城市軌道交通車輛齒輪箱油的檢測(cè)與診斷

呂子雷 趙 勇

（云南京建軌道交通投資建設(shè)有限公司，650032，昆明∥第一作者，工程師）

齒輪箱是城市軌道交通列車走行系統(tǒng)的重要?jiǎng)恿鲃?dòng)部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響列車的安全運(yùn)營(yíng)，而齒輪箱油可以降低齒輪摩擦系數(shù)、減少摩擦生熱，同時(shí)減少齒輪磨損、提升零部件使用壽命。但在實(shí)際運(yùn)用過程中，因缺少對(duì)油液狀態(tài)的分析與診斷，只能以經(jīng)驗(yàn)判斷或定期更換齒輪箱油的方式進(jìn)行日常檢修維護(hù)。

廣州某型車輛在運(yùn)用過程中多次出現(xiàn)齒輪箱內(nèi)部齒輪、軸承異常磨損的情況，一旦齒輪箱油狀態(tài)變差后若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致齒輪箱疲勞磨損加快，出現(xiàn)齒輪、軸承失效等故障。因此，本文希望通過對(duì)齒輪箱油各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的檢測(cè)來優(yōu)化檢修策略，在計(jì)劃修的基礎(chǔ)上找到狀態(tài)修的切入點(diǎn)，以保障列車走行系統(tǒng)關(guān)鍵部件齒輪箱的安全運(yùn)營(yíng)。

1 油液檢測(cè)

油液檢測(cè)最初應(yīng)用于油污染分析，主要是分析油品的理化指標(biāo)如黏度、水分、酸值、機(jī)械雜質(zhì)的含量。隨著機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜化及維修要求的提升，促使人們積極開發(fā)基于油液檢測(cè)的診斷方法［1］。包括通過光譜檢測(cè)分析油液中各磨粒元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及通過鐵譜檢測(cè)分析油液中磨粒的濃度、尺寸形狀、形貌和成分，預(yù)知傳動(dòng)零部件的磨損情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期的故障隱患。

2 齒輪箱油液分析

目前，對(duì)城市軌道交通車輛齒輪箱油的常規(guī)油液檢測(cè)主要包含油品質(zhì)量檢測(cè)與金屬含量檢測(cè)兩個(gè)方面。

2.1 油品質(zhì)量檢測(cè)

常規(guī)的油品質(zhì)量檢測(cè)包含了對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、水分含量的檢測(cè)，主要反映齒輪箱油的油品質(zhì)量變化。而油品質(zhì)量變化程度與不同種類的齒輪箱油及不同的工作環(huán)境有關(guān)。因此，在日常檢修過程中主要是根據(jù)油的外觀來判斷齒輪箱油品的狀態(tài)。

例如，齒輪箱油的氧化變色導(dǎo)致的齒輪箱油發(fā)黑，或由于齒輪箱密封性失效，水分進(jìn)入齒輪箱后在油品中活性劑的影響下會(huì)產(chǎn)生乳化作用，導(dǎo)致齒輪油出現(xiàn)的發(fā)白乳化現(xiàn)象。

因此，對(duì)油品質(zhì)量的檢測(cè)中需要重點(diǎn)關(guān)注酸值與水分含量的變化情況，對(duì)出現(xiàn)異常的齒輪箱需要密切跟蹤其運(yùn)用情況或者預(yù)防性地更換齒輪箱油。

2.2 金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)

油液檢測(cè)可以對(duì)齒輪箱油中的磨損金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析。常見的磨損金屬元素包括Fe、Cr、Mn 等鋼質(zhì)磨粒及Cu、Pb、Sn 等有色金屬磨粒［2］。

鋼質(zhì)磨粒（Fe、Cr、Mn）的異常增加代表齒輪箱內(nèi)的齒輪與軸承滾子可能存在表面的異常磨損。選取廣州地鐵某型車輛出現(xiàn)的軸承滾子表面磨損的齒輪箱內(nèi)的箱油進(jìn)行檢測(cè)，與其他運(yùn)用km 數(shù)相近的齒輪箱內(nèi)的箱油進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，故障齒輪箱內(nèi)鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯超出其他齒輪箱；同時(shí)鐵譜分析結(jié)果顯示，有較多的鑄鐵/鋼類小尺寸的金屬疲勞磨粒，而其他齒輪箱的檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有明顯磨損顆粒。

表1 軸滾子表面磨損的齒輪箱箱油中部分成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)對(duì)比

有色金屬磨粒（Cu、Pb、Sn）的異常增加則說明軸承銅保持架可能存在異常磨損情況，尤其在輸出端與聯(lián)軸節(jié)相連接的軸承保持架，因持續(xù)承受力矩與振動(dòng)，容易造成保持架故障［3］。廣州地鐵某型車在日常檢修作業(yè)中發(fā)現(xiàn)某齒輪箱的齒輪箱油渾濁且呈金黃色，油中有金黃色顆粒，檢查排油口的磁性油塞，發(fā)現(xiàn)吸附了較多的金屬顆粒。抽取該齒輪箱油樣進(jìn)行油液檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱油中的Fe、Cu 及酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于正常值（如表2 所示）。

