黃蕓琪，張朝前，糜莉萍，王玉玲，徐立暉

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心, 甘肅 蘭州 730060；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 山東 青島 266111)

0 引言

高速鐵路與汽車和民航等運輸方式相比，具有輸送能力大、輸送速度快、安全可靠、旅行舒適度高、受氣候變化影響小的優(yōu)勢。同時，高速鐵路還能節(jié)省石油和土地資源，保護生態(tài)環(huán)境，擺脫交通堵塞，是解決大通道上大量旅客快速輸送問題的最有效途徑，已成為世界各國鐵路的普遍發(fā)展趨勢。高速列車從采用一輛動力頭車牽引(動力集中)發(fā)展到采用多輛自帶電動機的動車牽引(動力分散)，動車組應(yīng)運而生。在動車組動力傳動系統(tǒng)中，牽引齒輪箱具有極重要的地位。動車組齒輪箱工況復(fù)雜，高速運行時遇到的摩擦和磨損問題與較普通列車相比更為苛刻。因此，動車組齒輪箱的潤滑問題顯得至關(guān)重要，高性能的齒輪油是降低齒輪摩擦磨損，保護齒輪和軸承正常運轉(zhuǎn)，確保動車組安全運行的重要保障[1]。

1 動車組齒輪箱潤滑現(xiàn)狀

鐵路機車運行的高速化必然會帶來更加復(fù)雜、苛刻的摩擦和磨損問題。鐵路機車運行阻力的增加與運行速度的平方成正比，而相應(yīng)零部件如齒輪、軸承的磨損程度與運行速度已不是簡單的線性關(guān)系，而是平方或立方關(guān)系。實踐表明，85%以上的鐵路機車技術(shù)故障來源于工作零部件的過早磨損。因此，必須通過使用高性能的潤滑劑來降低零部件的摩擦和磨損，延長零部件使用壽命，實現(xiàn)機車的安全行駛[2]。

1.1 國內(nèi)運營動車組概況

中國為了實現(xiàn)鐵路“跨越式發(fā)展”，對時速200 km以上的高速列車引進整體技術(shù)，實行“消化吸收再創(chuàng)新”。目前國內(nèi)動車組共有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型等多個平臺14種系列(見表1)，標(biāo)準(zhǔn)包含歐系及日系兩個體系。

表1 國內(nèi)動車組車型概況[3]

1.2 動車組齒輪箱潤滑方式

齒輪箱是動車組轉(zhuǎn)向架核心部件之一，它作為電動機和車軸之間的傳動部件位于旅客間下方，潤滑方式采取飛濺潤滑，齒輪油同時潤滑齒輪和齒輪箱兩端軸承，見圖1。

圖1齒輪箱潤滑油潤滑部位[4]

齒輪箱內(nèi)油量根據(jù)齒輪的線速度來確定，一般按浸入0.7～1.5個齒高進行設(shè)計。齒輪箱箱體底部設(shè)有油池儲存潤滑油，箱體內(nèi)部設(shè)有集油槽和回油孔，主動端軸承座上設(shè)有集油槽和回油孔，從動端軸承座上設(shè)有回油孔。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，攪動潤滑油將其帶到嚙合處，同時也將油甩到箱壁上借以散熱，飛濺的潤滑油經(jīng)集油槽流入軸承內(nèi)部潤滑軸承[5]。

1.3 動車組齒輪箱潤滑油性能要求

齒輪油性能對于動車組牽引齒輪的使用壽命和可靠性具有重要意義，動車組運行速度快，齒輪箱具有高速、高扭矩、沖擊負(fù)荷大、運行環(huán)境溫差大等特點[6]，對于齒輪油的性能要求如下：

(1)適宜的黏度

黏度是齒輪油最基本的特性，是衡量油品油膜厚度、流動性的重要指標(biāo)。工作溫度下的油品黏度更是決定設(shè)備彈性流體動壓潤滑可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。就齒輪油來說，如果黏度過大，會使摩擦面過熱，造成無謂的動力消耗，也促使油品氧化變質(zhì)；若黏度過小，齒輪運轉(zhuǎn)的離心力易將油從齒面甩掉，使油膜變薄且降低油膜強度，可能產(chǎn)生嚴(yán)重疲勞點蝕與破壞性磨損或燒結(jié)。

(2)良好的低溫性能

我國地域遼闊，在冬季，尤其是我國北方地區(qū)，室外溫度較低。動車組運行地域跨度大，要求油品在低溫下也要具有良好的流動性，以防啟動時潤滑不足導(dǎo)致軸承因缺油而損壞。

