75W-90和諧電力機(jī)車齒輪油的研制

黃蕓琪 廖豐斌 李小剛 周建強(qiáng) 李靈威

1 中國(guó)石油上海潤(rùn)滑油產(chǎn)品設(shè)計(jì)分公司

2 中國(guó)石油昆侖潤(rùn)滑檢測(cè)評(píng)定中心

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)輸需求也隨之增加，對(duì)運(yùn)輸快捷性的需求也越來(lái)越高，由此帶來(lái)了電氣化線路的擴(kuò)張和電力機(jī)車的快速發(fā)展?！昂椭C號(hào)”機(jī)車由此成為中國(guó)高速鐵路發(fā)展的核心力量。

齒輪箱作為軌道交通車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，用于將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳遞到輪對(duì)上，驅(qū)動(dòng)列車行駛，它的性能直接決定軌道通車的動(dòng)力性和安全性[1]。由于機(jī)車車輛運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，齒輪箱易受外部環(huán)境的影響，機(jī)車車輛又常常在高速度、重載荷下連續(xù)工作，導(dǎo)致故障率相對(duì)較高。

機(jī)車齒輪箱主要由齒輪、軸承、軸箱體、緊固件和密封件等部件組成[2]，各部件的失效比例見(jiàn)表1。

表1 齒輪箱失效部位比例

齒輪箱失效部位比例最高的是齒輪和軸承，而齒輪的常見(jiàn)故障有磨損、點(diǎn)蝕、膠合、斷齒等，軸承的常見(jiàn)故障有疲勞損傷、膠合、腐蝕等。齒輪油在箱體中同時(shí)潤(rùn)滑齒輪和軸承，油品的性能優(yōu)劣直接影響齒輪箱的故障發(fā)生程度和故障率[3]。

HXD3C機(jī)車是中車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司自主研發(fā)的新型大功率交流傳動(dòng)客貨通用電力機(jī)車。該機(jī)車在平直道可單機(jī)牽引5 000 t貨物列車以120 km/h速度運(yùn)行[4]。HXD3C型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架行走的動(dòng)力裝置, 是機(jī)車走行部的核心部件, 主要包括滾動(dòng)抱軸箱裝配、齒輪箱箱體、主從動(dòng)齒輪等部分[5]?，F(xiàn)在普遍采用EN 10084標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼材料制造牽引齒輪，用滲碳淬火工藝進(jìn)行齒面硬化，提高了齒輪的強(qiáng)度、齒面的耐磨性和抗點(diǎn)蝕能力。齒輪選擇斜齒輪，有利于齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性并降低傳動(dòng)噪聲，小齒輪內(nèi)孔通過(guò)過(guò)盈套裝在牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，大齒輪為整體鍛造式結(jié)構(gòu)過(guò)盈套裝在車軸上[6]。HXD3C機(jī)車參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 HXD3C機(jī)車參數(shù)[7]

供圖/黃蕓琪

為保證機(jī)車運(yùn)行安全，要求油品在高速?zèng)_擊和高扭矩等苛刻條件下仍具有良好的極壓抗磨性、承載能力和抗點(diǎn)蝕性能；齒輪箱正常運(yùn)行油溫為90 ℃左右，齒面瞬間溫度可能達(dá)到120 ℃，為保障油品能夠滿足電力機(jī)車運(yùn)營(yíng)維修要求的換油周期，要求油品具有良好的氧化安定性；此外考慮到HXD3C型電力機(jī)車在全國(guó)各路局具有配屬且運(yùn)營(yíng)線路跨度大，要求油品在-30 ℃的極寒條件下仍能為齒輪和軸承提供良好保護(hù)，為此要求油品具有優(yōu)異的黏溫特性和低溫流動(dòng)性。

本文通過(guò)對(duì)HXD3C型電力機(jī)車運(yùn)行工況開(kāi)展調(diào)研，并對(duì)HXN3型鐵路機(jī)車在用國(guó)外油品進(jìn)行分析，結(jié)合HXD3C型電力機(jī)車運(yùn)行工況和在用油的性能特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室理化性能及臺(tái)架試驗(yàn)的考察，最終成功研制出滿足HXD3C型電力機(jī)車潤(rùn)滑需求的75W-90和諧電力機(jī)車齒輪油，產(chǎn)品性能與國(guó)外油品相當(dāng)。

參比油分析及研制產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定

通過(guò)對(duì)HXD3C型電力機(jī)車齒輪箱用油進(jìn)行調(diào)研，該車型齒輪箱潤(rùn)滑采用75W-90黏度級(jí)別車輛齒輪油，該產(chǎn)品滿足API GL-5/MT-1規(guī)格，是一款合成型高性能長(zhǎng)壽命齒輪油，可以滿足電力機(jī)車高載荷、高速的工況，同時(shí)換油周期達(dá)到電力機(jī)車運(yùn)營(yíng)要求的20萬(wàn)km以上，參比油分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 參比油分析數(shù)據(jù)

由參比油分析數(shù)據(jù)可見(jiàn)，該產(chǎn)品在具有優(yōu)異的極壓抗磨性和承載能力的同時(shí)，還具備良好的防銹防腐性，此外油品的換油周期為20萬(wàn)km，要求油品有良好的氧化安定性。

參考參比油的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬定了所研制的75W-90和諧電力機(jī)車齒輪油的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表4。

表4 75W-90和諧電力機(jī)車齒輪油技術(shù)指標(biāo)

