王興宇，戰(zhàn)立超，王澤飛

(1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 機械工程學(xué)院,吉林 長春 130052；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

我國高速動車組的齒輪箱多數(shù)采用非接觸式迷宮密封方式，在雨雪天氣運行時，一些動車組齒輪箱的潤滑油出現(xiàn)了乳化現(xiàn)象，解決此問題的典型措施是將乳化油排空，并對齒輪箱注油清洗，重新加注新的潤滑油.這種方式操作簡便，但乳化現(xiàn)象并未從源頭上徹底解決.此外，乳化油對動車組的行車安全是否造成必然影響，以及乳化油含水率與齒輪、軸承磨損的量化關(guān)系的研究，國內(nèi)卻鮮有文獻介紹.

從外觀上看，乳化油一般呈現(xiàn)乳白色液體狀，這主要是由于水的進入，使得油品中的表面活性劑以小顆粒形式分散開來，從而形成懸浮混合的狀態(tài).從乳化油的潤滑特性來看，乳化后的油品在黏度、酸值、潤滑、冷卻方面的性能都會發(fā)生改變，這使得零件接觸面間的油膜遭到破壞，從而降低潤滑油的保護作用，加劇零件間的磨損和腐蝕，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致齒輪箱損壞[1].但從齒輪箱自身角度來看，乳化油是否必然造成零件的過早磨損及失效，還有待驗證.針對乳化油的影響，國內(nèi)學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域做了研究，劉宸旭等[2]對油水乳化液的邊界潤滑行為及機理進行了研究，指出含水量為30%時乳化液的抗磨效果接近純油潤滑狀態(tài)，但磨損效果不及純油.李振順等[3]對高水基乳化液作用下液壓元件摩擦磨損性能進行了研究，磨損量隨著高水基乳化液體積分數(shù)的增加而降低，當(dāng)體積分數(shù)達到8%后其磨損量降低幅度趨于平穩(wěn)，此時高水基乳化液會形成有效潤滑膜，起到承載和潤滑作用.白振華等[4]對乳化液性能對摩擦系數(shù)影響進行了研究，指出乳化液pH值在4.5～7.0時摩擦系數(shù)基本持穩(wěn)定狀態(tài)，超出此范圍的pH值都會使摩擦系數(shù)增大.

動車組齒輪箱潤滑油的乳化往往發(fā)生在高速運行過程中，一般情況下，動車組只有完成當(dāng)天運營任務(wù)后才能得到日檢維護，在此運營過程中，無法及時排空乳化油并更換新油，因此，有必要研究乳化油對齒輪箱內(nèi)部零件的短期磨損的影響，并進行定量分析，通過翔實的試驗加以驗證，進而評估齒輪箱的安全性和可靠性，避免安全事故的發(fā)生.

1 潤滑油的乳化現(xiàn)象與機理

1.1 動車組齒輪箱潤滑油的乳化現(xiàn)象

圖1是某型高速動車組齒輪箱潤滑油發(fā)生乳化時的現(xiàn)場照片，不難看出，從齒輪箱排油口排出的潤滑油呈現(xiàn)乳白色，與新油截然不同.

圖1 動車組齒輪箱潤滑油乳化

排油前，該動車組已經(jīng)完成當(dāng)天運營任務(wù)，這表明齒輪箱在潤滑油乳化后已經(jīng)持續(xù)運行一定里程.

