高速列车齿轮箱润滑油发黑问题研究与优化

张朝前，于大海，林国帅

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

随着高铁线路开通数量日益增多，线路里程越来越长，各种复杂严苛的运营工况亦随之而来。转向架齿轮箱作为传递高速列车牵引动力的关键单元，通常也是风险最高的部件之一，在运用过程中或发生润滑油发黑现象。通常来说发黑只是一种表象，根本原因可能是润滑油变质或者齿轮箱内部的旋转部件异常磨损或其他原因［1］，问题如不尽早解决将导致齿轮箱使用寿命缩短，甚至引起齿轮接触疲劳及轴承烧损等严重故障，引发高铁运用安全事故。自高铁开通以来，各型动车组基本都发生过润滑油发黑故障，其中某型动车组配属于多个铁路局应用，但仅部分铁路局发生齿轮箱润滑油发黑现象，换油后一段时间再次发生变色甚至发黑现象，轴温报警系统显示齿轮箱轴承温度正常。以此问题为典型，通过深入调查确定发黑原因提出解决方案并引发相关思考。

1 齿轮箱结构及试验简介

齿轮箱作为高速列车的核心部件之一，主结构采用铝合金箱体、圆柱滚子轴承及球轴承、一级斜齿轮传动，大小端密封结构均采用金属迷宫+接触式组合密封，齿轮箱上部设置带有呼气功能的通气装置以平衡齿轮箱运转时内外气压变化［2］，润滑油采用GL-5质量等级的合成润滑油，齿轮箱带有接地装置（内含接地电刷）以导通牵引变压器工作回流。齿轮箱装车前经过大量的台架试验考核，如高低温试验、运转温升平衡试验、淋雨试验等，并进行了长时间的线路试验，状态良好，未发生润滑油批量乳化现象，齿轮箱结构如图1所示。

图1 齿轮箱结构

2 原因分析

2.1 润滑油化验分析

为确保发黑原因定位准确，抽取发黑润滑油与正常润滑油以及新品润滑油送至多家第三方检测单位进行对比化验分析，通过采取PQ指数、光谱、铁谱和光学显微分析等多种检测方法，显示发黑润滑油黏度未发生明显变化；水含量正常；油中除含有较高的铁元素外，还包含硅、钙、镁、钡以及少量氟等污染元素，硼、硫元素（润滑油添加剂中的主要元素）相对较少；油品过滤后的光谱分析结果表明发黑润滑油基本没有氧化；润滑油中的不溶物包括铁磁性颗粒及腐蚀性磨损颗粒，是引起发黑的主因。通过化验，一是排除了润滑油自身质量问题；二是表明齿轮箱内部的轴承或齿轮磨损；三是证明润滑油存在被外界沙尘污染的可能性。

2.2 全面调查

为深入分析润滑油发黑污染源，从齿轮箱设计结构、内部零部件产品质量、线路运用环境、检修维护方法等方面逐一分析排查，并对齿轮箱进行分解精密调查。

（1）齿轮箱设计结构。齿轮箱内部与外界连通的部位共有4处，一是通气装置；二是PM侧密封结构；三是GM侧密封结构；四是GW侧密封结构。此4处均为成熟设计结构，在其余项目齿轮箱上大量应用。除了尺寸略有差异，较大的差异点是GW侧密封结构处与车轴配合部位略有不同，结构详细对比如图2所示。

图2 齿轮箱GW侧密封结构

注：PM-小齿轮电机侧轴承，GM-大齿轮电机侧轴承，GW-大齿轮车轮侧轴承。

（2）产品质量。轴承采用成熟型号，齿轮材料及制造工艺较既有产品未发生变化，供货质量一直较为稳定。

（3）线路环境。对该型动车组齿轮箱在全路的运用情况统一调研，润滑油发黑现象较多存在于沙尘较大的新开通线路，拆解通气装置检查发现填充物较脏。调研期间适逢该型动车组在某局管路内遭遇大雪天气，转向架区域积雪严重，部分齿轮箱润滑油乳化，拆解通气装置发现部分存在水迹。

（4）运用维护。铁路局在停车库内对车辆检修时，不存在用水直接冲洗齿轮箱的情况，也没有其他不符合规范的操作。

（5）精密调查。选取润滑油发黑齿轮箱下车分解，调查结果显示齿轮、轴承表面状态未见明显异常，金属迷宫密封未发生异常磨损，齿轮箱内亦未发现组装异物，通气装置填充物有沙尘，GW侧密封处油泥较多，PM侧及GM侧密封处较为干净。将油泥、接地电刷及其磨耗粉、橡胶密封圈及其内部涂抹的润滑脂、通气装置填充物进行化验，结果显示油泥中含有大量硅、钙、镁、钡、硼、硫等元素，填充物中硅、钙元素含量相对较低，润滑脂中含有大量钡元素，橡胶密封圈主要含氟元素，接地电刷主要为铜元素。将化验结果与发黑润滑油检测结果进行对比分析，表明电刷磨耗的碳粉未进入齿轮箱内部（润滑油中铜含量较低）。

