動車組齒輪箱潤滑油更換周期優化*

姜 陳 傅雙波 高 原

(中國鐵路上海局集團有限公司高鐵運維技術中心 上海 200071)

齒輪箱是動車組動力傳動的關鍵設備，也是動車組傳動系統中最重要的傳動環節之一，其運行狀態將直接影響整個動車組的正常工作。齒輪箱的潤滑是保障動車組運行安全的關鍵技術之一。CRH380B平臺動車組齒輪箱供應商主要有弗蘭德、采埃孚和戚墅堰，現階段使用的齒輪箱潤滑油主要是BASF(巴斯夫)生產的EMgard RW-B 75W-90重負荷車輛齒輪油，換油周期為40萬km。

目前，齒輪箱潤滑油更換是按照供應商提供的換油周期執行，缺乏對實際運用條件下齒輪箱潤滑油性能狀態變化情況的跟蹤和研究分析，容易發生潤滑油提前更換造成油脂的浪費，或發生潤滑油提前失效引發設備故障等問題。在以滿足齒輪箱潤滑油使用性能和延長齒輪箱潤滑油更換周期為目的條件下，本文作者通過選取對比車和試驗車開展齒輪箱潤滑油更換周期優化的驗證，定期對試驗車組潤滑油送檢化驗，動態分析潤滑油各項參數指標隨運行里程變化趨勢；通過建立數學模型進行預測，探索科學合理的潤滑油更換周期，對提升動車組運維管理水平、降低動車組全壽命周期內齒輪箱潤滑油更換費用有著十分重要的意義。

1 研究方法

在動車組齒輪箱實際運行工況下，外部進入的雜質和水分，以及齒輪、軸承在運行過程中產生的高溫剪切和微小金屬顆粒，都會引起潤滑油的失效[1-3]。齒輪箱潤滑油更換周期優化研究主要通過定期采集和監測對比車、試驗車油樣數據，開展潤滑油關鍵指標變化趨勢分析，擬合關鍵指標參數的變化規律曲線，根據初步確定的潤滑油判廢標準，計算出油品各關鍵指標變化至判廢標準時的運行里程，從而對齒輪箱潤滑油理論最大更換周期進行預測。

其中，對比車分別選取4列弗蘭德齒輪箱動車組、4列采埃孚齒輪箱動車組和4列戚墅堰齒輪箱動車組。對比車分別在潤滑油更換后運行10萬、20萬、30萬和40萬km時取樣送檢化驗。

試驗車組共選取18列，其中每個型號齒輪箱分別選取2列進行換油周期延長10萬km試驗和4列進行換油周期延長20萬km試驗。試驗車組分別在潤滑油更換后運行40萬、45萬、50萬、55萬和60萬km時取樣送檢化驗。

2 油樣檢測化驗數據分析

2.1 運用、檢修中動車組齒輪箱油的檢驗標準

目前，關于動車組齒輪箱潤滑油檢測化驗僅有動車組運用化驗的標準，檢測項目為反映齒輪箱內部狀態的Fe和Cu元素，具體見表1。

表1 動車組齒輪箱潤滑油檢驗標準Table 1 Gearbox lubricant inspection standard for EMU

2.2 理化性能變化規律分析

齒輪摩擦副的潤滑效果主要和潤滑油的黏度有關。潤滑油的黏度過低或過高都會影響油膜形成導致潤滑不良[4-6]。為了有效調節潤滑油的高低溫性能，75W-90黏度級別的齒輪箱油中通常加入了一定量的黏度指數改進劑，但是在齒輪摩擦的苛刻剪切工況下，大分子黏度指數改進劑通常被剪切成小分子，導致增黏作用逐漸消失，潤滑油黏度下降不利于摩擦表面油膜形成，造成齒輪磨損。同時動車組齒輪箱高速運行時產生了較多的熱量，導致潤滑油氧化而產生油泥、膠質等物質，可能會使潤滑油黏度再次回升。通過對比車、試驗車送檢油樣100 ℃運動黏度和酸值變化值隨里程分布的統計分析(見圖1)，可以看出CRH380B平臺動車組RW-B 75W-90潤滑油使用至60萬km時，100 ℃運動黏度和酸值變化值與40萬km時無明顯差異。

圖1 不同運行里程時油樣100 ℃運動黏度和酸值統計結果Fig.1 Statistical results of 100 ℃ kinematic viscosity (a)and acid value(b)of the oil samples under different operating mileage

按不同型號齒輪箱對油樣黏度和酸值變化值變化趨勢進行分析，如圖2所示?？梢?，30萬km后，油品100 ℃運動黏度趨于穩定；運行里程由40萬km延長至60萬km過程中，酸值變化值無較大范圍波動。