1.2 潤滑油的乳化機理

為了提升潤滑油的潤滑性能，油品生產(chǎn)企業(yè)會在基礎(chǔ)油中適當(dāng)加入表面活性劑.當(dāng)兩種互不相溶的液體(油與水)在強烈攪動時，表面活性劑會使得基礎(chǔ)油中的微小顆粒被分散在水中，從而形成懸浮混合的乳狀液，這個過程就稱之為乳化[5].乳化實際屬于油-水兩相界面現(xiàn)象，由于潤滑油表面活性劑的作用,使本來不能互相溶解的兩種液體能夠懸浮混合到一起的現(xiàn)象稱為乳化現(xiàn)象[6].乳化油的微觀組織是‘水包油’或‘油包水’的兩種混合態(tài)，見圖2.油-水兩相界面現(xiàn)象是可以相互轉(zhuǎn)化的，即‘油包水’到‘水包油’之間的轉(zhuǎn)化.在無外力攪動情況下，水顆粒從分散狀態(tài)轉(zhuǎn)為連續(xù)相，同時潤滑油從連續(xù)相轉(zhuǎn)為分散相.在無外界干擾時，這種轉(zhuǎn)化過程是不可逆的，當(dāng)外力再次攪動時，則油-水兩相界面現(xiàn)象再次轉(zhuǎn)化，此時水顆粒從連續(xù)相再次轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾?

(a)水包油 (b) 油包水

1.3 油-水兩相流數(shù)學(xué)模型

油-水兩相流體的黏度方程、密度方程、比熱方程及熱傳導(dǎo)方程分別如下[7]：

(1)

ρ=τρ1+(1-τ)ρ2

(2)

c=τc1+(1-τ)c2

(3)

(4)

式(1)～式(4)中：a、b分別為瓦爾塞(Walther)方程[8]中與油品的黏-溫特性相關(guān)的常數(shù)，其中a的取值范圍通常為0.6～0.8，b由黏-溫特性曲線獲得；n為油品中與黏度-含水率相關(guān)的常數(shù)；η1、η2、η分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的黏度；τ為油-水兩相流體的含水率；ρ1、ρ2、ρ分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的密度；c1、c2、c分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的比熱容；λ1、λ2、λ分別為水、潤滑油和油-水兩相流體的導(dǎo)熱系數(shù).

從式(1)～式(4)中不難看出，油-水兩相混合液的黏度、密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均隨含水率τ的變化而改變，即乳化油中含水量的不同會引起潤滑性能的變化.根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果，隨著含水量的增大,黏度逐漸降低，當(dāng)不足以束縛乳狀液顆粒運動時,則乳狀液顆粒將會以極小的速度運動,從而發(fā)生黏附、碰撞和摩擦[9-10].式(5)表述了乳化油顆粒運動速度與黏度的關(guān)系，黏度越小，顆粒運動速率就越大,發(fā)生碰撞的概率就越大.隨著齒輪的高速攪動，進一步提升了乳化顆粒運動速率，相互碰撞不斷加劇，從而形成了大量懸浮混合的乳狀液，進一步惡化了潤滑油的乳化現(xiàn)象.

(5)

式中：v是乳化顆粒運動速率；ρ是油-水兩相流體的密度；η是油-水兩相流體的黏度；γ是乳狀液顆粒半徑.

2 齒輪箱潤滑油乳化再現(xiàn)試驗

2.1 齒輪箱潤滑油乳化的結(jié)構(gòu)原因

目前，國內(nèi)各型動車組選用的齒輪箱型號各不相同、迷宮結(jié)構(gòu)多樣、隔水原理差異明顯，因此，難以開展系統(tǒng)性和概括性研究.李建等[11]對某型動車組齒輪箱乳化原因進行了分析，并對齒輪箱迷宮密封結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)齒輪箱潤滑油乳化的原因是由于雪水沿車軸卸荷槽進入箱體內(nèi)部，從而導(dǎo)致潤滑油乳化.周持斌[12]對潤滑油乳化的成因進行了分析，通過設(shè)置擋水圈控制潤滑油乳化，并采用噴淋試驗的方法證明了擋水圈的預(yù)期效果.上述研究側(cè)重于改進齒輪箱迷宮密封結(jié)構(gòu)，從而降低潤滑油發(fā)生乳化的可能性.在乳化油對旋轉(zhuǎn)部件影響方面，郭亞南等[13]研究了不同含水量潤滑油對軸承性能的影響，通過仿真計算得到含水量與軸承油膜、摩擦力矩、溫升的關(guān)系.張雨等[14]分析了高速列車齒輪箱轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成的離心變形和熱膨脹變形對迷宮密封性能的影響，得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)離心變形和熱膨脹變形會減小迷宮密封間隙的結(jié)論，從這個角度來說，迷宮間隙的減小會在一定程度上阻礙乳化的形成.

