地鐵車輛全合成潤滑油劣化分析及使用壽命研究

曾隆隆

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部 廣東 廣州 510900)

地鐵車輛齒輪箱換油主要有預(yù)防性換油和定期換油2種傳統(tǒng)方案，2種方案都存在各自的缺陷。科學(xué)合理的潤滑油更換周期是以保障齒輪箱潤滑油性能狀態(tài)良好為前提，并綜合考慮潤滑系統(tǒng)的運(yùn)行工況、運(yùn)行環(huán)境、潤滑方式、潤滑油的類型與品牌型號以及長期的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗積累[1-2]。

1 潤滑油維護(hù)現(xiàn)狀

廣州十四號線(含知識城支線)地鐵車輛齒輪箱采用全合成潤滑油，設(shè)備制造商要求每1年或運(yùn)營15萬km(以先到為準(zhǔn))更換齒輪箱潤滑油[3]。齒輪油在更換時外觀狀態(tài)良好，透明均一、無分層、底部無明顯雜質(zhì)，初步判斷齒輪油仍具備一定的使用壽命，此時更換會造成資源浪費。

本文采用離線油液取樣檢測方法、銅片腐蝕試驗方法、工業(yè)內(nèi)窺鏡、顯微鏡圖像解析自動計數(shù)法等技術(shù)手段，分析全合成齒輪箱潤滑油在不同運(yùn)營里程下的理化指標(biāo)劣化情況、齒輪油清潔度、系統(tǒng)磨損情況和齒輪系統(tǒng)潤滑狀態(tài)。在確保齒輪油理化指標(biāo)合格、齒輪油清潔度良好、齒輪和軸承無異常磨損、設(shè)備潤滑狀態(tài)良好的前提下，適當(dāng)延長全合成潤滑油的使用壽命。

2 潤滑油檢測方案

2.1 檢測項目

參照 GB/T 30034—2013《重負(fù)荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標(biāo)》中的換油指標(biāo)和試驗方法開展齒輪箱潤滑油取樣檢測評估，潤滑油檢測項目主要有油品理化指標(biāo)、添加元素、污染元素、磨損金屬元素等，換油指標(biāo)主要有100 ℃運(yùn)動黏度變化率、水分、酸值變化值、鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等[4]。

2.2 油品取樣

選取某在線運(yùn)營列車開展齒輪油油品試驗跟蹤，從運(yùn)營里程為15萬km(在原定的換油周期內(nèi)不作換油處理)開始油品使用情況跟蹤，每2～3萬km取樣一次。每次抽檢6個齒輪箱，其中4個齒輪箱為固定取樣點，另外2個齒輪箱為隨機(jī)取樣點。油品取樣在齒輪油熱狀態(tài)下(回庫30 min內(nèi))進(jìn)行，使用取油器從各取樣點的加油口抽取中層油液位的油樣約100 mL，取樣后如果油位偏低，則補(bǔ)加同款新油。

3 檢測結(jié)果分析

3.1 理化指標(biāo)分析

運(yùn)動黏度是表征油品流動性能的指標(biāo)，用于衡量油品在特定溫度下抵抗流動的能力。GB/T 30034—2013要求齒輪油100 ℃運(yùn)動黏度變化率在-15%～+10%的范圍內(nèi)，新油100 ℃運(yùn)動黏度為15.6 mm2/s，則齒輪油100 ℃運(yùn)動黏度在13.26～17.16 mm2/s范圍內(nèi)均屬正常。各取樣點齒輪油100 ℃運(yùn)動黏度隨列車運(yùn)營公里數(shù)的變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，隨著列車運(yùn)行里程的增大，各取樣點齒輪油100 ℃運(yùn)動黏度總體變化趨勢很小，且均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖1 各取樣點潤滑油100 ℃運(yùn)動黏度變化趨勢

酸值(TAN)用于判斷基礎(chǔ)油的精制程度，是對成品油新油添加劑中酸性物質(zhì)的度量，是判別油品使用過程中氧化變質(zhì)的重要指標(biāo)。GB/T 30034—2013標(biāo)準(zhǔn)中建議齒輪油酸值變化率不超出±1 mgKOH/g，新油酸值為3.1 mgKOH/g，則潤滑油酸值在2.1～4.1 mgKOH/g范圍內(nèi)都屬正常。各取樣點齒輪箱潤滑油的酸值隨列車運(yùn)營公里數(shù)的變化趨勢如圖2所示。由圖可知，隨著列車運(yùn)行里程的增大，各取樣點齒輪油酸值總體變化趨勢很小，部分取樣點齒輪油酸值偏高，略超出國標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 各取樣點潤滑油酸值變化趨勢

水分是油樣中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的度量，水分會引起腐蝕和加速氧化，甚至引起油品乳化，影響油品潤滑性能和使用壽命。GB/T 30034—2013要求齒輪油中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超出0.5%。各取樣點齒輪油中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.003%，遠(yuǎn)低于國標(biāo)換油限值，表明齒輪箱密封良好。