(3)良好的極壓抗磨性

高速機車頻繁啟停提速、空重載荷交替變化等復(fù)雜多變的運行工況，要求齒輪箱潤滑劑具有優(yōu)良的極壓、抗磨、抗載荷沖擊能力，尤其是在低速高扭矩(上坡)或高速低扭矩(下坡)條件下齒輪嚙合面處于邊界潤滑狀態(tài)，必須依靠齒輪油中極壓添加劑的活性與齒輪表面起摩擦化學(xué)作用，形成固態(tài)無機極壓膜(如硫化鐵膜等)，從而防止齒面擦傷或膠合。

(4)良好的減摩能力

高速運行中的齒輪箱溫升較快，為了使齒輪箱溫度不因摩擦生熱的原因超出正常溫度范圍，要求油品具有良好的減摩能力，從而減小摩擦，控制齒面溫升。同時，良好的減摩性能也可以大大提升齒輪的傳動效率，降低能源消耗。

(5)良好的熱氧化安定性

動車組齒輪箱在高速運行條件下溫度可能達到100～150 ℃[5]，高溫會加速油品氧化降解，使其潤滑性能降低，而且產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會促使金屬被腐蝕且易起泡沫，使齒輪油的性能大大劣化，直接影響其牽引齒輪的使用壽命。因此，必須選用熱氧化安定性好的基礎(chǔ)油，同時輔以抗氧性能優(yōu)異的抗氧劑強化其氧化安定性。

(6)良好的抗泡沫能力

動車組運行速度快，齒輪高速運轉(zhuǎn)造成油品的強力攪動和飛濺，使齒輪油極易產(chǎn)生泡沫。這些泡沫會使齒輪油的冷卻效果降低，還會造成齒面供油不足，而且泡沫還會破壞油膜的完整性，導(dǎo)致齒面的磨損加劇。因此，要求齒輪油必須具有良好的抗泡沫能力。

(7)與密封材料的適應(yīng)性

為防止齒輪箱油的泄露，齒輪箱中都會使用各種彈性密封材料制成的密封圈，這就要求齒輪油必須具有良好的密封材料適應(yīng)性，不能使密封材料有明顯的膨脹或收縮以及硬化變質(zhì)。

(8)其他性能要求

齒輪箱油在運行過程中溫度較高，因此還須具有較高的閃點、燃點以及較低的蒸發(fā)損失才能保證較長的換油周期。

1.4 動車組齒輪箱潤滑油用油標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)動車組齒輪箱潤滑油并沒有統(tǒng)一的用油標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)主要動車組齒輪箱供應(yīng)商對齒輪油的要求都是在API GL-5重負(fù)荷車輛齒輪油規(guī)格的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品技術(shù)特點，增加了臺架試驗指標(biāo)，以保證潤滑油能夠滿足齒輪箱產(chǎn)品的潤滑需求。國內(nèi)日系動車組齒輪箱主要供應(yīng)商有東洋電機公司等，歐系有采埃孚公司、西門子弗蘭德公司、福伊特公司等。國產(chǎn)動車組齒輪箱供應(yīng)商則有中車常州戚墅堰機車車輛工藝研究所。不同齒輪箱供應(yīng)商對用油標(biāo)準(zhǔn)有不同的規(guī)定。

日本東洋電機公司對油品的基本理化性能沒有具體的要求，性能測試主要是自建的相關(guān)臺架試驗，主要包括低溫急加速試驗和高溫特性試驗，試驗對特定運行條件下齒輪箱大、小齒輪軸承的溫度和潤滑油溫度進行監(jiān)測，關(guān)注軸承和油品的溫升情況。

西門子弗蘭德公司和福伊特公司對齒輪油的基本理化性能沒有公開的指標(biāo)要求，但上述兩家齒輪箱制造公司對于油品都有密封適應(yīng)性、承載能力、FE-8滾動軸承試驗、點蝕試驗等項目的測試數(shù)據(jù)要求[7]。同時認(rèn)證油品需通過其內(nèi)部的臺架試驗測試，測試的相關(guān)參數(shù)條件并不對外公開。弗蘭德鐵路車輛齒輪箱油用油規(guī)格見表2。

表2 弗蘭德鐵路車輛齒輪箱油用油規(guī)格

采埃孚公司針對動車組齒輪箱潤滑油制定了ZF TE-ML 16鐵路機車齒輪箱油規(guī)格，其中ZF TE-ML 16F為全合成齒輪油的規(guī)格， ZF TE-ML 16F中GL-5 75W-90黏度級別齒輪油的技術(shù)指標(biāo)見表3。在該用油規(guī)格中對齒輪油的運動黏度、低溫性能、閃點、抗泡性和銅片腐蝕等常規(guī)性能有所限定之外還采用了歐洲 CEC 方法，德國 DIN 方法以和采埃孚公司試驗方法對齒輪油的剪切安定性、熱氧化安定性、密封適應(yīng)性、承載能力和抗點蝕等性能進行了限定，采埃孚公司試驗方法相關(guān)參數(shù)條件并不對外公開。

