CRH2A型動車組齒輪箱潤滑油發黑的原因分析與改進措施

陳國防

(中國鐵路武漢局集團有限公司 湖北 武漢 430071)

動車組齒輪箱為牽引驅動系統關鍵零部件，主要作用是將電機扭矩放大，并傳輸給車軸進而帶動車輪轉動，齒輪箱的質量直接關系到動車組的正常安全運營。齒輪和各軸承的潤滑均使用相同的潤滑油，采取大齒輪旋轉帶動的飛濺潤滑方式進行潤滑，齒輪箱潤滑油的狀態變化與各種參數的影響得到了廣泛的關注與研究，如潘元青等[1]對高速鐵路機車潤滑油要求進行了研究，李光裕等[2]分析了高鐵齒輪箱潤滑失效模式及判定方法。潤滑油發黑一般為運行過程中粉塵等雜質進入潤滑油后產生，發黑的潤滑油中所含有的粉塵，會加重齒輪和軸承的磨損，對動車組的可靠性產生影響。發現齒輪箱潤滑油發黑嚴重的現象，需要及時更換潤滑油，增加了工作量和成本。采取有效的措施，防止或減少潤滑油發黑現象的發生，對保障動車安全運營、降低成本、提高效率具有積極的意義。

1 潤滑油發黑外部表象與運行環境

在CRH2A型動車組運用中，發現有齒輪箱潤滑油發黑的現象(見圖1)。對發生潤滑油發黑現象的動車組運用季節、天氣及配屬路局進行調查，通過調查統計發現，潤滑油發黑現象主要發生在冬季和春季，沙塵較大的天氣，北方路局比南方路局多。

圖1 齒輪箱潤滑油狀態對比

1.1 原因分析

發現該問題后，對齒輪箱進行分解檢查與分析。根據前期的經驗，主要有以下幾個可能的原因：齒輪箱接地碳刷磨耗粉從GM側密封處進入齒輪箱內部；橡膠密封圈磨損進入齒輪箱內部；通氣裝置防塵能力下降，導致粉塵進入齒輪箱內部；粉塵從GM或GW側密封圈進入齒輪箱內部；潤滑油在運行過程中變質導致發黑等。下文從分解檢查、潤滑油及油泥等物成分檢測、設計結構分析等三個方面分析潤滑油發黑的原因，并提出改進建議。

1.1.1分解檢查

分解潤滑油發黑的齒輪箱，發現GW側密封圈處油泥較多，齒輪、軸承表面狀態整體良好，齒輪箱內未發現組裝異物等(見圖2)，排除生產過程中進入異物而造成潤滑油發黑的可能，外觀檢查可推斷，沙塵有從GW側進入齒輪箱的可能性。

圖2 齒輪箱GW側端蓋分解檢查狀態

1.1.2潤滑油與油泥等物成分分析

為了找尋潤滑油發黑的原因，明確發黑潤滑油是否變質以及潤滑油中不溶物的成分及來源，進行了以下各項分析與對比。

(1)潤滑油、密封圈、油泥粉塵等成分分析

對新品潤滑油、發黑潤滑油、密封圈、油泥以及粉塵進行成分分析與對比，主要統計分析樣品中的鐵、銅、硅、鈣、鎂、硼、磷、鋇等元素，如表1所示。

表1 元素測試結果 /ppm

通過對上述發黑潤滑油樣品的成分分析，發黑潤滑油中的鐵、硅、鈣元素含量明顯增加，硼元素有所降低。同時，在密封圈外部的粉塵中，檢測到大量的銅和鐵元素。

(2)新舊潤滑油能譜分析

對新品潤滑油和發黑潤滑油進行紅外光譜分析，未見有機污染與明顯變質的情況，可排除潤滑油受有機污染變質而發黑的可能。

(3)不溶物元素質量分數測定

選取樣品，對提取出來的不溶物以及密封圈橡膠和碳粉進行電鏡能譜分析，具體檢測數據如表2所示。

表2 樣品電鏡能譜分析元素質量分數 /%

在樣品檢測中，發現有密封圈橡膠的特征元素F，但含量很低，三個樣品的氧、鐵、硅、碳成分較高。因接地碳刷為銅碳粉末合金，銅成分較高，碳粉的檢測可得出其來自接地碳刷的可能性較小。

