廖豐斌 黃蕓琪 張建榮 華秀菱 陳志忠 張遂心

中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)中心

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)輸需求也隨之增加，對(duì)快捷的需求也越來(lái)越高，由此帶來(lái)了電氣化線路的擴(kuò)張和電力機(jī)車的快速發(fā)展。和諧號(hào)機(jī)車有CRH、HXD和HXN三個(gè)系列，其中HXD系列包括HXD1型、HXD2型和HXD3型機(jī)車，該系列是引進(jìn)技術(shù)并國(guó)產(chǎn)化的新一代交流傳動(dòng)貨運(yùn)機(jī)車[1]。

HXD3D型機(jī)車是交流電傳動(dòng)六軸干線客運(yùn)電力機(jī)車，由中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司研發(fā)及生產(chǎn)，為200 km等級(jí)的客運(yùn)型機(jī)車，最大運(yùn)營(yíng)速度為160 km/h，功率7 200 kW，為國(guó)內(nèi)最大功率的客運(yùn)型機(jī)車之一。HXD3D型機(jī)車可緩解全路準(zhǔn)高速機(jī)車運(yùn)用的緊張狀況，填補(bǔ)中國(guó)內(nèi)地交流傳動(dòng)大功率機(jī)車在準(zhǔn)高速范圍內(nèi)實(shí)際運(yùn)用的空白[2]。

HXD3D型客運(yùn)電力機(jī)車是功率最高的新型電力客運(yùn)機(jī)車之一，憑借7 200 kW的功率，可輕松牽引20節(jié)的旅客列車，一次最多可輸送3 000名旅客[2]。與現(xiàn)有普及的交流客運(yùn)機(jī)車相比，一方面它的牽引性能有了大幅提高，速度提高了30%；另一方面與相同速度的傳統(tǒng)直流客運(yùn)機(jī)車相比，它的加速時(shí)間和加速距離又縮短了至少一半，從啟動(dòng)到加速至160 km/h，只需5 min，客運(yùn)機(jī)車的軸重20 t，整備質(zhì)量126t[3]，由于該型號(hào)機(jī)車為高速重載工況，故要求油品在高速?zèng)_擊和高扭矩等苛刻條件下具有突出的極壓抗磨性和優(yōu)異的承載能力。齒輪箱運(yùn)行溫度在70 ℃左右，最高溫度120 ℃，由于車輛的運(yùn)行區(qū)間南北跨度大，要求油品滿足-40 ℃環(huán)境下的使用要求，因此要求油品具有良好的黏溫性能和低溫流動(dòng)性能。

鐵路和諧客運(yùn)電力機(jī)車是目前鐵路系統(tǒng)主要的運(yùn)力車輛，中車集團(tuán)下屬各車輛制造企業(yè)在研發(fā)和諧客運(yùn)電力機(jī)車的過(guò)程中大部分關(guān)鍵零部件已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，但在驅(qū)動(dòng)裝置部分仍以直接引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品為主，在齒輪油的使用上仍以齒輪箱廠商指定的進(jìn)口潤(rùn)滑油為主。根據(jù)《中國(guó)制造2025》要求，我國(guó)鐵路機(jī)車齒輪箱用油國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。因此鐵路和諧電力機(jī)車配套齒輪油的研制，是解決國(guó)內(nèi)鐵路和諧客運(yùn)電力機(jī)車齒輪油國(guó)產(chǎn)化的重要措施，并具有實(shí)際市場(chǎng)推廣意義。根據(jù)需求，本文對(duì)和諧客運(yùn)電力機(jī)車使用工況開展調(diào)研，并對(duì)國(guó)外競(jìng)品進(jìn)行分析，結(jié)合油品使用工況和競(jìng)品性能特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室大量的考察，最終成功研制出滿足和諧客運(yùn)電力機(jī)車潤(rùn)滑需求的昆侖KGT150機(jī)車齒輪油產(chǎn)品。

