高速列車齒輪箱潤滑油發黑問題研究與優化

張朝前，于大海，林國帥

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

隨著高鐵線路開通數量日益增多，線路里程越來越長，各種復雜嚴苛的運營工況亦隨之而來。轉向架齒輪箱作為傳遞高速列車牽引動力的關鍵單元，通常也是風險最高的部件之一，在運用過程中或發生潤滑油發黑現象。通常來說發黑只是一種表象，根本原因可能是潤滑油變質或者齒輪箱內部的旋轉部件異常磨損或其他原因［1］，問題如不盡早解決將導致齒輪箱使用壽命縮短，甚至引起齒輪接觸疲勞及軸承燒損等嚴重故障，引發高鐵運用安全事故。自高鐵開通以來，各型動車組基本都發生過潤滑油發黑故障，其中某型動車組配屬于多個鐵路局應用，但僅部分鐵路局發生齒輪箱潤滑油發黑現象，換油后一段時間再次發生變色甚至發黑現象，軸溫報警系統顯示齒輪箱軸承溫度正常。以此問題為典型，通過深入調查確定發黑原因提出解決方案并引發相關思考。

1 齒輪箱結構及試驗簡介

齒輪箱作為高速列車的核心部件之一，主結構采用鋁合金箱體、圓柱滾子軸承及球軸承、一級斜齒輪傳動，大小端密封結構均采用金屬迷宮+接觸式組合密封，齒輪箱上部設置帶有呼氣功能的通氣裝置以平衡齒輪箱運轉時內外氣壓變化［2］，潤滑油采用GL-5質量等級的合成潤滑油，齒輪箱帶有接地裝置（內含接地電刷）以導通牽引變壓器工作回流。齒輪箱裝車前經過大量的臺架試驗考核，如高低溫試驗、運轉溫升平衡試驗、淋雨試驗等，并進行了長時間的線路試驗，狀態良好，未發生潤滑油批量乳化現象，齒輪箱結構如圖1所示。

圖1 齒輪箱結構

2 原因分析

2.1 潤滑油化驗分析

為確保發黑原因定位準確，抽取發黑潤滑油與正常潤滑油以及新品潤滑油送至多家第三方檢測單位進行對比化驗分析，通過采取PQ指數、光譜、鐵譜和光學顯微分析等多種檢測方法，顯示發黑潤滑油黏度未發生明顯變化；水含量正常；油中除含有較高的鐵元素外，還包含硅、鈣、鎂、鋇以及少量氟等污染元素，硼、硫元素（潤滑油添加劑中的主要元素）相對較少；油品過濾后的光譜分析結果表明發黑潤滑油基本沒有氧化；潤滑油中的不溶物包括鐵磁性顆粒及腐蝕性磨損顆粒，是引起發黑的主因。通過化驗，一是排除了潤滑油自身質量問題；二是表明齒輪箱內部的軸承或齒輪磨損；三是證明潤滑油存在被外界沙塵污染的可能性。

2.2 全面調查

為深入分析潤滑油發黑污染源，從齒輪箱設計結構、內部零部件產品質量、線路運用環境、檢修維護方法等方面逐一分析排查，并對齒輪箱進行分解精密調查。

（1）齒輪箱設計結構。齒輪箱內部與外界連通的部位共有4處，一是通氣裝置；二是PM側密封結構；三是GM側密封結構；四是GW側密封結構。此4處均為成熟設計結構，在其余項目齒輪箱上大量應用。除了尺寸略有差異，較大的差異點是GW側密封結構處與車軸配合部位略有不同，結構詳細對比如圖2所示。

圖2 齒輪箱GW側密封結構

注：PM-小齒輪電機側軸承，GM-大齒輪電機側軸承，GW-大齒輪車輪側軸承。

（2）產品質量。軸承采用成熟型號，齒輪材料及制造工藝較既有產品未發生變化，供貨質量一直較為穩定。

（3）線路環境。對該型動車組齒輪箱在全路的運用情況統一調研，潤滑油發黑現象較多存在于沙塵較大的新開通線路，拆解通氣裝置檢查發現填充物較臟。調研期間適逢該型動車組在某局管路內遭遇大雪天氣，轉向架區域積雪嚴重，部分齒輪箱潤滑油乳化，拆解通氣裝置發現部分存在水跡。

（4）運用維護。鐵路局在停車庫內對車輛檢修時，不存在用水直接沖洗齒輪箱的情況，也沒有其他不符合規范的操作。

（5）精密調查。選取潤滑油發黑齒輪箱下車分解，調查結果顯示齒輪、軸承表面狀態未見明顯異常，金屬迷宮密封未發生異常磨損，齒輪箱內亦未發現組裝異物，通氣裝置填充物有沙塵，GW側密封處油泥較多，PM側及GM側密封處較為干凈。將油泥、接地電刷及其磨耗粉、橡膠密封圈及其內部涂抹的潤滑脂、通氣裝置填充物進行化驗，結果顯示油泥中含有大量硅、鈣、鎂、鋇、硼、硫等元素，填充物中硅、鈣元素含量相對較低，潤滑脂中含有大量鋇元素，橡膠密封圈主要含氟元素，接地電刷主要為銅元素。將化驗結果與發黑潤滑油檢測結果進行對比分析，表明電刷磨耗的碳粉未進入齒輪箱內部（潤滑油中銅含量較低）。

