軌道交通車輛齒輪箱潤滑油運行狀態分析

□ 曾隆隆

廣州地鐵集團有限公司 廣州 510900

1 分析背景

城市軌道交通車輛齒輪箱潤滑油更換主要有故障換油和定期換油兩種情況。故障換油主要根據齒輪油的性狀,包括明顯分層、發黑、發紅、發黃、發白等異?，F象,判斷是否需要換油,不需要定量分析在用齒輪箱潤滑油的理化性能指標、磨損元素含量、添加劑元素含量、污染物元素含量等情況。定期換油一般參照設備制造商推薦的換油周期,或應用經驗推薦的換油周期。

由于在用齒輪箱潤滑油的使用壽命與城市軌道交通車輛的運營環境、運行工況、潤滑方式、品牌、型號等因素相關,因此不宜直接使用齒輪箱制造商推薦的換油周期。通過定期監測在用齒輪箱潤滑油的運行狀態,綜合分析在用齒輪箱潤滑油的理化性能指標、添加劑消耗情況、污染物含量情況、齒輪系統磨損情況、齒輪系統潤滑狀態,在保障齒輪箱潤滑油性能狀態良好的前提下,制定科學合理的潤滑油更換周期,可以節約設備維保成本。筆者就此對城市軌道交通車輛齒輪箱潤滑油運行狀態進行分析。

2 齒輪箱結構

城市軌道交通車輛齒輪箱安裝在輪軸上,屬于輪軸懸掛式,并通過吊桿連接到轉向架構架上,主要作用是在車輛正常運行時傳遞驅動轉矩,電機的輸出轉矩和運動通過聯軸節、齒輪箱傳遞給車軸,從而實現車輛的牽引與制動。

齒輪箱箱體通過兩個圓錐滾子軸承安裝于輪軸上,大齒輪通過熱收縮固定在輪軸上,小齒輪通過固定軸承組安裝于箱體中。

齒輪箱采用飛濺潤滑,潤滑油可以同時潤滑齒輪和齒輪箱兩端的軸承。齒輪輪齒根據DIN 3962-6和DIN 3963標準采用18CrNiMo7-6材料滲碳磨齒制成,齒輪箱主要技術參數見表1。

表1 齒輪箱技術參數

3 齒輪箱潤滑現狀

以75W-90潤滑油為例,這是一種由合成基礎油與添加劑配制而成的全合成齒輪箱潤滑油。這一潤滑油滿足API GL-5性能等級,具有卓越的高溫與氧化穩定性,并具有較高的黏度指數、低傾點和低溫流動性,可以在極壓與沖擊負載的條件下實現負載承受能力。

目前,國內城市軌道交通車輛齒輪箱潤滑油沒有統一的換油指標技術要求,各運營公司主要根據齒輪箱制造商推薦的換油周期進行換油。齒輪箱制造商建議每年或每行駛15萬km更換齒輪油,以先到為準。根據現場經驗,按照齒輪箱制造商的維護建議更換下的齒輪箱潤滑油外觀顏色為黃褐色,無分層,底部無明顯雜質,目視判斷潤滑油更換周期具有一定的可延長性。

4 齒輪箱潤滑油檢測方案

選取某在線運營城市軌道交通車輛開展在用齒輪箱潤滑油油品跟蹤研究,為保持油品跟蹤研究的連續性和時效性,以城市軌道交通車輛齒輪箱潤滑油運營11.5萬km作為跟蹤研究的起始里程,后續每隔1.5～3.0萬km取樣一次,前期3萬km取樣一次,中期2萬km取樣一次,后期1.5萬km取樣一次,且在原定齒輪箱潤滑油換油周期內不作換油處理。每次抽檢六個齒輪箱潤滑油,齒輪箱編號分別為 A、B、C、D、E、F,其中四個齒輪箱為固定抽樣點,編號為A、B、C、D,兩個齒輪箱為隨機抽樣點,編號為E、F。為確保抽取的在用齒輪油能夠真實反映性狀,在齒輪箱潤滑油熱狀態下,即車輛回庫后30 min內,使用專用取油器從齒輪箱注油口抽取中層油樣,底層油樣、表層油樣均不具有代表性,每次抽取油樣約100 mL,取樣后若油位偏低,則需補加同款新油。

齒輪箱潤滑油換油周期評估方法主要有理化性能衰變評估法、磨損情況評估法、添加劑消耗情況評估法、污染物情況評估法,齒輪箱潤滑油的檢測項目主要包括理化性能指標、磨損元素含量、添加劑元素含量、污染物元素含量等。根據GB/T 30034—2013《重負荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標》,開展城市軌道交通車輛在用齒輪箱潤滑油油品跟蹤研究,在用齒輪箱潤滑油檢測項目有100 ℃運動黏度變化率、水分含量、酸值變化值、鐵元素含量、銅元素含量等。