表3 采埃孚公司ZF TE-ML 16F全合成齒輪油規(guī)格[7]

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所也有相應(yīng)的高速列車齒輪箱綜合試驗臺，可以開展溫升平衡試驗、噪聲測定試驗、振動測定試驗、傳動效率測定試驗、齒輪箱耐久性試驗、齒輪箱超載試驗。潤滑油的溫升情況和高低溫性能會被同時進行記錄考察[8]。對油品的基本理化性能中車戚墅堰機車車輛工藝研究所并沒有公開的指標(biāo)要求。

1.5 國內(nèi)動車組在用油

目前國內(nèi)動車組齒輪箱潤滑油在用油基本為國外油壟斷，部分在運營動車組齒輪箱潤滑油典型數(shù)據(jù)見表4。

表4 動車組齒輪箱在用油典型數(shù)據(jù)

表4(續(xù))

2 發(fā)展趨勢

隨著動車組技術(shù)不斷發(fā)展，動車組運行速度不斷提升。20世紀(jì)90年代初，法國高速鐵路機車就已創(chuàng)下了515.3 km/h的有軌鐵路實驗室行駛記錄，到2007年4月，更創(chuàng)下了574.8 km/h的實驗室記錄[1]。2014年，中車青島四方機車車輛股份有限公司已經(jīng)將我國高鐵的試驗速度提高到了605 km/h。伴隨動車組提速，動車組齒輪箱工況出現(xiàn)了新的變化。一方面，車速的提高必然要求牽引電機的功率增大，但在牽引電機功率增大的前提下，齒輪箱和齒輪的體積又不能隨意增大。因此動車組提速勢必導(dǎo)致牽引齒輪齒面負(fù)荷增大；另一方面，齒輪體積不變的前提下，動車組提速使齒輪箱內(nèi)齒輪線速度增大，必然導(dǎo)致潤滑油在箱內(nèi)翻攪更加劇烈，因此由齒輪嚙合傳動功率損失、齒輪攪油功率損失、齒輪箱內(nèi)各傳動表面摩擦生熱等導(dǎo)致的齒輪箱內(nèi)部及箱體溫升會更加劇烈。根據(jù)以上分析，為應(yīng)對未來動車組提速，動車組齒輪箱工況更為苛刻的問題，潤滑油必須對承載能力、熱氧化安定性和抗點蝕性能進行強化。

(1)承載能力。隨著動車組牽引齒輪箱載荷的加大，為了防止齒面磨損、擦傷、燒結(jié)，對油品的承載能力勢必提出更高的要求，但添加劑不能在賦予優(yōu)異承載能力的同時活性太高，造成金屬表面的過度腐蝕。

(2)熱氧化安定性。劇烈溫升使?jié)櫥偷墓ぷ鳁l件更為惡劣。工作溫度升高，使?jié)櫥宛ざ群退嶂档淖兓俾始涌欤g性增大，外觀上顏色變深，沉淀增多，更易產(chǎn)生淤渣和結(jié)膜，使?jié)櫥偷氖褂眯阅芟陆?。為保證在長達一年的換油周期內(nèi)，齒輪箱油能夠保持良好的潤滑效果，保證機車安全運行，油品需要具有更好的熱氧化安定性。

(3)抗點蝕性能。動車組齒輪工況更為苛刻使齒面更易產(chǎn)生點蝕，點蝕一旦出現(xiàn)，隨著齒輪的繼續(xù)使用點蝕和剝落區(qū)域會不斷增大，導(dǎo)致齒輪運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，造成震動和噪音增大，影響旅客舒適度。當(dāng)點蝕達到一定程度時可能導(dǎo)致斷齒，嚴(yán)重威脅到動車組的安全運行。為延長齒輪使用壽命，保障動車組運行的平穩(wěn)和安全，在動車組齒輪箱齒面負(fù)荷增大、齒輪線速度增大的前提下，提升齒輪箱潤滑油的抗點蝕性能尤為重要。

3 結(jié)束語

作為中國工業(yè)未來十年的發(fā)展綱領(lǐng)“中國制造2025”十大領(lǐng)域之一，先進軌道交通裝備將迎來轉(zhuǎn)型升級的大突破、大提速。動車組作為其中代表性的產(chǎn)業(yè)也將迎來更加迅猛的發(fā)展。針對動車組牽引動力的核心部件齒輪箱，研制并開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的配套油品，改變我國動車組齒輪箱潤滑油依賴進口的局面就顯得勢在必行。我國潤滑油制造商應(yīng)針對不同型號、不同潤滑需求的動車組開發(fā)相應(yīng)的齒輪油產(chǎn)品，并積極與齒輪箱制造商開展相關(guān)的合作研究，打破國內(nèi)動車組齒輪箱潤滑油市場國產(chǎn)產(chǎn)品“零”現(xiàn)狀。