鐵路機(jī)車在用齒輪油調(diào)研

通過(guò)對(duì)HXD3D型客運(yùn)電力機(jī)車在用國(guó)外競(jìng)品進(jìn)行調(diào)研，這款油品只有150黏度級(jí)別產(chǎn)品，主要應(yīng)用于極端氣候和負(fù)荷條件下鐵路機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置齒輪的潤(rùn)滑，是一種合成型高性能長(zhǎng)壽命齒輪油。該國(guó)外競(jìng)品理化分析結(jié)果見表1。

表1 國(guó)外競(jìng)品理化分析數(shù)據(jù)

從表1分析數(shù)據(jù)可以看出，國(guó)外競(jìng)品是一款全合成車輛齒輪油，具有良好的黏溫性能、低溫性能、優(yōu)異的極壓抗磨性及突出的承載能力。

KGT150機(jī)車齒輪油的研制

結(jié)合油品使用工況和競(jìng)品性能特點(diǎn)，通過(guò)基礎(chǔ)油和添加劑的篩選考察，研制出滿足HXD3D型客運(yùn)電力機(jī)車潤(rùn)滑需求的昆侖KGT150機(jī)車齒輪油產(chǎn)品。

基礎(chǔ)油的選擇

首先對(duì)KGT150機(jī)車齒輪油的基礎(chǔ)油進(jìn)行了篩選，結(jié)合HXD3D型客運(yùn)電力機(jī)車齒輪箱運(yùn)行溫度在70 ℃左右，最高溫度120 ℃，另外由于車輛的運(yùn)行區(qū)間南北跨度大，要求油品滿足-40 ℃環(huán)境下的使用要求，因此基礎(chǔ)油選用具有優(yōu)異的黏溫性能和低溫流動(dòng)性能的PAO合成油進(jìn)行復(fù)配調(diào)合，添加部分酯類油增加油品的溶解性，油品具有優(yōu)異的黏溫性能和低溫流動(dòng)性能?；A(chǔ)油篩選方案見表2。

表2 KGT150機(jī)車齒輪油基礎(chǔ)油的選擇

從表2可以看出，GO-2 40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度不能滿足150黏度級(jí)別要求，且低溫表觀黏度不能滿足指標(biāo)要求。經(jīng)成本核算，GO-2成本遠(yuǎn)高于GO-1。GO-1 40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為144.3 mm2/s，可滿足150黏度級(jí)別要求，-40 ℃低溫表觀黏度與國(guó)外競(jìng)品相當(dāng)，且引入高黏度合成基礎(chǔ)油替代黏度指數(shù)改進(jìn)劑，可以有效避免因齒輪剪切帶來(lái)的黏度下降問(wèn)題。因此，初步確定GO-1方案為KGT150機(jī)車齒輪油基礎(chǔ)油方案。

添加劑的選擇

前文提到HXD3D型客運(yùn)電力機(jī)車運(yùn)行工況為高速重載工況。一般低速重載工況采用重負(fù)荷工業(yè)齒輪油配方，高速重載工況采用重負(fù)荷車輛齒輪油配方，因此添加劑應(yīng)采用車輛齒輪油配方。借鑒前期長(zhǎng)壽命車輛齒輪油配方[4]，選用復(fù)合劑A。因現(xiàn)有配方體系無(wú)法滿足20萬(wàn)km換油周期的需求，需添加補(bǔ)強(qiáng)劑對(duì)油品的抗氧化性能進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。將補(bǔ)強(qiáng)劑、復(fù)合劑A加入選定的基礎(chǔ)油中進(jìn)行油品調(diào)合，采用強(qiáng)化L-60-1熱氧化穩(wěn)定性臺(tái)架對(duì)油品的抗氧化性能進(jìn)行考察。具體調(diào)合方案及數(shù)據(jù)見表3。

表3 KGT150機(jī)車齒輪油抗氧化性能的考察

從表3數(shù)據(jù)可以看出，GO-4可以滿足臺(tái)架指標(biāo)要求。添加補(bǔ)強(qiáng)劑可以有效提高油品的抗氧化性能，以滿足20萬(wàn)km換油周期的潤(rùn)滑需求。該配方所有齒輪箱均可用，完全可以滿足和諧客運(yùn)電力機(jī)車高速重載的工況。