5 齒輪箱潤滑油劣化分析

5.1 理化指標

齒輪箱潤滑油裝車前,100 ℃運動黏度為15.6 mm2/s,GB/T 30034—2013中要求齒輪箱潤滑油100 ℃運動黏度變化率不超出-15%～10%,因此在用齒輪箱潤滑油100 ℃運動黏度應在13.26～17.16 mm2/s范圍內。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油100 ℃運動黏度隨車輛運行里程的變化趨勢如圖1所示。由圖1可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油100 ℃運動黏度隨運行里程的增大總體變化很小,并且始終在標準限值范圍內。

圖1 各抽樣點齒輪箱潤滑油100 ℃運動黏度變化趨勢

齒輪箱潤滑油裝車前酸值為3.1 mgKOH/g,GB/T 30034—2013中建議齒輪箱潤滑油酸值變化率不超出±1 mgKOH/g,因此在用齒輪箱潤滑油酸值建議在2.1～4.1 mgKOH/g范圍內。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油酸值隨車輛運行里程的變化趨勢如圖2所示。由圖2可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油酸值隨運行里程的增大總體變化不大,大部分抽樣點齒輪箱潤滑油的酸值在標準建議限值范圍內,小部分抽樣點齒輪箱潤滑油的酸值小幅超出標準建議限值。

圖2 各抽樣點齒輪箱潤滑油酸值變化趨勢

在用齒輪箱潤滑油的PQ指數可以在一定程度上反映齒輪箱的內部磨損情況。PQ指數與齒輪箱潤滑油中的鐵屑含量及顆粒大小成線性相關,GB/T 30034—2013中未對齒輪箱潤滑油PQ指數進行限定。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油PQ指數隨車輛運行里程的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油PQ指數隨運行里程的增大總體變化不大,表明齒輪箱內部齒輪、滾動軸承等未出現異常磨損。

圖3 各抽樣點齒輪箱潤滑油PQ指數變化趨勢

5.2 磨損元素含量

GB/T 30034—2013中要求在用齒輪箱潤滑油鐵元素含量限值為不高于2 000 mg/kg。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油鐵元素含量隨車輛運行里程的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油鐵元素含量隨運行里程的增大總體呈緩慢上升趨勢,但在用齒輪箱潤滑油鐵元素含量始終遠低于標準限值,表明齒輪箱中含有鐵元素的齒輪、滾動軸承等存在輕微的運動磨損。

圖4 各抽樣點齒輪箱潤滑油鐵元素含量變化趨勢

GB/T 30034—2013中要求在用齒輪箱潤滑油銅元素含量限值為不高于100 mg/kg。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油銅元素含量隨車輛運行里程的變化趨勢如圖5所示。由圖5可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油銅元素含量隨運行里程的增大總體呈緩慢上升趨勢,但在用齒輪箱潤滑油銅元素含量始終遠低于標準限值,表明齒輪箱中含有銅元素的保持架及相關墊片存在輕微的運動磨損。

圖5 各抽樣點齒輪箱潤滑油銅元素含量變化趨勢

5.3 添加劑元素含量

在齒輪箱潤滑油中添加極壓抗磨添加劑,可以提高極壓抗磨性能。極壓抗磨添加劑主要含有磷、鋅、鈣、鎂等元素,通常采用磷元素含量評估齒輪箱潤滑油添加劑的消耗量。GB/T 30034—2013中未對齒輪箱潤滑油磷元素含量進行限定。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油磷元素含量隨車輛運行里程的變化趨勢如圖6所示。由圖6可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油磷元素含量隨運行里程的增大總體變化趨勢不大,表明在用齒輪箱潤滑油添加劑未出現明顯的氧化消耗。

圖6 各抽樣點齒輪箱潤滑油磷元素含量變化趨勢

5.4 污染物元素含量

城市軌道交通車輛齒輪箱的污染源主要有水分、粉塵等,通常采用水分含量及硅元素含量來評估齒輪箱的密封性能。水分含量超標,會加速齒輪箱潤滑油氧化,甚至引起油品乳化,進而引起齒輪箱內部零部件腐蝕,嚴重影響齒輪箱潤滑油的潤滑性能和使用壽命。粉塵等固體顆粒侵入齒輪接觸區域或者軸承間隙內,將會引起摩擦接觸面磨粒磨損,嚴重影響齒輪箱的使用壽命。