基于上述學(xué)者的研究結(jié)果，動車組車輪箱乳化的直接原因在于迷宮結(jié)構(gòu)處的水分進入齒輪箱，與潤滑油混合，從而形成乳化現(xiàn)象.本文在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩種迷宮密封結(jié)構(gòu)，并開展?jié)櫥腿榛佻F(xiàn)試驗，一方面驗證密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，另一方面深入研究不同含水量的乳化油對零部件磨損的影響，從密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化和行車安全兩個方面提供論證依據(jù).

2.2 齒輪箱潤滑油乳化再現(xiàn)試驗

為了再現(xiàn)動車組齒輪箱潤滑油的乳化現(xiàn)象，在同樣一臺齒輪箱上分別安裝優(yōu)化前和優(yōu)化后的兩種迷宮樣件，并進行臺架對比試驗.該齒輪箱輸入端為接觸式密封結(jié)構(gòu)，輸出端為非接觸式迷宮密封結(jié)構(gòu)，因此輸出端進水的可能性較大.將被試齒輪箱固定在雙向傾擺試驗臺上，傾斜角和俯仰角均設(shè)定為±7°，同時，受驅(qū)動電機帶動作用，齒輪箱高速運轉(zhuǎn)，在齒輪箱前后各布置一個噴頭，模擬齒輪箱的淋雨狀態(tài)，水通過噴頭噴灑在高速運轉(zhuǎn)的齒輪箱表面，每個噴頭的流量為5 L/min、水壓為0.2 MPa，以上試驗條件符合TJ/CL 277—2014 《動車組齒輪箱組成暫行技術(shù)條件》要求，整個試驗工況見表1.考慮最惡劣情況，動車組最高速度時對應(yīng)的齒輪箱輸入端轉(zhuǎn)速為5 900 r/min，以此轉(zhuǎn)速作為試驗轉(zhuǎn)速.由于齒輪箱安裝在動車組車體下方，當(dāng)列車停站時，即便外界雨水較大，受車體遮擋的原因，齒輪箱也不再受到雨水的侵擾.因此，當(dāng)試驗臺停轉(zhuǎn)時，噴水同步停止，以模擬動車組自然停車狀態(tài).

表1 噴淋試驗工況

三種工況下的噴淋試驗見圖3.

(a) 水平

噴淋試驗結(jié)束后，對潤滑油進行采樣(取80 mL油樣).從圖4的原結(jié)構(gòu)不難看出，潤滑油已經(jīng)發(fā)生乳化現(xiàn)象，與圖1中的乳化油外觀基本一致，表明模擬試驗已經(jīng)再現(xiàn)了動車組在實際運行中的乳化現(xiàn)象.將該齒輪箱迷宮件拆卸，并安裝優(yōu)化后迷宮樣件(圖5)，按照表1的噴淋試驗工況重新進行一輪試驗，所采集的油樣見圖4新結(jié)構(gòu).不難看出，優(yōu)化后的迷宮結(jié)構(gòu)能夠有效阻礙水分進入箱體內(nèi)部，大幅度降低了乳化油發(fā)生的可能性.

圖4 迷宮結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后潤滑油的狀態(tài)

圖5 新結(jié)構(gòu)輸出端及進水路徑

乳化油模擬試驗結(jié)束后，對齒輪箱的進水機理做了進一步分析，其中原結(jié)構(gòu)輸出端及進水路徑見圖6，圖中：1為圓錐滾子軸承；2為內(nèi)側(cè)迷宮環(huán)；3為外側(cè)迷宮還；4為端蓋；5為迷宮蓋；6為軸承襯套.外界水分從端蓋經(jīng)兩道迷宮和軸承進入齒輪箱內(nèi)部，同潤滑油混合后形成乳化油，進水路徑如圖6中虛線所示.

