城市軌道交通專用齒輪潤滑油臺架試驗研究

戚文正，李優(yōu)華，劉杰，劉世軍，顧曉宏

(鄭州機械研究所有限公司齒輪傳動公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

目前我國城市軌道交通發(fā)展迅速，已成為我國經濟和裝備制造發(fā)展的一個重要亮點。僅地鐵方面，截止2017年4月底，我國已有43座城市獲準建設城市軌道交通，獲批規(guī)劃里程達9277 km，已運營里程達到了3898 km。面對巨大的市場機遇，近年來，鄭州機械研究所有限公司始終致力于地鐵驅動齒輪裝置的設計研發(fā)和制造，針對地鐵車輛的技術參數要求，使用工況，從理論研究、方案設計、工藝論證、到樣機制、試驗研究等方面開展系列嚴謹研制工作，針對其結構、潤滑、密封、材料、制造等關鍵技術，進行了研究攻關，成功解決了研究中遇到的各項技術難題。但由于軌道交通齒輪箱的特殊運行工況及對潤滑油的高品質特殊要求，我國軌道交通齒輪箱用油長期以來被國外石油公司的高檔齒輪油品所壟斷，一直使用殼牌、美孚、克虜伯等進口齒輪潤滑油。為此，鄭州機械研究所有限公司聯(lián)合潞安太行潤滑油有限公司及中科院上海高端研究院合作進行了軌道交通齒輪箱專用潤滑油的開發(fā)研制工作，以期實現我國在城市軌道交通專用潤滑油成功國產化的目標。

1 試驗目的、試驗設備及試驗油樣

1.1 試驗目的

為了實現我國在城市軌道交通齒輪箱齒輪潤滑油國產化的目標，了解和掌握潞安太行潤滑有限公司開發(fā)研制的1#和2#兩種城市軌道交通齒輪箱潤滑油和在用的進口同類油品的綜合使用性能的臺架對比試驗測試，測試項目包括：齒輪箱傳動效率、軸承溫升、工作油溫、潤滑油熱平衡溫度、齒輪箱振動、噪聲等。并根據臺架綜合性能測試結果，確定出一種研制油品為地鐵驅動齒輪箱實機運行試驗用油。

1.2 試驗設備

本次臺架試驗是在國家齒輪產品質量監(jiān)督檢驗中心的TY200齒輪箱綜合性能試驗臺上進行的。試驗用齒輪箱為鄭州機械研究所有限公司開發(fā)研制的ZZL2地鐵車輛驅動齒輪箱。試驗齒輪箱的主要技術參數見表1。

表1 ZZL2試驗驅動齒輪箱主要技術參數

1.3 試驗油樣

本次試驗用油選用潞安太行潤滑油有限公司研制生產的優(yōu)質煤基全合成基礎油(PAO)，加入不同主要添加劑類型的多功能復合添加劑(使用的兩個多功能復合添加劑均是已應用于重負荷車輛齒輪油GL-5的配方,均已通過L-33,L-37, L-42，L-60等相關臺架標準要求)，采用先進調合技術調制出1#太行軌道交通專用齒輪油和2#太行軌道交通專用齒輪油，并與ZZL2地鐵驅動齒輪箱原用進口克虜伯GE4油一起進行臺架綜合性能對比測試試驗。按照重負荷車輛齒輪油(GL-5)的質量標準要求對三種試驗油樣的主要性能進行了分析評定，評定結果見表2。

表2 太行1#、2#軌道交通專用齒輪油與克虜伯GE4齒輪油主要性能對比

2 技術試驗方法及測試項目

2.1 試驗方法

城市軌道交通齒輪箱正常運行時處于頻繁啟停狀態(tài)，為使試驗更加接近齒輪箱實際運行工況，本次試驗采用了48 h沖擊耐久性加載試驗。試驗時按表3對試驗齒輪箱進行啟停沖擊試驗。試驗過程中需測量加載扭矩為1080 N·m時的齒輪箱傳動效率。按照此試驗方法試驗運行24 h，正反方向各試驗24 h。

表3 啟停沖擊試驗轉速、扭矩及試驗時間

2.2 測試項目

試驗過程中每間隔1 h測試齒輪箱輸入/輸出扭矩(傳動效率)、輸入/輸出端軸承溫度、油溫及環(huán)境溫度，以及齒輪箱輸入端/輸出端的振動、噪聲值。

3 試驗結果及分析

通過對太行1#油、太行2#油及進口克虜伯油三種試驗油樣在同一試驗條件下分別進行48 h沖擊耐久試驗，測試得出三種試驗油樣的軸承溫升、試驗油熱平衡溫度溫升、傳動效率及振動、噪聲測試值，并進行分析對比，三種試驗油樣的實際潤滑性能優(yōu)劣。