油品全分析數(shù)據(jù)

依據(jù)確定的配方調(diào)配了KGT150機(jī)車齒輪油，油品與國(guó)外競(jìng)品的分析數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4 KGT150機(jī)車齒輪油數(shù)據(jù)

從表4可以看出，KGT150機(jī)車齒輪油各項(xiàng)性能均與國(guó)外競(jìng)品相當(dāng)，且黏度指數(shù)到達(dá)142，優(yōu)于國(guó)外競(jìng)品；傾點(diǎn)為-48 ℃，遠(yuǎn)低于國(guó)外競(jìng)品；另外在銅片腐蝕和磨斑直徑方面均優(yōu)于國(guó)外競(jìng)品。因此，KGT150機(jī)車齒輪油在黏溫性能、低溫性能、防腐蝕性能以及抗磨損性能方面優(yōu)于國(guó)外競(jìng)品。

KGT150機(jī)車齒輪油與競(jìng)品的性能評(píng)價(jià)

為了更好地評(píng)價(jià)研制油在實(shí)際使用過(guò)程中的性能，通過(guò)SRV摩擦磨損試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)以及EHD2油膜厚度測(cè)定試驗(yàn)等模擬試驗(yàn)對(duì)研制油和國(guó)外競(jìng)品進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)方法

SRV摩擦磨損試驗(yàn)：采用德國(guó)OPTIMOL公司生產(chǎn)的SRV4高頻往復(fù)線性振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，按NB/SH/T 0847《極壓潤(rùn)滑油摩擦磨損性能的測(cè)定SRV試驗(yàn)機(jī)法》測(cè)定油品的磨斑直徑和摩擦系數(shù)，試驗(yàn)條件為：負(fù)荷300 N，頻率為50 Hz，時(shí)間為2 h，溫度為50 ℃，行程1 mm。

溫升試驗(yàn)：采用德國(guó)Hansa Press公司生產(chǎn)的VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)測(cè)試油品在使用過(guò)程中的溫度變化情況。試驗(yàn)條件：軸承浸泡在38 mL被測(cè)油品中，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，載荷5 000 N，時(shí)間為120 min。

EHD2油膜厚度測(cè)定試驗(yàn)：采用英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的EHD2油膜厚度測(cè)定儀，測(cè)試油品在80 ℃和120 ℃，載荷25 N條件下的油膜厚度。

SRV摩擦磨損試驗(yàn)

SRV摩擦磨損試驗(yàn)為固定載荷和溫度的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的抗磨損性能和摩擦特性。KGT150機(jī)車齒輪油和國(guó)外競(jìng)品的SRV摩擦磨損試驗(yàn)曲線如圖1所示。

圖1 SRV摩擦磨損試驗(yàn)曲線

從圖1可以看出，KGT150的摩擦系數(shù)隨首試驗(yàn)時(shí)間的進(jìn)行始終保持平穩(wěn)，與國(guó)外競(jìng)品相當(dāng)，表明兩者均具有良好的摩擦特性。

溫升試驗(yàn)

潤(rùn)滑油使用過(guò)程中受到剪切和壓縮作用產(chǎn)生熱量，會(huì)引起溫度升高，從而導(dǎo)致油品黏度下降，進(jìn)而影響潤(rùn)滑油的承載能力，因此，需要對(duì)油品的溫升進(jìn)行考察。采用VKA 110四球試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)油在一個(gè)推力球軸承上進(jìn)行測(cè)試，該軸承通過(guò)四球試驗(yàn)機(jī)帶動(dòng)。軸承浸泡在38 mL被測(cè)的油品中，試驗(yàn)軸承在一個(gè)保溫材質(zhì)制成的保護(hù)罩中進(jìn)行試驗(yàn)。借助推力滾子軸承溫度適配器測(cè)試記錄潤(rùn)滑油的溫度變化，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)試得到油品的溫度變化值，稱之為油品的穩(wěn)態(tài)溫度。KGT150機(jī)車齒輪油和國(guó)外競(jìng)品的溫升曲線如圖2所示。