圖6 原結(jié)構(gòu)輸出端及進水路徑

鑒于原結(jié)構(gòu)輸出端密封性能不良，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，外側(cè)迷宮環(huán)與端蓋的配合間隙無法阻斷外界水分的進入，因此，本文對外側(cè)迷宮環(huán)進行優(yōu)化設(shè)計，使之調(diào)整為圖5中的新外側(cè)迷宮環(huán)和擋水圈兩個零件.此優(yōu)化設(shè)計的主要目的是在源頭上阻斷水分的進入，當(dāng)外界水分開始進入齒輪箱時，必然經(jīng)過擋水圈，由于擋水圈的內(nèi)側(cè)面采用斜面設(shè)計，在高速旋轉(zhuǎn)時，對流淌至其內(nèi)側(cè)面的水產(chǎn)生離心作用，水分就會被甩出，因此從入口就阻斷了乳化發(fā)生的可能，這從臺架試驗結(jié)果中所采集的油樣狀態(tài)可以得到驗證.

3 乳化油影響分析

3.1 乳化油化學(xué)性能測試

上述乳化油再現(xiàn)試驗和對比結(jié)果，證明了導(dǎo)致齒輪箱乳化油形成的直接原因是迷宮密封不良.同時給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，但對于既有運營的大量動車組，還需要進一步研究乳化油對齒輪箱內(nèi)部旋轉(zhuǎn)零件的短期磨損特性，以保證動車組的行車安全.

為了驗證乳化油對旋轉(zhuǎn)件的短期磨損影響，本文首先對5組不同含水量的乳化油的運動黏度和酸值進行了對比測試，分別為：新油、含水量為0.5%、0.8%、1.0%及1.5%的油樣，測試結(jié)果見表2.根據(jù)測定結(jié)果，含水量對油品的運動黏度和酸值都有一定程度的影響，隨著含水量的增加，油品的運動黏度略微升高，酸值沒有明顯變化.需要說明的是，在試驗過程中，當(dāng)含水量達到0.5%時，潤滑油已經(jīng)發(fā)生乳化.

表2 含水量對運動黏度和酸值的影響

3.2 乳化油磨損影響試驗

為了驗證乳化油對齒輪箱零件的磨損影響，在齒輪箱試驗臺上進行了乳化油磨損試驗，并按照動車組齒輪箱的額定轉(zhuǎn)速和扭矩進行，齒輪箱乳化油磨損試驗見圖7.

圖7 齒輪箱乳化油磨損試驗

試驗前，將齒輪箱內(nèi)部進行清洗和干燥處理，磨損試驗工況見表3，詳細試驗過程如下：

(1)初始時加注新油4.5 L，中油位，并運轉(zhuǎn)0.5 h；

(2)分4個階段注入一定水分，使?jié)櫥偷暮糠謩e達到0.5%、0.8%、1.0%、1.5%，并按照額定扭矩和轉(zhuǎn)速分別運轉(zhuǎn)12 h(每種含水量正、反轉(zhuǎn)各運轉(zhuǎn)6 h)；

(3)整個試驗結(jié)束后，用100 mL的兩個試管對乳化油進行取樣；

(4)對齒輪箱進行分解，檢查軸承及齒輪磨損狀態(tài).

表3 磨損試驗工況

試驗結(jié)束后，所取油樣外觀見圖8(a)，試管中潤滑油已呈現(xiàn)乳白色，外觀與前文圖1所示的乳化現(xiàn)象基本吻合.2#油樣是與1#油樣同時取的油樣，靜止30 min后的外觀狀態(tài)，不難看出，此時油、水已經(jīng)分離，水顆粒從分散狀態(tài)轉(zhuǎn)為連續(xù)相，上層為油，下層為水.

(a) 1#油樣 (b) 2#油樣

3.3 零件磨損狀態(tài)檢測

試驗結(jié)束后對齒輪箱進行分解檢查，對齒輪嚙合面、軸承滾道面和滾子表面的磨損狀態(tài)重點觀察，利用JSM-6510掃描電鏡對肉眼可見較明顯的磨損位置進行微觀放大并拍照.

