城市軌道交通車輛齒輪箱油的檢測與診斷

呂子雷 趙 勇

（云南京建軌道交通投資建設有限公司，650032，昆明∥第一作者，工程師）

齒輪箱是城市軌道交通列車走行系統的重要動力傳動部件，其運行狀態直接影響列車的安全運營，而齒輪箱油可以降低齒輪摩擦系數、減少摩擦生熱，同時減少齒輪磨損、提升零部件使用壽命。但在實際運用過程中，因缺少對油液狀態的分析與診斷，只能以經驗判斷或定期更換齒輪箱油的方式進行日常檢修維護。

廣州某型車輛在運用過程中多次出現齒輪箱內部齒輪、軸承異常磨損的情況，一旦齒輪箱油狀態變差后若不能及時發現，將導致齒輪箱疲勞磨損加快，出現齒輪、軸承失效等故障。因此，本文希望通過對齒輪箱油各項參數指標的檢測來優化檢修策略，在計劃修的基礎上找到狀態修的切入點，以保障列車走行系統關鍵部件齒輪箱的安全運營。

1 油液檢測

油液檢測最初應用于油污染分析，主要是分析油品的理化指標如黏度、水分、酸值、機械雜質的含量。隨著機械設備的復雜化及維修要求的提升，促使人們積極開發基于油液檢測的診斷方法［1］。包括通過光譜檢測分析油液中各磨粒元素質量分數及通過鐵譜檢測分析油液中磨粒的濃度、尺寸形狀、形貌和成分，預知傳動零部件的磨損情況，及時發現早期的故障隱患。

2 齒輪箱油液分析

目前，對城市軌道交通車輛齒輪箱油的常規油液檢測主要包含油品質量檢測與金屬含量檢測兩個方面。

2.1 油品質量檢測

常規的油品質量檢測包含了對運動黏度、酸值、水分含量的檢測，主要反映齒輪箱油的油品質量變化。而油品質量變化程度與不同種類的齒輪箱油及不同的工作環境有關。因此，在日常檢修過程中主要是根據油的外觀來判斷齒輪箱油品的狀態。

例如，齒輪箱油的氧化變色導致的齒輪箱油發黑，或由于齒輪箱密封性失效，水分進入齒輪箱后在油品中活性劑的影響下會產生乳化作用，導致齒輪油出現的發白乳化現象。

因此，對油品質量的檢測中需要重點關注酸值與水分含量的變化情況，對出現異常的齒輪箱需要密切跟蹤其運用情況或者預防性地更換齒輪箱油。

2.2 金屬的質量分數檢測

油液檢測可以對齒輪箱油中的磨損金屬元素質量分數進行分析。常見的磨損金屬元素包括Fe、Cr、Mn 等鋼質磨粒及Cu、Pb、Sn 等有色金屬磨粒［2］。

鋼質磨粒（Fe、Cr、Mn）的異常增加代表齒輪箱內的齒輪與軸承滾子可能存在表面的異常磨損。選取廣州地鐵某型車輛出現的軸承滾子表面磨損的齒輪箱內的箱油進行檢測，與其他運用km 數相近的齒輪箱內的箱油進行對比，檢測結果如表1 所示。檢測數據表明，故障齒輪箱內鐵的質量分數明顯超出其他齒輪箱；同時鐵譜分析結果顯示，有較多的鑄鐵/鋼類小尺寸的金屬疲勞磨粒，而其他齒輪箱的檢測結果未發現有明顯磨損顆粒。

表1 軸滾子表面磨損的齒輪箱箱油中部分成分的質量分數檢測對比

有色金屬磨粒（Cu、Pb、Sn）的異常增加則說明軸承銅保持架可能存在異常磨損情況，尤其在輸出端與聯軸節相連接的軸承保持架，因持續承受力矩與振動，容易造成保持架故障［3］。廣州地鐵某型車在日常檢修作業中發現某齒輪箱的齒輪箱油渾濁且呈金黃色，油中有金黃色顆粒，檢查排油口的磁性油塞，發現吸附了較多的金屬顆粒。抽取該齒輪箱油樣進行油液檢測分析，發現齒輪箱油中的Fe、Cu 及酸的質量分數均高于正常值（如表2 所示）。

