí)驗(yàn)油品黏度隨加載電壓變化情況如圖7所示。可見，實(shí)驗(yàn)油品黏度并沒有表現(xiàn)出預(yù)期的逐漸增大的趨勢(shì)，而是圍繞新油黏度值15.18 mm2/s上下波動(dòng)，將檢測(cè)誤差考慮在內(nèi)，可認(rèn)為黏度基本保持不變。

圖7 黏度隨加載電壓變化情況

2.6 酸值

酸值也是反映在用油氧化變質(zhì)程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，油品在劣化變質(zhì)過程中通常伴隨著酸值的逐步增大。實(shí)驗(yàn)油品新油的酸值是2.04 mg/g(以KOH計(jì)，下同)。檢測(cè)得到的實(shí)驗(yàn)油品酸值隨加載電壓變化情況如圖8所示。可見，酸值和黏度一樣沒有表現(xiàn)出預(yù)期的逐漸增大的趨勢(shì)，而是在新油值2.04 mg/g以上浮動(dòng)，且最大增加率也只有8.33%(2.21 mg/g)，將檢測(cè)誤差考慮在內(nèi)，可認(rèn)為酸值基本保持不變。

圖8 酸值隨加載電壓變化情況

2.7 生成物

油中生成物也是評(píng)價(jià)油品氧化變質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，油品氧化變質(zhì)的過程通常伴隨著生成物的增多。從表4可以看出，在加載電壓低于2 000 V時(shí)，即使達(dá)到一定擊穿次數(shù)生成物數(shù)量也很少；而在加載電壓增加到2 500 V以上時(shí)，生成物逐漸增多；在5 000 V加載電壓時(shí)，擊穿144次后油中和電極上出現(xiàn)了大量生成物，如圖9所示。這也是文中實(shí)驗(yàn)在做到5 000 V的加載電壓和144次擊穿后沒有繼續(xù)往下做的原因，因?yàn)轲ざ取⑺嶂颠@些指標(biāo)發(fā)生改變需要的實(shí)驗(yàn)條件和量的累積都是一個(gè)未知數(shù)，而在實(shí)際高鐵齒輪箱潤(rùn)滑油中如果有大量生成物生成，足以對(duì)齒輪箱造成嚴(yán)重的影響。

圖9 油中和電極上生成物

對(duì)生成物的成分進(jìn)行了電鏡能譜分析，結(jié)果如圖10和表5所示。

從黑色成分的元素組成看，C、O、S、P占絕大部分，這些元素來源于油品本身，說明黑色成分來源于油品氧化變質(zhì)的產(chǎn)物；Cu和Zn來源于電極材料；其他Si、Al、Na應(yīng)該來源于實(shí)驗(yàn)中用到的玻璃小球中的硅酸鹽成分。

黑色成分占據(jù)生成物的絕大部分，而根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，黑色成分主要就是油品氧化劣化的產(chǎn)物，因而推斷油中大量的黑色生成物來源于油品在過電狀態(tài)下的劣化產(chǎn)物。

圖10 生成物中的黑色成分電鏡和能譜圖

元素w/%元素w/%C74.8S5.06O6.26Ca0.14Na0.22Cu8.16Al0.95Zn3.9Si0.17總量100P0.35

2.8 電極

在實(shí)驗(yàn)后對(duì)金屬電極的損傷情況也進(jìn)行了分析，如圖11所示是清理完電極表面的生成物后的電極表面照片。可以看出，圖中右邊電極表面出現(xiàn)了一些點(diǎn)蝕凹坑，類似于高鐵軸承外圈上的點(diǎn)蝕剝落，而油中生成物的電鏡能譜分析驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

在前面的生成物中，黑色成分占絕大部分，但生成物中還有少量白色成分存在。對(duì)生成物中的白色成分進(jìn)行電鏡和能譜分析，結(jié)果如圖12和表6所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)后電極表面形貌

圖12 生成物中的白色成分電鏡和能譜圖

元素w/%元素w/%C58.57Fe0.29O2.81Cu23.08Al0.16Zn7.41P0.37總量100S7.33

而電極正常區(qū)域的電鏡能譜分析結(jié)果如圖13和表7所示。

圖13 電極正常區(qū)域電鏡能譜圖

元素w/%元素w/%C13.8Zn32.52O2.4Sn0.71Fe0.37總量100Cu50.19

通過比較可以看出，生成物中的少量白色成分中的Cu和Zn的含量遠(yuǎn)高于黑色成分，而電極正常區(qū)域中Cu和Zn含量最高，電極為黃銅材質(zhì)，這說明生成物中的白色部分來源于電極表面黃銅的剝落，而這也與觀察到的電極表面有少量點(diǎn)蝕區(qū)域相吻合，基本可以推斷生成物中的白色成分來源于電極表面金屬的剝落。

3 結(jié)論及存在問題

(1)在實(shí)驗(yàn)條件下(實(shí)驗(yàn)油品、兩電極間距約1 mm)，臨界擊穿電壓約為1 500 V。擊穿用時(shí)隨加載電壓的增大而減小，單次擊穿維持時(shí)間隨加載電壓的增大而增大。

(2)在實(shí)驗(yàn)用油和加載條件設(shè)置下，當(dāng)加載電壓達(dá)到一定等級(jí)、擊穿次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)(2 500 V，58次)，油中生成物顯著增加；在實(shí)驗(yàn)最大5 000 V加載電壓、最高144次擊穿后，油中有大量生成物生成，且根據(jù)成分分析，生成物的主要成分來源于油品自身劣化變質(zhì)的產(chǎn)物。

(3)在累積擊穿后，金屬電極出現(xiàn)了一定程度損傷，具體表現(xiàn)為電極表面有點(diǎn)蝕剝落。

(4)高鐵齒輪油在過電狀態(tài)下，黏度和酸值等油品自身性能指標(biāo)短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，首先變化的是油中的生成物，隨著過電效應(yīng)的累積，生成物也會(huì)逐步累積，油中的生成物一方面會(huì)充當(dāng)油品氧化劣化的催化劑，加劇油品的氧化劣化進(jìn)程；另一方面，生成物容易附著在軸承、齒輪等摩擦副表面，阻礙摩擦熱的散發(fā)，從而導(dǎo)致部件局部過熱的發(fā)生，如熱軸故障，且齒輪箱過高的溫度也會(huì)加劇油品劣化的進(jìn)程，最終導(dǎo)致齒輪油提前失效變質(zhì)。此外，過電狀態(tài)還會(huì)對(duì)放電金屬表面產(chǎn)生類似點(diǎn)蝕凹坑的作用。

(5)由于文中實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)油品在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間被擊穿的模擬，因而在更高加載電壓和更長(zhǎng)擊穿時(shí)間情況下，油品的色度、黏度、酸值以及電極的損傷隨電壓、擊穿時(shí)間的確切變化關(guān)系還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的探究。