齒輪嚙合面整體狀態(tài)未見明顯異常，無明顯銹蝕，對嚙合面磨損較明顯位置(圖9箭頭位置)進行電鏡觀察(圖10)，其形貌特征未見明顯異常，可見視野內(nèi)磨損均勻.

圖9 齒輪表面狀態(tài)

圖10 齒輪表面電鏡圖

軸承滾道面兩側(cè)有輕微磨損帶及微小缺陷，無觸感，無明顯銹蝕，對滾道面磨損較明顯位置(圖11箭頭位置)進行電鏡觀察，其形貌特征存在輕微磨損，但可見視野內(nèi)磨損均勻，見圖12，通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，磨損帶的點狀坑屬于脆性高硬度顆粒受周期性擠壓而形成的壓痕，是由鑄造箱體脫落的細小砂粒引起的，與乳化油無關(guān).

圖11 軸承滾道表面狀態(tài)

圖12 滾道表面電鏡圖

軸承滾子表面有輕微磨損亮帶，無明顯可見缺陷，無銹蝕，對磨損亮帶(圖13箭頭指示位置)進行電鏡觀察(圖14)，其形貌同樣無擦傷或干摩擦特征，可見視野內(nèi)磨損均勻.

圖13 軸承滾子表面狀態(tài)

圖14 滾子表面電鏡圖

通過圖9～圖14的形貌觀察和電鏡圖可見，在48 h試驗過程中，乳化油未對齒輪及軸承造成明顯磨損和銹蝕，由此可見，乳化油在短期內(nèi)不會對齒輪箱造成明顯損傷.

3.4 乳化油對軸承溫度的影響

除了上述研究工作之外，本文也對試驗過程中各個軸承的平均溫度進行了監(jiān)測，共設(shè)5個溫度測點.測點1是輸入端電機側(cè)軸承溫度,測點2是輸入端車輪側(cè)軸承溫度,測點3是輸出端電機側(cè)軸承溫度,測點4是輸出端車輪側(cè)軸承溫度,測點5是齒輪箱潤滑油溫度.

從圖15的關(guān)系曲線分析可知，在48 h的試驗過程中，隨著潤滑油含水量的提升，各測點平均溫度無線性變化趨勢，即溫度與含水量沒有明顯對應(yīng)關(guān)系.從絕對溫度來看，含水量增加未對軸承溫升造成明顯影響，這也反映出高速動車組運行時，并不能通過監(jiān)測齒輪箱溫度來判斷潤滑油是否發(fā)生乳化.

圖15 軸承溫度與潤滑油含水量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

動車組齒輪箱潤滑油乳化原因主要取決于迷宮密封結(jié)構(gòu)，本文通過對潤滑油乳化再現(xiàn)試驗和不同含水量潤滑油的臺架對比試驗，得到如下結(jié)論：

(1)齒輪箱潤滑油乳化取決于迷宮密封結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，可以有效避免乳化現(xiàn)象的發(fā)生.

(2)當(dāng)潤滑油發(fā)生乳化后，其黏度、酸值及潤滑性能等方面會隨之改變.

(3)在48 h試驗過程中，不同含水量對齒輪表面磨損影響不明顯，對軸承溫度影響不明顯.

(4)試驗過程中，齒輪箱零件未見異常磨損和銹蝕，表明即便動車組齒輪箱潤滑油發(fā)生乳化，依然可以維持當(dāng)天運行任務(wù)，但對軸承滾道會輕微加劇磨損，因此需盡快更換新油，避免磨損加劇，影響行車安全.

從結(jié)構(gòu)入手優(yōu)化齒輪箱迷宮密封結(jié)構(gòu)，是解決潤滑油乳化的根本途徑.對于數(shù)量龐大、型號多樣的既有在用齒輪箱，如何正確看待潤滑油乳化的影響，并提供定量分析，具有一定的現(xiàn)實意義，本文研究可為我國高速動車組齒輪箱的運用和維護提供借鑒依據(jù).