地鐵車輛全合成潤滑油劣化分析及使用壽命研究

曾隆隆

(廣州地鐵集團有限公司運營事業總部 廣東 廣州 510900)

地鐵車輛齒輪箱換油主要有預防性換油和定期換油2種傳統方案，2種方案都存在各自的缺陷。科學合理的潤滑油更換周期是以保障齒輪箱潤滑油性能狀態良好為前提，并綜合考慮潤滑系統的運行工況、運行環境、潤滑方式、潤滑油的類型與品牌型號以及長期的數據與經驗積累[1-2]。

1 潤滑油維護現狀

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，設備制造商要求每1年或運營15萬km(以先到為準)更換齒輪箱潤滑油[3]。齒輪油在更換時外觀狀態良好，透明均一、無分層、底部無明顯雜質，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、工業內窺鏡、顯微鏡圖像解析自動計數法等技術手段，分析全合成齒輪箱潤滑油在不同運營里程下的理化指標劣化情況、齒輪油清潔度、系統磨損情況和齒輪系統潤滑狀態。在確保齒輪油理化指標合格、齒輪油清潔度良好、齒輪和軸承無異常磨損、設備潤滑狀態良好的前提下，適當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《重負荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標》中的換油指標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、添加元素、污染元素、磨損金屬元素等，換油指標主要有100 ℃運動黏度變化率、水分、酸值變化值、鐵元素質量分數、銅元素質量分數等[4]。

2.2 油品取樣

選取某在線運營列車開展齒輪油油品試驗跟蹤，從運營里程為15萬km(在原定的換油周期內不作換油處理)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個齒輪箱為隨機取樣點。油品取樣在齒輪油熱狀態下(回庫30 min內)進行，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，則補加同款新油。

3 檢測結果分析

3.1 理化指標分析

運動黏度是表征油品流動性能的指標，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 ℃運動黏度變化率在-15%～+10%的范圍內，新油100 ℃運動黏度為15.6 mm2/s，則齒輪油100 ℃運動黏度在13.26～17.16 mm2/s范圍內均屬正常。各取樣點齒輪油100 ℃運動黏度隨列車運營公里數的變化趨勢如圖1所示。由圖1可知，隨著列車運行里程的增大，各取樣點齒輪油100 ℃運動黏度總體變化趨勢很小，且均在標準范圍內。

圖1 各取樣點潤滑油100 ℃運動黏度變化趨勢

酸值(TAN)用于判斷基礎油的精制程度，是對成品油新油添加劑中酸性物質的度量，是判別油品使用過程中氧化變質的重要指標。GB/T 30034—2013標準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范圍內都屬正常。各取樣點齒輪箱潤滑油的酸值隨列車運營公里數的變化趨勢如圖2所示。由圖可知，隨著列車運行里程的增大，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，略超出國標參考標準。

圖2 各取樣點潤滑油酸值變化趨勢

水分是油樣中水質量分數的度量，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量分數不超出0.5%。各取樣點齒輪油中水分質量分數均小于0.003%，遠低于國標換油限值，表明齒輪箱密封良好。

3.2 磨損分析

鐵元素質量分數用于表征齒輪箱內部齒輪、滾動軸承等磨損情況。GB/T 30034—2013標準要求齒輪油中鐵元素質量分數不高于2 000 mg/kg。各取樣點齒輪油中鐵元素隨列車運營公里數的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，隨著列車運行里程的增大各取樣點齒輪油中鐵元素質量分數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量分數遠低于國標換油限值。

圖3 各取樣點潤滑油鐵元素質量分數變化趨勢

銅元素質量分數用于表征齒輪箱內部銅保持架及有關墊片等磨損情況。GB/T 30034—2013標準要求齒輪油中銅元素質量分數不高于100 mg/kg。各取樣點齒輪油中銅元素質量分數隨列車運營公里數的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，隨著列車運行里程的增大各取樣點齒輪油中銅元素質量分數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量分數遠低于換油限值。

圖4 各取樣點潤滑油銅元素質量分數變化趨勢

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，然而齒輪箱內部齒輪、滾動軸承等出現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均正常的情況，采用銅片腐蝕試驗方法評價齒輪油產生銅腐蝕的相對程度，以探究酸值偏高對齒輪箱潤滑系統的影響。按照GB/T 5096—2017《石油產品銅片腐蝕試驗法》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 ℃(標準測試方法推薦溫度)，并保持3 h，加熱周期結束時取出銅片，經洗滌后將其與銅片腐蝕標準色板進行比較，根據銅片變色情況確定腐蝕級別[5]。

銅片腐蝕試驗結果(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部含銅部件的腐蝕，也不會引起銅元素質量分數的異常升高。

表1 銅片腐蝕試驗結果

4.2 工業內窺鏡檢查

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

圖6 電機輸出減速齒輪 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

(1)全合成齒輪箱潤滑油在使用30萬km之后100 ℃運動黏度變化率、水分、鐵元素質量分數、銅元素質量分數等均在標準范圍內，油品清潔度良好，設備未見異常磨損。

(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、磨損元素質量分數均在標準范圍內，齒輪油仍可繼續使用。

(3)齒輪齒面無點蝕、剝落、黏著、裂紋等現象，軸承無異常磨損、擦傷、剝落等現象，齒輪箱內壁和油底殼內部未發現油泥等吸附物，齒輪系統潤滑狀態良好。