(1) 軸承溫升測試對比結果(見圖1)

圖1為三種試驗油樣在臺架試驗結束時輸入端及輸出端軸承溫升測試結果。

圖1 三種試驗油樣軸承溫升對比

從圖1中可以清楚看出，太行2#油的軸承溫升值最低，太行1#油次之，進口克虜伯油的軸承溫升值最高。這說明從對齒輪箱中軸承的潤滑效果來說，太行2#油的潤滑性能最佳。

(2)潤滑油熱平衡溫度測試對比結果(見圖2)

圖2 三種試驗油樣的熱平衡溫度對比

從圖2中可以看出，太行2#油樣的潤滑油熱平衡溫度最低，太行1#油次之，進口克虜伯油樣的熱平衡溫度最高。從三種試驗油樣的熱平衡溫度測試對比結果說明太行2#油樣的潤滑冷卻性能最優(yōu)，對于試驗齒輪和軸承的潤滑其具有優(yōu)良的極壓抗磨、減摩性能及良好的散熱冷卻作用。

(3)傳動效率測試對比結果(見圖3)

圖3 三種試驗油樣的齒輪箱傳動效率對比

圖3為三種試驗油樣的試驗齒輪箱傳動效率測試值，從圖3中可以看出，太行2#油樣的齒輪箱傳動效率最高(99.2%)，其次是進口克虜伯油樣(99.0%)，太行1#油樣的齒輪箱傳動效率最低(98.6%)，這說明太行2#油和進口克虜伯油具有良好的齒面減摩性能，起到了減小摩擦阻力，降低摩擦系數，從而提高齒輪箱傳動效率，節(jié)省動力的作用。同時說明油品中極壓添加劑、油樣劑的類型及含量對齒面減摩作用及齒輪箱傳動效率有著較為明顯的影響。

(4)試驗齒輪箱振動、噪聲測試對比結果(見圖4及圖5)

圖4為三種試驗油樣的齒輪箱噪聲測量值(分別為齒輪箱體左、中、右三個測量點)，圖5為三種試驗油樣的齒輪箱輸入/輸出軸端垂直、水平、軸向振動測試值。

圖4 三種試驗油樣的齒輪箱噪聲值對比

圖5 三種試驗油樣的齒輪箱振動對比

從圖4及圖5中可以明顯看出，在三個試驗油樣的齒輪箱噪聲測試值對比中，太行2#油樣的噪聲值最低，其次是太行1#油樣，進口克虜伯油樣的齒輪箱噪聲測試值最高。在三個試驗油樣的齒輪箱振動值測試對比中，太行2#油樣的齒輪箱振動值最低，其次是太行1#油樣，進口克虜伯油樣的齒輪箱振動值最大。這說明了太行2#及太行1#兩個研制油樣在降噪減振性能方面均達到且略優(yōu)于進口克虜伯油樣的性能水平，相比而言，太行2#油樣在試驗齒輪箱的潤滑作用中表現出了最優(yōu)良的減振、降噪性能。

4 結論

從上述臺架試驗結果及分析可以得出以下幾點結論：

(1)按照GB 13895-1992“重負荷車輛齒輪油(GL-5)”質量標準要求，研制的太行2#及太行1#兩種軌道交通專用齒輪油的主要性能質量指標均達到了進口克虜伯GE4齒輪油的質量水平。

(2)從地鐵驅動齒輪箱實機臺架對比試驗中所測試的軸承溫升、潤滑油熱平衡溫度、齒輪箱傳動效率及振動、噪聲測試結果綜合來看，研制的太行2#及太行1#軌道交通齒輪油均達到了原用進口克虜伯GE4齒輪油的潤滑效果和質量水平，完全能滿足城市軌道交通驅動齒輪箱的潤滑要求。

其中太行2#軌道交通專用齒輪油表現出了最優(yōu)良的極壓抗磨、減摩、降低摩擦系數的潤滑冷卻作用，所測試的各項目測量值均稍優(yōu)于進口克虜伯GE4齒輪油。

(3)從本次臺架對比試驗所測試的所有項目測試值對比來看，研制的太行2#軌道交通專用齒輪油均明顯優(yōu)于太行1#軌道交通齒輪油，因此確定研制的太行2#軌道交通齒輪油配套應用于鄭州機械研究所有限公司生產的ZZL2型地鐵車輛驅動齒輪箱的實際運行試驗潤滑用油，以實現我國在城市軌道交通齒輪箱潤滑油國產化的目標。