表2 某型車齒輪油液檢測(cè)指標(biāo)對(duì)比

為進(jìn)一步確認(rèn)齒輪箱零部件的狀態(tài)，將輪對(duì)進(jìn)行落架，拆解齒輪箱后發(fā)現(xiàn)齒輪箱小齒輪軸承銅保持架斷裂，大齒輪軸承滾子有剝離現(xiàn)象（如圖1、圖2所示），軸承失效后若繼續(xù)運(yùn)行，將導(dǎo)致軸承燒損、輪對(duì)抱死等重大故障。

對(duì)故障齒輪箱進(jìn)行送檢分析，銅保持架斷裂原因?yàn)殡S齒輪箱運(yùn)用里程增大，銅保持架在振動(dòng)影響下逐漸產(chǎn)生金屬疲勞，進(jìn)而出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致保持架斷裂。而在銅保持架磨損后，齒輪箱油潤(rùn)滑性能受到影響，導(dǎo)致軸承圓柱滾子潤(rùn)滑不到位而出現(xiàn)剝離。

圖1 軸承滾子剝離

圖2 銅保持架斷裂

該故障齒輪箱運(yùn)用里程為152 萬km，齒輪箱油運(yùn)用里程10 萬km，為掌握齒輪箱齒輪、軸承部件的運(yùn)用情況，選取了不同運(yùn)用km 數(shù)范圍內(nèi)的齒輪箱進(jìn)行油液抽樣，并委托第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行油液檢測(cè)。以120 萬km 為分界點(diǎn)（0 ～120 萬km 范圍內(nèi)齒輪箱未出現(xiàn)過故障），往上每隔10 萬km 分段采樣，同一段采取20 個(gè)油樣樣本（160 mL 左右），且均選取運(yùn)用里程在10 萬km 左右的齒輪箱油樣品進(jìn)行油液檢測(cè)，以保證參數(shù)的一致性。以齒輪箱運(yùn)用km數(shù)為變量，分析齒輪箱油中各金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與齒輪箱運(yùn)用km 數(shù)的關(guān)系，得到相關(guān)數(shù)據(jù)如下。

2.2.1 水分與酸值的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖3 所示，不同運(yùn)用里程的齒輪箱，齒輪箱油中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)量基本保持不變，證明齒輪箱的密封性能較好，齒輪箱油沒有受到外界水分侵蝕。

而運(yùn)用里程相對(duì)較大的齒輪箱，內(nèi)部雜質(zhì)逐漸增多，因此酸值會(huì)相對(duì)較高，但上升幅度不大（小于1 mg/g），說明在密封性與抗氧化方面，齒輪箱的表現(xiàn)較好。

2.2.2 Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖4 所示，隨著齒輪箱運(yùn)用里程的增大，齒輪箱油中的ωFe一般增長(zhǎng)較慢，但出現(xiàn)齒輪異常磨損的故障齒輪箱中的ωFe增加較大（達(dá)到265 mg/kg）。經(jīng)分析，該階段為機(jī)械磨損3 個(gè)階段中的穩(wěn)定磨損期，而咬合磨損期一般在2 萬km ～5 萬km，因此新齒輪箱或大修（更換軸承）后的齒輪箱在運(yùn)用2 萬km ～5 萬km 后需要更換齒輪箱油。在穩(wěn)定磨損階段，若齒輪箱油樣中出現(xiàn)ωFe異常增高的情況，需要進(jìn)行放油或拆箱檢查。

圖3 齒輪箱油的酸值與水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 齒輪箱油的Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2.3 Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

如圖5 所示，運(yùn)用公里數(shù)在150 萬km 以下的齒輪箱，齒輪箱油中的ωCu變化較緩慢，說明齒輪箱中的銅質(zhì)金屬部件磨損較穩(wěn)定；而運(yùn)用在150 萬km ～160 萬km 的齒輪箱，齒輪箱油中的ωCu開始逐漸增高，說明銅保持架的磨損來到了機(jī)械磨損的后期（劇烈磨損期），此時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注齒輪箱油的狀態(tài)，若出現(xiàn)了異常的油色現(xiàn)象（渾濁、呈金黃色，且懸浮金屬顆粒），則應(yīng)扣停列車進(jìn)行落輪拆解檢查。

綜合以上分析，提出該型車輛齒輪箱維修策略如下：

圖5 齒輪箱油的Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1）日常檢修中重點(diǎn)關(guān)注齒輪箱油的油色情況，對(duì)油色變化進(jìn)行跟蹤與統(tǒng)計(jì)，總結(jié)檢修工藝。

2）定期對(duì)運(yùn)用km 數(shù)大的齒輪箱開展油液檢測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注齒輪箱運(yùn)用km 數(shù)在150 萬km ～160萬km 段的齒輪箱油中Cu、Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)異常增大情況。

3）將齒輪箱大修（更換軸承）里程由200 萬km調(diào)整至160 萬km，以避免齒輪箱軸承保持架、軸承滾子因疲勞裂紋擴(kuò)展引起軸承失效、輪對(duì)抱死等嚴(yán)重故障。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通列車運(yùn)用里程的不斷加大，齒輪箱零部件的疲勞磨損影響會(huì)逐漸擴(kuò)大，而齒輪箱是一個(gè)封閉的整體，日常檢修的手段有限，因此通過對(duì)不同運(yùn)用里程范圍內(nèi)的齒輪箱開展油液檢測(cè)來診斷齒輪箱的運(yùn)用狀態(tài)，可以提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，同時(shí)對(duì)油液樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié)，以此制定最優(yōu)的檢修策略。