圖2 油品100 ℃運動黏度和酸值變化值隨里程變化趨勢Fig.2 Variation of 100 ℃ kinematic viscosity(a)and acid value(b)of oil samples with mileage

2.3 污染物含量趨勢分析

動車組在行駛過程中，齒輪箱的污染源主要是水分和粉塵，水分會加速油品乳化變質，而粉塵等固體顆粒則會引起磨粒磨損，對于動車組齒輪箱，污染情況評估的主要指標為水分和硅元素。通過對比車、試驗車送檢油樣中水分和Si元素含量隨里程分布的統計分析(見圖3)，可以看出CRH380B平臺動車組RW-B 75W-90潤滑油使用至60萬km后，水分和Si元素含量與40萬km時無明顯差異。

圖3 不同運行里程時油樣水分和Si元素含量統計結果Fig.3 Statistical results of moisture content(a)and Si element content of the oil samples(b)under different operating mileage

分別對3種齒輪箱潤滑油從新油到運行60萬km后水分和Si元素含量變化情況進行了分析，結果如圖4所示?？梢?，運行45萬km后水分含量維持在較低且穩定的狀態；Si元素含量在50萬km后上升較快，其中以弗蘭德齒輪箱上升最快，但60萬km時Si元素含量仍處于較低水平。

圖4 水分和Si元素含量隨里程變化趨勢Fig.4 Variation of moisture content (a)and Si element content(b)with mileage

2.4 磨損元素含量變化趨勢分析

隨著使用時間的增加，齒輪箱不可避免地存在磨損。磨損量增加，油中的金屬磨損顆粒增多，一方面會加速齒輪、軸承的磨損，另一方面會加速油品的氧化，其中磨損程度可以通過光譜元素含量進行評價。對于齒輪箱而言，磨損的主要評價指標有Fe、Cu元素含量，其中Fe元素主要來自齒輪、軸承等部件[7]，Cu元素通常來源于銅質的軸承保持架。

區別于油品理化性能和污染物，磨損元素的含量不僅與油品使用里程相關，還與齒輪箱運行里程有直接關系。為了評估齒輪箱運行里程對磨損元素含量的影響，選取了不同運行里程的齒輪箱在潤滑油運行40萬km后的磨損元素含量進行了統計，如圖5所示。可以看出，當齒輪箱運行接近240萬和440萬km(因無440萬～530萬km間樣本，推測應為480萬km左右)時，齒輪箱Fe含量呈上升趨勢，且經過對應的分解檢修修程(四、五級修)并對齒輪箱進行清洗后，后續運用過程中齒輪箱潤滑油中Fe含量下降；Cu元素含量除194萬km時外，均較為穩定，基本維持在3～5 mg/kg。所以，在研究潤滑油中磨損元素含量變化趨勢時，應考慮齒輪箱運行里程帶來的影響，且齒輪箱里程變量最大值應為一個分解檢修周期。

對試驗車組齒輪箱潤滑油中磨損元素含量隨里程變化趨勢進行了分析，結果圖6所示?？梢?，不同型號齒輪箱的Fe、Cu元素含量差異較大，且各型齒輪箱Fe元素含量在55萬km后上升幅度較快，Cu元素含量在45萬km后上升趨勢趨于平緩，60萬km時Fe、Cu元素含量都遠低于表1中的檢驗標準。

圖6 磨損元素Fe和Cu含量隨里程變化趨勢Fig.6 Variation of Fe element content(a)and Cu element content(b)with mileage

2.5 小結

通過理化性能變化規律分析、污染物含量趨勢分析和磨損元素含量變化趨勢分析可以看出，齒輪箱潤滑油100 ℃運動黏度、酸值變化值以及水分和Si元素含量在使用至60萬km時與40萬km時無明顯差異，Cu元素含量在45萬km后上升趨勢趨于平緩，Fe元素含量隨著油品使用里程的延長而快速增加，但60萬km時Fe、Cu元素含量都遠低于運用、檢修中動車組齒輪箱油的檢驗標準。因而，CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油更換周期由40萬km延長至60萬km后各項指標均滿足使用要求，且Fe元素含量可以作為齒輪箱潤滑油更換周期延長重點監控的指標[8]。

3 齒輪箱潤滑油判廢標準的確定

目前，對于動車組齒輪箱潤滑油判斷標準在國家標準以及鐵道行業標準中均沒有明確規定。通過此次試驗驗證取樣化驗結果的統計，結合動車組潤滑油有關運用檢測標準和GB/T 30034—2013《重負荷車輛齒輪油(GL-5)換油指標》(適用于重負荷齒輪油使用過程中換油指標)，初步制定了CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油判廢參考標準，如表2所示。