油品研制

基礎(chǔ)油選擇

根據(jù)對(duì)參比油的理化分析結(jié)果，選擇采用合成型基礎(chǔ)油方案。合成油基礎(chǔ)油具有黏度指數(shù)高、傾點(diǎn)低、閃點(diǎn)高、氧化安定性好、蒸發(fā)損失小等特點(diǎn)，可以滿足高性能齒輪油的需要。采用單一種類PAO可能造成添加劑溶解性不足，進(jìn)而影響油品的使用性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性，因此通過(guò)采用PAO與多元醇酯或烷基萘的復(fù)配，以提高基礎(chǔ)油的溶解性，從而滿足油品對(duì)基礎(chǔ)油的特殊要求。基礎(chǔ)油篩選方案見(jiàn)表5。

表5 基礎(chǔ)油方案篩選

從表5可以看出，GO-1的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度與競(jìng)品黏度最為接近，同時(shí)-40 ℃低溫表觀黏度測(cè)試值較低，與參比油數(shù)據(jù)相比具有優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合劑及其加劑量選擇

結(jié)合油品使用工況和競(jìng)品信息，借鑒前期滿足API GL-5/MT-1規(guī)格車輛齒輪油研究基礎(chǔ)，在GO-1基礎(chǔ)油方案基礎(chǔ)上，復(fù)合劑選用RHY4209A[8]，該復(fù)合劑在兼顧極壓抗磨性的同時(shí)，具備良好的摩擦特性，復(fù)合劑加劑量篩選見(jiàn)表6。

表6 復(fù)合劑加劑量篩選

由表6數(shù)據(jù)可見(jiàn)，復(fù)合劑加劑量為b%時(shí)，油品極壓抗磨性能與競(jìng)品相當(dāng)，同時(shí)在氧化安定性評(píng)價(jià)中，能夠通過(guò)強(qiáng)化版的L-60-1臺(tái)架試驗(yàn)。此外，2個(gè)方案的銅片腐蝕數(shù)據(jù)均達(dá)不到參比油水平，因此在GO-4方案基礎(chǔ)上對(duì)油品防腐蝕性能開(kāi)展進(jìn)一步優(yōu)化。

銅腐蝕抑制劑篩選

一般認(rèn)為，潤(rùn)滑油中的活性硫或在使用過(guò)程中產(chǎn)生的活性硫是造成銅腐蝕的主要原因。潤(rùn)滑油中的硫元素主要來(lái)自含硫的添加劑，包括：含硫抗氧劑，如ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)等；含硫清凈劑，如硫化烷基酚鹽、磺酸鹽等；含硫極壓抗磨劑等。此外，基礎(chǔ)油中也含有少量的有機(jī)硫化物。潤(rùn)滑油中可以通過(guò)添加銅腐蝕抑制劑改善油品的防腐蝕性能。銅腐蝕抑制劑的作用機(jī)理有兩種，一種為成膜型，即在金屬表面形成化學(xué)膜，阻止金屬及其離子進(jìn)入油中；另一種是絡(luò)合作用，金屬鈍化劑能與金屬離子絡(luò)合，對(duì)金屬離子產(chǎn)生掩蔽作用。選用目前常用的3種不同類型金屬鈍化劑，考察其在既有配方中的作用效果，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 金屬鈍化劑篩選試驗(yàn)

由表7可以看出，加入金屬鈍化劑后油品的銅片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均有提高，但同等加劑量條件下，加入苯三唑型金屬鈍化劑和雜環(huán)化合物型金屬鈍化劑的油樣銅片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果不能達(dá)到質(zhì)量指標(biāo)要求，加入噻二唑型金屬鈍化劑的油樣與參比油結(jié)果相當(dāng)，因此在配方中引入該類型金屬鈍化劑。

研制油品性能對(duì)比

確認(rèn)油品配方后，對(duì)油品各項(xiàng)性能進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 研制的75W-90鐵路機(jī)車齒輪油實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從表8可以看出，研制的75W-90鐵路機(jī)車齒輪油具有優(yōu)異的熱氧化安定性、極壓抗磨性、黏溫特性、低溫流動(dòng)性、抗泡性等。與國(guó)外油品相比，具有更為優(yōu)異的抗磨性能、防腐蝕性能，其余各項(xiàng)理化性能和國(guó)外油品基本相當(dāng)。

應(yīng)用試驗(yàn)

研制的75W-90鐵路機(jī)車齒輪油在HXD3C機(jī)車開(kāi)展了200 Mm（20萬(wàn)km）行車試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的75W-90鐵路機(jī)車齒輪油具有優(yōu)異的極壓抗磨性能、良好的抗氧化性能及良好的摩擦特性，完全能夠滿足HXD3C機(jī)車齒輪箱200 Mm（20萬(wàn)km）行駛里程的潤(rùn)滑要求。

結(jié)論

☆采用PAO為主要基礎(chǔ)油以及昆侖RHY4209A復(fù)合劑研制了75W-90和諧電力機(jī)車齒輪油。

☆昆侖RHY4209A以特定劑量加入可以在保證油品的極壓抗磨性能和承載能力的同時(shí)保證油品有優(yōu)異的氧化安定性，但對(duì)油品的銅片腐蝕性能有一定的影響，而引入噻二唑型金屬鈍化劑可以進(jìn)行復(fù)配并起到協(xié)同效應(yīng)，從而降低油品對(duì)銅片的腐蝕。

☆四球極壓、長(zhǎng)周期銅腐蝕試驗(yàn)以及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，研制油品在極壓性能、防腐性和承載能力等方面均表現(xiàn)出優(yōu)于或等同于參比油的優(yōu)勢(shì)，完成了HXD3C機(jī)車200 Mm（20萬(wàn)km）行車試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證研制的75W-90和諧電力機(jī)車齒輪油能夠滿足機(jī)車安全運(yùn)營(yíng)的潤(rùn)滑需求。