表2 某型車齒輪油液檢測指標對比

為進一步確認齒輪箱零部件的狀態，將輪對進行落架，拆解齒輪箱后發現齒輪箱小齒輪軸承銅保持架斷裂，大齒輪軸承滾子有剝離現象（如圖1、圖2所示），軸承失效后若繼續運行，將導致軸承燒損、輪對抱死等重大故障。

對故障齒輪箱進行送檢分析，銅保持架斷裂原因為隨齒輪箱運用里程增大，銅保持架在振動影響下逐漸產生金屬疲勞，進而出現疲勞裂紋，導致保持架斷裂。而在銅保持架磨損后，齒輪箱油潤滑性能受到影響，導致軸承圓柱滾子潤滑不到位而出現剝離。

圖1 軸承滾子剝離

圖2 銅保持架斷裂

該故障齒輪箱運用里程為152 萬km，齒輪箱油運用里程10 萬km，為掌握齒輪箱齒輪、軸承部件的運用情況，選取了不同運用km 數范圍內的齒輪箱進行油液抽樣，并委托第三方專業機構進行油液檢測。以120 萬km 為分界點（0 ～120 萬km 范圍內齒輪箱未出現過故障），往上每隔10 萬km 分段采樣，同一段采取20 個油樣樣本（160 mL 左右），且均選取運用里程在10 萬km 左右的齒輪箱油樣品進行油液檢測，以保證參數的一致性。以齒輪箱運用km數為變量，分析齒輪箱油中各金屬的質量分數與齒輪箱運用km 數的關系，得到相關數據如下。

2.2.1 水分與酸值的質量分數

如圖3 所示，不同運用里程的齒輪箱，齒輪箱油中水分的質量分數量基本保持不變，證明齒輪箱的密封性能較好，齒輪箱油沒有受到外界水分侵蝕。

而運用里程相對較大的齒輪箱，內部雜質逐漸增多，因此酸值會相對較高，但上升幅度不大（小于1 mg/g），說明在密封性與抗氧化方面，齒輪箱的表現較好。

2.2.2 Fe 的質量分數

如圖4 所示，隨著齒輪箱運用里程的增大，齒輪箱油中的ωFe一般增長較慢，但出現齒輪異常磨損的故障齒輪箱中的ωFe增加較大（達到265 mg/kg）。經分析，該階段為機械磨損3 個階段中的穩定磨損期，而咬合磨損期一般在2 萬km ～5 萬km，因此新齒輪箱或大修（更換軸承）后的齒輪箱在運用2 萬km ～5 萬km 后需要更換齒輪箱油。在穩定磨損階段，若齒輪箱油樣中出現ωFe異常增高的情況，需要進行放油或拆箱檢查。

圖3 齒輪箱油的酸值與水分的質量分數

圖4 齒輪箱油的Fe 的質量分數

2.2.3 Cu 的質量分數

如圖5 所示，運用公里數在150 萬km 以下的齒輪箱，齒輪箱油中的ωCu變化較緩慢，說明齒輪箱中的銅質金屬部件磨損較穩定；而運用在150 萬km ～160 萬km 的齒輪箱，齒輪箱油中的ωCu開始逐漸增高，說明銅保持架的磨損來到了機械磨損的后期（劇烈磨損期），此時需要重點關注齒輪箱油的狀態，若出現了異常的油色現象（渾濁、呈金黃色，且懸浮金屬顆粒），則應扣停列車進行落輪拆解檢查。

綜合以上分析，提出該型車輛齒輪箱維修策略如下：

圖5 齒輪箱油的Cu 的質量分數

1）日常檢修中重點關注齒輪箱油的油色情況，對油色變化進行跟蹤與統計，總結檢修工藝。

2）定期對運用km 數大的齒輪箱開展油液檢測，重點關注齒輪箱運用km 數在150 萬km ～160萬km 段的齒輪箱油中Cu、Fe 的質量分數異常增大情況。

3）將齒輪箱大修（更換軸承）里程由200 萬km調整至160 萬km，以避免齒輪箱軸承保持架、軸承滾子因疲勞裂紋擴展引起軸承失效、輪對抱死等嚴重故障。

3 結語

隨著城市軌道交通列車運用里程的不斷加大，齒輪箱零部件的疲勞磨損影響會逐漸擴大，而齒輪箱是一個封閉的整體，日常檢修的手段有限，因此通過對不同運用里程范圍內的齒輪箱開展油液檢測來診斷齒輪箱的運用狀態，可以提前發現故障隱患，同時對油液樣本數據進行分析與總結，以此制定最優的檢修策略。