表2 動車組齒輪箱潤滑油判廢參考標準Table 2 Gearbox lubricant failure reference standard for EMU

4 齒輪箱油更換周期的預測

4.1 模型假設

根據上文油樣檢測化驗數據分析，把Fe元素含量作為影響齒輪箱潤滑油更換周期的主要因素。假設齒輪箱潤滑油中的Fe元素由磨損產生，在潤滑良好的情況下，不同時間(下文中時間均指油樣運行里程)區間的Fe元素的增量應當是獨立的，且在充分小的時間內，由磨損產生Fe元素的發生概率正比于時間。

在滿足上面假設的條件下，Fe元素含量X近似服從一個泊松過程[9-11]，且實際Fe元素含量的變化曲線近似于泊松分布，如式(1)所示。

(1)

式中：λ為待定系數；t為油樣運行里程，該參數反映齒輪箱磨損情況。

4.2 分布函數擬合

考慮到齒輪箱大修前Fe元素含量呈上升趨勢，說明齒輪箱新造或大修后的運行里程也是齒輪箱磨損即Fe含量變化的的影響因素，所以應當加入總運行里程的影響。同時，現實中磨損的速度本身應與磨損程度成正比(性能越差則磨損速度越快)，磨合同理，于是在這一近似假設下，式(1)中λ即為一個指數函數 ，即

λ=cexp(kS)

(2)

式中：c和k是待定系數；S為齒輪箱新造或大修后運行的總里程，0≤S≤2 400 000 km。

結合式(1)泊松過程表達式，可以得出Fe元素含量的累積分布函數，式如(3)所示。

E(X)=λt=cexp(k0S)tk1

(3)

式中：c、k0和k1是待定系數；t為潤滑油運行里程；S為齒輪箱新造或大修后運行的總里程。

對式(3)進行線性轉換，則有

log(E(X))=logc+k1logt+k0S

(4)

對式(4)采用廣義線性模型Generalized Linear Models來對上述原始數據進行擬合[12-13]，其中分布族為泊松分布，自變量為潤滑油運行里程和齒輪箱新造或大修后運行里程。通過R語言GLM函數實現上述算法，得到各待定系數如表3所示。

表3 各待定系數計算值Table 3 Calculated value of undetermined coefficient

4.3 最大換油里程預測

將Fe元素含量作為影響齒輪箱潤滑油更換周期的主要因素，在累積分布函數E(X)中Fe含量為500 mg/kg，齒輪箱新造或大修后運行240萬km時，潤滑油的運行里程即為齒輪箱潤滑油理論最大換油里程。在廣義線性模型Generalized Linear Models中采用predict函數進行預測，由于試驗數據僅采集至60萬km，在現有齒輪箱油樣化驗數據變化規律分析的基礎上，Fe含量到達500 mg/kg時的油品運行里程預測值失真。

結合潤滑油60萬km試驗數據，可以在一定范圍內對潤滑油再使用10～20萬km后的Fe元素含量進行大致的預測。將表3各系數代入式(3)，當潤滑油運行里程t=70萬km時，Fe元素含量E(X)平均值為163 mg/kg，在均值為163 mg/kg的泊松分布中，考慮99.95%的樣本容量，通過泊松函數qpois()即可計算出70萬km時E(X)最大閾值為229 mg/kg。同理，當潤滑油運行里程t=80萬km時，Fe元素含量E(X)均值為227 mg/kg，最大閾值為304 mg/kg。所以，使用現有60萬km齒輪箱油樣化驗數據，可以大致預測在齒輪箱潤滑油使用至80萬km時，潤滑油中Fe元素含量仍滿足表2中的使用標準。

5 結論

(1)通過對比車和試驗車齒輪箱潤滑油更換周期延長試驗結果表明，CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油更換周期由40萬km延長至60萬km可行。

(2)理化性能變化規律分析、污染物含量趨勢分析和磨損元素含量變化趨勢分析表明，影響潤滑油更換周期的主要影響因素是油品中Fe元素含量的變化。

(3)通過擬合關鍵指標參數(Fe元素含量)的分布，根據初步確定的潤滑油判廢標準，預測CRH380B平臺動車組齒輪箱潤滑油使用80萬km時Fe元素含量仍滿足使用要求。

(4)文中對動車組齒輪箱潤滑油現行更換周期的優化方法，同樣適用于其他平臺動車組齒輪箱潤滑油更換周期的優化，同時，可進一步拓展至其他關鍵部件(如空壓機等)潤滑油更換周期的優化研究。