1.2 成分分析結論

通過對新品潤滑油、發黑潤滑油、密封圈外部粉塵、油泥等成分分析和新舊潤滑油的能譜分析，可得出潤滑油未受到有機污染和變質的結論；發黑潤滑油中不溶物的Cu成分不高，接地碳刷中銅含量超過50%，如不溶物是來自接地碳刷，銅成分會較高，故判斷潤滑油未受到接地碳刷磨耗物的污染。潤滑油發黑的不溶物，硅和鈣成分較高，說明潤滑油不溶物有來自外界的粉塵顆粒。不溶物中含有一定量的氟元素，表明少量的橡膠進入了潤滑油中，但成分很低，故橡膠顆粒不是造成潤滑油發黑的主要原因。發黑嚴重的潤滑油不溶物中的鐵成分較高，其來源為齒輪箱內部異常磨損所產生的磨屑。

2 設計結構分析

2.1 齒輪箱結構

動車組齒輪箱采用鋁合金一體式箱體、大小端圓錐滾子軸承、“迷宮+接觸式”的組合密封結構等，同時配有通氣裝置，潤滑方式采用潤滑油飛濺式潤滑，齒輪箱高速運轉時，潤滑油被急速攪拌，箱體內部形成油氣混合狀態，且壓力隨溫度升高而逐漸增大，正常情況下，箱體內外壓力通過通氣裝置保持平衡，如圖3所示。

(a)外部結構(b)GW側密封及雨水沙塵運行軌跡圖3 齒輪箱結構

對結構進行分析，齒輪箱GW側密封(與車軸卸荷槽)存在小凸懸結構，線路雨雪沙塵較大工況下，水或粉塵可能通過該處進入齒輪箱內部。

2.2 結構分析結論

齒輪箱臨近車輪/制動盤，高速旋轉時，制動盤相當于一個風箱，故此處沙塵較大；雨雪天氣下，制動盤冰雪融水或車輪卷起泥水。綜上，配合車軸的高速旋轉，使得水或沙塵順著車軸卸荷槽的圓弧在離心力作用下逐漸聚集在GW側密封凸懸處(如無凸懸，則順著密封蓋表面流走)，密封蓋與車軸為一靜一動配合，在車軸旋轉作用下使得粉塵更易于順著迷宮間隙進入密封圈，積聚到一定程度即通過回油孔進入齒輪箱內部。粉塵進入齒輪箱內，有加重齒輪箱磨損的可能，從而產品含鐵成分高的不溶物。因此，粉塵通過密封圈進入齒輪箱潤滑油中，是潤滑油發黑的主要原因。

3 改善措施

3.1 措施的制定

根據潤滑油發黑的機理和結論，潤滑油發黑主要為粉塵通過密封圈進入齒輪箱內部所造成，因此，對齒輪箱擋油環及端蓋進行優化(見圖4)。改善后的結構，既增加了密封性能，又改善了齒輪箱端蓋的外部結構，有效減少了沙塵在此處的聚集。

圖4 齒輪箱擋油環及端蓋優化前后對比

3.2 臺架試驗驗證

根據試驗規程，模擬實際工況，對齒輪箱進行臺架淋水噴砂對比試驗，先正轉后反轉，各進行 5 次循環。每次試驗前以最高轉速運轉齒輪箱至油溫達到 65 ℃～70 ℃后取 50 mL的油樣。每次正反轉后各取 50 mL 的油樣。噴砂試驗在勻速運行的 3 min內噴砂，共 5 次，如圖5所示。對試驗完成后的潤滑油進行對比分析，如圖6所示。結果顯示：優化后齒輪箱擋圈處粉塵聚集效果明顯降低，潤滑油發黑現象改善明顯。

圖5 臺架試驗

圖6 潤滑油試驗前后對比

改善前的動車組齒輪箱噴砂完畢后，油樣明顯發黑，發黑油樣中鐵、硅元素顯著增加，沙塵已通過 GW 側密封結構進入潤滑油中。GW 蓋拆解結果顯示，軸承座與 GW 蓋內集聚了大量沙塵，故此結構防沙性能較差。改進后，動車組齒輪箱 GW 側密封改進結構的防沙性能相比原結構有了明顯提高，GW 側進沙量明顯減少，潤滑油無發黑現象，潤滑油成分檢測結果正常。

4 結論

CRH2A型動車組齒輪箱潤滑油發黑的主要原因為粉塵通過擋油環處進入齒輪箱內部所造成。因此，對擋油環及端蓋進行優化，密封效果得到明顯提升。臺架試驗中，優化后的結構對降低潤滑油發黑的效果明顯。對已經裝車的齒輪箱，在四、五級修時進行改進后，此類質量問題發生概率明顯下降，說明齒輪箱擋油環及端蓋優化措施可有效降低齒輪箱潤滑油發黑現象。