圖2 溫升試驗(yàn)曲線

從圖2可以看出，KGT150機(jī)車齒輪油穩(wěn)態(tài)溫度低于競(jìng)品，對(duì)應(yīng)實(shí)際工況，可以提高齒輪箱傳動(dòng)效率，降低工作溫度，并減少功率輸出和能源消耗。

EHD2油膜厚度測(cè)定試驗(yàn)

成膜能力的評(píng)價(jià)也是對(duì)油品在苛刻工況下減摩特性的考察，成膜能力強(qiáng)，在極端工況下，能夠有效對(duì)摩擦副起到潤(rùn)滑保護(hù)作用，減少摩擦磨損，從而起到減摩作用。KGT150機(jī)車齒輪油和國(guó)外競(jìng)品的油膜厚度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 油膜厚度（80 ℃）曲線

圖4 油膜厚度（120 ℃）曲線

從圖3、圖4可以看出，KGT150機(jī)車齒輪油在80 ℃條件下平均油膜厚度與國(guó)外競(jìng)品相當(dāng)，在120 ℃條件下平均油膜厚度大于國(guó)外競(jìng)品，表明KGT150相比競(jìng)品在高溫下具有更為優(yōu)異的成膜能力，在對(duì)應(yīng)實(shí)際工況下可以對(duì)設(shè)備起到潤(rùn)滑保護(hù)作用，減少摩擦磨損。

行車試驗(yàn)

KGT150機(jī)車齒輪油在中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司生產(chǎn)的HXD3D型機(jī)車上開展行車試驗(yàn)，試驗(yàn)線路為西起蘭州站、東至連云站的隴海鐵路，全長(zhǎng)1 759 km，東西跨度大。試驗(yàn)車輛共3臺(tái)，齒輪箱均加裝KGT150機(jī)車齒輪油，運(yùn)行20萬(wàn)km左右數(shù)據(jù)分析無(wú)異常。其中一臺(tái)車行車試驗(yàn)油液監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表5。

從表5可以看出，初始0 km油樣中含有少量鐵、銅，推斷來(lái)源于齒輪箱舊油。因?yàn)樵囼?yàn)車輛并非新車，試驗(yàn)前需要將齒輪箱內(nèi)舊油放凈后加入新油，但舊油無(wú)法完全放凈，因此有部分殘留。車輛運(yùn)行20萬(wàn)km鐵元素含量未超過(guò)100 mg/kg，遠(yuǎn)低于參考換油指標(biāo)的要求；銅元素含量未超過(guò)10 mg/kg，遠(yuǎn)低于參考換油指標(biāo)的要求。另外，黏度變化、酸值變化以及正戊烷不溶物含量都很小，表明KGT150機(jī)車齒輪油能夠滿足HXD3D型機(jī)車齒輪箱潤(rùn)滑需求。

結(jié)束語(yǔ)

☆通過(guò)對(duì)HXD3D型客運(yùn)電力機(jī)車使用工況開展調(diào)研，并對(duì)國(guó)外競(jìng)品進(jìn)行分析，結(jié)合油品使用工況和競(jìng)品性能特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)油、添加劑的篩選，成功研制出昆侖KGT150機(jī)車齒輪油產(chǎn)品。研制油在黏溫性能、低溫性能、防腐蝕性能以及抗磨損性能方面優(yōu)于國(guó)外競(jìng)品。

☆模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，研制油相比某國(guó)外競(jìng)品具有更好的摩擦特性、溫升性能以及成膜能力。

☆采用研制油在HXD3D型機(jī)車上開展了行車試驗(yàn)，運(yùn)行20萬(wàn)km時(shí)數(shù)據(jù)分析無(wú)異常，研制油能夠滿足HXD3D型機(jī)車齒輪箱潤(rùn)滑需求。