3.2 磨損分析

鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)用于表征齒輪箱內(nèi)部齒輪、滾動軸承等磨損情況。GB/T 30034—2013標(biāo)準(zhǔn)要求齒輪油中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于2 000 mg/kg。各取樣點齒輪油中鐵元素隨列車運(yùn)營公里數(shù)的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，隨著列車運(yùn)行里程的增大各取樣點齒輪油中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈緩慢上升趨勢，表明含有鐵元素的齒輪、軸承等存在輕度磨損，但齒輪油中鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于國標(biāo)換油限值。

圖3 各取樣點潤滑油鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢

銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)用于表征齒輪箱內(nèi)部銅保持架及有關(guān)墊片等磨損情況。GB/T 30034—2013標(biāo)準(zhǔn)要求齒輪油中銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于100 mg/kg。各取樣點齒輪油中銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨列車運(yùn)營公里數(shù)的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，隨著列車運(yùn)行里程的增大各取樣點齒輪油中銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈緩慢上升趨勢，表明含有銅元素的銅保持架等存在輕度磨損，但齒輪油中銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于換油限值。

圖4 各取樣點潤滑油銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢

3.3 清潔度分析

由于油品取樣過程中是抽取齒輪箱的中層油液位，然而齒輪箱內(nèi)部齒輪、滾動軸承等出現(xiàn)異常磨損的大顆粒一般沉在油底殼，因此有必要對齒輪箱最底部油品進(jìn)行取樣觀察。通過在顯微鏡下人員的定性觀測，顯微鏡下油樣中磨損粒子如圖5所示。圖片顯示少量正常磨粒，油品清潔度良好，設(shè)備未見異常磨損。

圖5 顯微鏡下油樣中磨損粒子圖

4 齒輪箱內(nèi)部檢查

4.1 油品腐蝕分析

針對部分取樣點齒輪油酸值偏高而其他理化指標(biāo)均正常的情況，采用銅片腐蝕試驗方法評價齒輪油產(chǎn)生銅腐蝕的相對程度，以探究酸值偏高對齒輪箱潤滑系統(tǒng)的影響。按照GB/T 5096—2017《石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗法》要求，將磨光好的銅片浸沒在不同酸值的油品試樣中，分別加熱到85 ℃(齒輪油的實際使用溫度)、100 ℃(標(biāo)準(zhǔn)測試方法推薦溫度)，并保持3 h，加熱周期結(jié)束時取出銅片，經(jīng)洗滌后將其與銅片腐蝕標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行比較，根據(jù)銅片變色情況確定腐蝕級別[5]。

銅片腐蝕試驗結(jié)果(見表1)表明：在85 ℃溫度條件下，銅片在不同酸值的油品試樣中浸泡3 h后，輕度變色(1b)；在100 ℃溫度條件下，銅片在不同酸值的油品試樣中浸泡3h后，輕度變色(1b)或中度變色(2b)；銅片腐蝕級別與油品酸值無相關(guān)性。這表明，在齒輪油的實際使用溫度下，油品酸值小幅偏高并不會加速齒輪箱內(nèi)部含銅部件的腐蝕，也不會引起銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的異常升高。

表1 銅片腐蝕試驗結(jié)果

4.2 工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查

工業(yè)內(nèi)窺鏡具有操作簡單、便捷實用等優(yōu)點，利用可彎曲、具備照明功能的微型探頭深入齒輪箱內(nèi)部，獲取齒輪箱內(nèi)部零部件內(nèi)表面清晰圖像，用于直觀而準(zhǔn)確地評估齒輪及軸承應(yīng)用情況(見圖6～圖9)。檢查結(jié)果表明：齒輪箱兩對減速齒輪和軸承潤滑狀態(tài)良好，齒輪齒面無點蝕、剝落、黏著、裂紋等現(xiàn)象，軸承無異常磨損、擦傷、剝落等現(xiàn)象，齒輪箱內(nèi)壁和油底殼內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)油泥等吸附物，齒輪系統(tǒng)潤滑狀態(tài)良好。

圖6 電機(jī)輸出減速齒輪 圖7 動力輸出減速齒輪 圖8 軸承保持架 圖9 齒輪箱油底殼

5 總結(jié)

(1)全合成齒輪箱潤滑油在使用30萬km之后100 ℃運(yùn)動黏度變化率、水分、鐵元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，油品清潔度良好，設(shè)備未見異常磨損。

(2)在齒輪油的實際使用溫度下，油品酸值小幅偏高不會加速齒輪箱內(nèi)部含銅部件的腐蝕。若齒輪油僅油品酸值小幅偏高，而其他理化指標(biāo)、磨損元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，齒輪油仍可繼續(xù)使用。

(3)齒輪齒面無點蝕、剝落、黏著、裂紋等現(xiàn)象，軸承無異常磨損、擦傷、剝落等現(xiàn)象，齒輪箱內(nèi)壁和油底殼內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)油泥等吸附物，齒輪系統(tǒng)潤滑狀態(tài)良好。