2.3 發黑原因及機理分析

通過調查，基本排除齒輪箱內部零部件異常磨損導致發黑的可能性，確定發黑主要是由外界污染物沙塵引起，且可排除從PM側及GM側密封進入齒輪箱的可能，判斷沙塵從通氣裝置進入齒輪箱的概率較小，從GW側密封處進入概率較大。鑒于此，同步采取幾項驗證措施，一是對齒輪箱通氣裝置包裹后進行線路運行，如圖3所示；二是選取既有成熟項目和該項目齒輪箱在試驗臺進行對比試驗驗證，對輪箱通氣裝置開展冰雪堆積試驗、對GW側密封處開展淋水及噴沙試驗（輪對旋轉以模擬現車運用狀態如圖4、圖5所示）。線路試驗結果表明通氣裝置包裹后仍存在潤滑油變黑或乳化現象；臺架試驗結果表明通氣裝置積雪狀態下未發生潤滑油乳化現象，該項目齒輪箱GW側密封結構在淋水試驗后發生潤滑油乳化現象，噴沙試驗后發生潤滑油變色現象。

圖3 通氣裝置包裹線路運用

圖4 臺架淋水試驗

圖5 臺架噴沙試驗

綜上，確定潤滑油發黑或乳化原因為：線路沙塵較大或大雪天氣下，沙塵（極細小）或積雪融水通過齒輪箱GW側密封處（密封蓋與車軸卸荷槽形成的小突懸結構）進入齒輪箱內部，導致潤滑油變色。

沙塵或積雪融水進入齒輪箱機理分析：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（乳化是由于大雪天氣下，齒輪箱及制動盤冰雪融水），配合車軸的高速旋轉，使得沙塵沿著車軸卸荷槽的圓弧在離心力作用下逐漸聚集在齒輪箱GW側密封突懸處（如無突懸，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沙塵更易于順著迷宮間隙進入密封圈，致使氟橡膠密封圈輕微磨損，沙塵積聚到一定程度會連同密封唇內的潤滑脂通過齒輪箱軸承蓋上的回油孔逐漸進入齒輪箱內部，如圖6所示。

圖6 齒輪箱GW側密封結構沙塵雨雪運動軌跡示意

潤滑油發黑機理：極細小的沙塵混到潤滑油中，加劇了齒輪或者軸承的磨損，生成較多的小尺寸鐵磁性顆粒（15μm以下，有金屬光澤，屬于物理磨損），在齒輪副嚙合的瞬間，這些鐵磁性顆粒和潤滑油中的添加劑在高溫作用下與齒輪表面發生化學反應，生成大量腐蝕磨損顆粒（尺寸多在2μm及以下的鐵化合物，無磁性，無金屬光澤），沙塵與此2種磨損顆粒引起潤滑油逐漸發黑不透明。（注：基于潤滑油的特性，沙塵導致發黑是個緩慢過程，冰雪導致乳化一般為短時間發生。）

3 優化方案

對齒輪箱GW側密封結構進行優化，提出3種方案，如圖7所示。

圖7 齒輪箱GW側密封結構優化方案

方案比選：方案1是對擋油環及密封蓋均優化，結構可靠，但既有齒輪箱改造需要更換擋油環；方案2是增加防水擋圈、優化密封蓋，操作便捷，但防水擋圈組裝可靠性待運用考核，長期運用有松脫風險；方案3是增加防水用摩擦環、優化密封蓋，改動較小，操作便捷，但摩擦環疲勞可靠性待驗證。3個方案均通過臺架淋水試驗驗證，防水效果良好，其中方案1還完成了噴沙試驗，防沙塵效果良好。基于可靠性考慮，優選方案1。另外，考慮到個別線路冬季大雪天氣較多，對密封蓋空腔下部增加一個螺紋排水孔并采用螺栓臨時封堵，可根據運用情況決定是否打開排水孔。按照優化結構改造后的齒輪箱上線運用考核未再發生潤滑油發黑或乳化現象，表明改造效果良好，后續批量動車組均執行了此優化方案。

此外，根據不同線路運用的大批量齒輪箱潤滑油定期抽檢結果以及發黑或乳化潤滑油檢驗結果，優化了潤滑油失效評判標準，重點對鐵含量限度進行優化，采取預判、預警、報警3個等級，每個等級對應的處理措施不同，為動車組齒輪箱更加科學合理的運用提供了指導依據。

4 結束語

（1）同一結構齒輪箱，在某些線路應用成熟，但更換線路后（包括氣候條件的變化）出現問題是由于齒輪箱密封結構設計不適用線路運用導致，且產品設計階段的臺架試驗驗證不足以完全模擬線路及氣候條件運營工況，原因一方面是由于認知不足，另一方面是由于線路及氣候條件模擬較為困難。該項目齒輪箱前期在試驗臺上也做了淋雨試驗，但只是做了靜態試驗，未考慮到輪對旋轉狀態下的動靜密封匹配問題；防沙塵模擬試驗最初認為無法實現。

（2）為提高故障解決效率，避免重復解決，首先要保證故障原因定位準確，調查方法要全面細致。該項目在原因確定的過程中，首先采取油品化驗分析，其次從設計結構、產品質量、運用環境、檢修維護及分解檢查多方面調查，采取線路考核及臺架試驗驗證進行原因鎖定，在關鍵環節采取了對比驗證方法。

（3）隨著高鐵運行里程增加，前期動車組齒輪箱出現過箱體裂紋、軸承燒損、潤滑油滲漏、包括潤滑油發黑或乳化等故障，經過調查分析均有效解決。問題更多體現在產品與運營工況之間的匹配方面，即車線耦合問題。除了傳統的弓網耦合、輪軌耦合、流固耦合等需要持續研究外，環境耦合、機電耦合等亦需要開展深入研究，從設計方法及試驗驗證等方面進一步提高產品運行安全性及可靠性。