2.3 发黑原因及机理分析

通过调查，基本排除齿轮箱内部零部件异常磨损导致发黑的可能性，确定发黑主要是由外界污染物沙尘引起，且可排除从PM侧及GM侧密封进入齿轮箱的可能，判断沙尘从通气装置进入齿轮箱的概率较小，从GW侧密封处进入概率较大。鉴于此，同步采取几项验证措施，一是对齿轮箱通气装置包裹后进行线路运行，如图3所示；二是选取既有成熟项目和该项目齿轮箱在试验台进行对比试验验证，对轮箱通气装置开展冰雪堆积试验、对GW侧密封处开展淋水及喷沙试验（轮对旋转以模拟现车运用状态如图4、图5所示）。线路试验结果表明通气装置包裹后仍存在润滑油变黑或乳化现象；台架试验结果表明通气装置积雪状态下未发生润滑油乳化现象，该项目齿轮箱GW侧密封结构在淋水试验后发生润滑油乳化现象，喷沙试验后发生润滑油变色现象。

图3 通气装置包裹线路运用

图4 台架淋水试验

图5 台架喷沙试验

综上，确定润滑油发黑或乳化原因为：线路沙尘较大或大雪天气下，沙尘（极细小）或积雪融水通过齿轮箱GW侧密封处（密封盖与车轴卸荷槽形成的小突悬结构）进入齿轮箱内部，导致润滑油变色。

沙尘或积雪融水进入齿轮箱机理分析：齿轮箱临近车轮/制动盘，高速旋转时，制动盘相当于一个风箱，故此处沙尘较大（乳化是由于大雪天气下，齿轮箱及制动盘冰雪融水），配合车轴的高速旋转，使得沙尘沿着车轴卸荷槽的圆弧在离心力作用下逐渐聚集在齿轮箱GW侧密封突悬处（如无突悬，则顺着密封盖表面流走），密封盖与车轴为一静一动配合，在车轴旋转作用下使沙尘更易于顺着迷宫间隙进入密封圈，致使氟橡胶密封圈轻微磨损，沙尘积聚到一定程度会连同密封唇内的润滑脂通过齿轮箱轴承盖上的回油孔逐渐进入齿轮箱内部，如图6所示。

图6 齿轮箱GW侧密封结构沙尘雨雪运动轨迹示意

润滑油发黑机理：极细小的沙尘混到润滑油中，加剧了齿轮或者轴承的磨损，生成较多的小尺寸铁磁性颗粒（15μm以下，有金属光泽，属于物理磨损），在齿轮副啮合的瞬间，这些铁磁性颗粒和润滑油中的添加剂在高温作用下与齿轮表面发生化学反应，生成大量腐蚀磨损颗粒（尺寸多在2μm及以下的铁化合物，无磁性，无金属光泽），沙尘与此2种磨损颗粒引起润滑油逐渐发黑不透明。（注：基于润滑油的特性，沙尘导致发黑是个缓慢过程，冰雪导致乳化一般为短时间发生。）

3 优化方案

对齿轮箱GW侧密封结构进行优化，提出3种方案，如图7所示。

图7 齿轮箱GW侧密封结构优化方案

方案比选：方案1是对挡油环及密封盖均优化，结构可靠，但既有齿轮箱改造需要更换挡油环；方案2是增加防水挡圈、优化密封盖，操作便捷，但防水挡圈组装可靠性待运用考核，长期运用有松脱风险；方案3是增加防水用摩擦环、优化密封盖，改动较小，操作便捷，但摩擦环疲劳可靠性待验证。3个方案均通过台架淋水试验验证，防水效果良好，其中方案1还完成了喷沙试验，防沙尘效果良好。基于可靠性考虑，优选方案1。另外，考虑到个别线路冬季大雪天气较多，对密封盖空腔下部增加一个螺纹排水孔并采用螺栓临时封堵，可根据运用情况决定是否打开排水孔。按照优化结构改造后的齿轮箱上线运用考核未再发生润滑油发黑或乳化现象，表明改造效果良好，后续批量动车组均执行了此优化方案。

此外，根据不同线路运用的大批量齿轮箱润滑油定期抽检结果以及发黑或乳化润滑油检验结果，优化了润滑油失效评判标准，重点对铁含量限度进行优化，采取预判、预警、报警3个等级，每个等级对应的处理措施不同，为动车组齿轮箱更加科学合理的运用提供了指导依据。

4 结束语

（1）同一结构齿轮箱，在某些线路应用成熟，但更换线路后（包括气候条件的变化）出现问题是由于齿轮箱密封结构设计不适用线路运用导致，且产品设计阶段的台架试验验证不足以完全模拟线路及气候条件运营工况，原因一方面是由于认知不足，另一方面是由于线路及气候条件模拟较为困难。该项目齿轮箱前期在试验台上也做了淋雨试验，但只是做了静态试验，未考虑到轮对旋转状态下的动静密封匹配问题；防沙尘模拟试验最初认为无法实现。

（2）为提高故障解决效率，避免重复解决，首先要保证故障原因定位准确，调查方法要全面细致。该项目在原因确定的过程中，首先采取油品化验分析，其次从设计结构、产品质量、运用环境、检修维护及分解检查多方面调查，采取线路考核及台架试验验证进行原因锁定，在关键环节采取了对比验证方法。

（3）随着高铁运行里程增加，前期动车组齿轮箱出现过箱体裂纹、轴承烧损、润滑油渗漏、包括润滑油发黑或乳化等故障，经过调查分析均有效解决。问题更多体现在产品与运营工况之间的匹配方面，即车线耦合问题。除了传统的弓网耦合、轮轨耦合、流固耦合等需要持续研究外，环境耦合、机电耦合等亦需要开展深入研究，从设计方法及试验验证等方面进一步提高产品运行安全性及可靠性。