GB/T 30034—2013中要求在用齒輪箱潤滑油水分質量分數低于0.5%。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油水分質量分數均小于0.003%,遠低于標準限值,表明齒輪箱潤滑系統密封性能良好,基本不存在外界水分侵入。

GB/T 30034—2013中未對齒輪箱潤滑油硅元素含量進行限定。各抽樣點在用齒輪箱潤滑油硅元素含量隨車輛運行里程的變化趨勢如圖7所示。由圖7可知,各抽樣點在用齒輪箱潤滑油硅元素含量隨運行里程的增大總體變化趨勢很小,表明齒輪箱潤滑系統密封性能良好,基本不存在外界粉塵顆粒侵入。

圖7 各抽樣點齒輪箱潤滑油硅元素含量變化趨勢

5.5 油品腐蝕

GB/T 7304—2014《石油產品酸值的測定 電位滴定法》中要求采用酸值作為潤滑油報廢指標,通過實際應用情況綜合判斷。為探究在在用齒輪箱潤滑油各項理化性能指標均正常的情況下,酸值略有偏高是否會加速齒輪箱零部件的腐蝕,采用銅片腐蝕試驗方法評價齒輪箱潤滑油產生銅腐蝕的相對程度。根據GB/T 5096—2017《石油產品銅片腐蝕試驗法》要求,將試樣銅片浸沒在不同酸值的齒輪箱潤滑油試管中,將試管浸入到齒輪箱潤滑油實際運用溫度85 ℃、標準推薦試驗溫度100 ℃、更高試驗溫度150 ℃的油浴中放置3 h,取出試樣銅片,經洗滌后干燥,再與腐蝕標準色板進行對比,根據試樣銅片的變色情況判定在用齒輪箱潤滑油的腐蝕級別。

在用齒輪箱潤滑油銅片腐蝕試驗結果見表2。由表2可知,在85 ℃下,不同酸值的在用齒輪箱潤滑油銅片腐蝕等級均為輕度變色1b;在100 ℃下,不同酸值的在用齒輪箱潤滑油銅片腐蝕等級為輕度變色1b或中度變色2b;在150 ℃下,不同酸值的在用齒輪箱潤滑油銅片腐蝕等級均為中度變色2c。試驗結果表明,未發現銅片腐蝕等級與齒輪箱潤滑油的酸值存在相關性。

表2 齒輪箱潤滑油銅片腐蝕試驗結果

5.6 油品清潔度

齒輪、滾動軸承等磨損產生的顆粒物一般沉在底部油層,采用100倍顯微鏡對底部油層進行定性檢查。顯微鏡檢查結果表明,底部油層中有少量正常磨粒,無固體金屬顆粒物,油品清潔度良好。將底部油品放在離心機上,轉速為21 000 r/min,時間為90 min,分離出油品中的固體鐵顆粒。結果表明,離心管底部存在少量沉淀物,即油品中的氧化產物,無固體金屬顆粒物。分別在離心前后測量油品中鐵元素含量,見表3。分析可知,離心前后油品中鐵元素含量無明顯變化,表明油品中鐵元素基本是溶解在油品中,而不是懸浮在油品中。

表3 油品中鐵元素含量

6 齒輪箱內部檢查

工業內窺鏡可以探查到城市軌道交通車輛齒輪箱內部零部件的表面狀態,通過獲取齒輪箱內部齒輪、齒面、軸承等表面高清圖像,可以綜合評判齒輪箱內部磨損、腐蝕情況。齒輪箱內部零部件表面圖像如圖8所示。由圖8可知,齒輪箱內部大齒輪、小齒輪、中間齒輪、軸承保持架等表面潤滑狀態良好,齒輪齒面未出現點蝕、剝落、黏著、裂紋等異?，F象,軸承保持架表面也未出現磨損、擦傷、剝落等異?，F象。齒輪箱內部各零部件未見異常磨損,表明齒輪箱潤滑系統狀態良好。

圖8 齒輪箱內部零部件表面圖像

7 結束語

通過對城市軌道交通車輛齒輪箱潤滑油運行狀態進行分析,齒輪箱潤滑系統密封良好,無外界粉塵粒子、水分等侵入。

齒輪箱潤滑油在使用40.1萬km后,各項理化性能指標均在標準限值內,添加劑未出現明顯的氧化消耗,底部油品清潔度良好。齒輪箱潤滑油在使用40.1萬km后,齒輪箱內部各零部件未見異常磨損,齒輪箱潤滑系統狀態良好。

齒輪箱潤滑油在實際運行工況下,酸值小幅超出標準建議限值,其它各項指標均在標準限值內,不會加劇齒輪箱內部含銅部件的腐蝕,也不會引起銅元素含量異常升高,齒輪箱潤滑油仍可繼續使用。