国内动车组齿轮箱润滑现状及发展趋势

黄芸琪，张朝前，糜莉萍，王玉玲，徐立晖

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心, 甘肃 兰州 730060；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东 青岛 266111)

0 引言

高速铁路与汽车和民航等运输方式相比，具有输送能力大、输送速度快、安全可靠、旅行舒适度高、受气候变化影响小的优势。同时，高速铁路还能节省石油和土地资源，保护生态环境，摆脱交通堵塞，是解决大通道上大量旅客快速输送问题的最有效途径，已成为世界各国铁路的普遍发展趋势。高速列车从采用一辆动力头车牵引(动力集中)发展到采用多辆自带电动机的动车牵引(动力分散)，动车组应运而生。在动车组动力传动系统中，牵引齿轮箱具有极重要的地位。动车组齿轮箱工况复杂，高速运行时遇到的摩擦和磨损问题与较普通列车相比更为苛刻。因此，动车组齿轮箱的润滑问题显得至关重要，高性能的齿轮油是降低齿轮摩擦磨损，保护齿轮和轴承正常运转，确保动车组安全运行的重要保障[1]。

1 动车组齿轮箱润滑现状

铁路机车运行的高速化必然会带来更加复杂、苛刻的摩擦和磨损问题。铁路机车运行阻力的增加与运行速度的平方成正比，而相应零部件如齿轮、轴承的磨损程度与运行速度已不是简单的线性关系，而是平方或立方关系。实践表明，85%以上的铁路机车技术故障来源于工作零部件的过早磨损。因此，必须通过使用高性能的润滑剂来降低零部件的摩擦和磨损，延长零部件使用寿命，实现机车的安全行驶[2]。

1.1 国内运营动车组概况

中国为了实现铁路“跨越式发展”，对时速200 km以上的高速列车引进整体技术，实行“消化吸收再创新”。目前国内动车组共有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型等多个平台14种系列(见表1)，标准包含欧系及日系两个体系。

表1 国内动车组车型概况[3]

1.2 动车组齿轮箱润滑方式

齿轮箱是动车组转向架核心部件之一，它作为电动机和车轴之间的传动部件位于旅客间下方，润滑方式采取飞溅润滑，齿轮油同时润滑齿轮和齿轮箱两端轴承，见图1。

图1齿轮箱润滑油润滑部位[4]

齿轮箱内油量根据齿轮的线速度来确定，一般按浸入0.7～1.5个齿高进行设计。齿轮箱箱体底部设有油池储存润滑油，箱体内部设有集油槽和回油孔，主动端轴承座上设有集油槽和回油孔，从动端轴承座上设有回油孔。当齿轮转动时，搅动润滑油将其带到啮合处，同时也将油甩到箱壁上借以散热，飞溅的润滑油经集油槽流入轴承内部润滑轴承[5]。

1.3 动车组齿轮箱润滑油性能要求

齿轮油性能对于动车组牵引齿轮的使用寿命和可靠性具有重要意义，动车组运行速度快，齿轮箱具有高速、高扭矩、冲击负荷大、运行环境温差大等特点[6]，对于齿轮油的性能要求如下：

(1)适宜的黏度

黏度是齿轮油最基本的特性，是衡量油品油膜厚度、流动性的重要指标。工作温度下的油品黏度更是决定设备弹性流体动压润滑可靠性的关键参数。就齿轮油来说，如果黏度过大，会使摩擦面过热，造成无谓的动力消耗，也促使油品氧化变质；若黏度过小，齿轮运转的离心力易将油从齿面甩掉，使油膜变薄且降低油膜强度，可能产生严重疲劳点蚀与破坏性磨损或烧结。

(2)良好的低温性能

我国地域辽阔，在冬季，尤其是我国北方地区，室外温度较低。动车组运行地域跨度大，要求油品在低温下也要具有良好的流动性，以防启动时润滑不足导致轴承因缺油而损坏。

(3)良好的极压抗磨性

高速机车频繁启停提速、空重载荷交替变化等复杂多变的运行工况，要求齿轮箱润滑剂具有优良的极压、抗磨、抗载荷冲击能力，尤其是在低速高扭矩(上坡)或高速低扭矩(下坡)条件下齿轮啮合面处于边界润滑状态，必须依靠齿轮油中极压添加剂的活性与齿轮表面起摩擦化学作用，形成固态无机极压膜(如硫化铁膜等)，从而防止齿面擦伤或胶合。

(4)良好的减摩能力

高速运行中的齿轮箱温升较快，为了使齿轮箱温度不因摩擦生热的原因超出正常温度范围，要求油品具有良好的减摩能力，从而减小摩擦，控制齿面温升。同时，良好的减摩性能也可以大大提升齿轮的传动效率，降低能源消耗。

(5)良好的热氧化安定性

动车组齿轮箱在高速运行条件下温度可能达到100～150 ℃[5]，高温会加速油品氧化降解，使其润滑性能降低，而且产生的酸性物质会促使金属被腐蚀且易起泡沫，使齿轮油的性能大大劣化，直接影响其牵引齿轮的使用寿命。因此，必须选用热氧化安定性好的基础油，同时辅以抗氧性能优异的抗氧剂强化其氧化安定性。

(6)良好的抗泡沫能力

动车组运行速度快，齿轮高速运转造成油品的强力搅动和飞溅，使齿轮油极易产生泡沫。这些泡沫会使齿轮油的冷却效果降低，还会造成齿面供油不足，而且泡沫还会破坏油膜的完整性，导致齿面的磨损加剧。因此，要求齿轮油必须具有良好的抗泡沫能力。

(7)与密封材料的适应性

为防止齿轮箱油的泄露，齿轮箱中都会使用各种弹性密封材料制成的密封圈，这就要求齿轮油必须具有良好的密封材料适应性，不能使密封材料有明显的膨胀或收缩以及硬化变质。

(8)其他性能要求

齿轮箱油在运行过程中温度较高，因此还须具有较高的闪点、燃点以及较低的蒸发损失才能保证较长的换油周期。

1.4 动车组齿轮箱润滑油用油标准

目前国内动车组齿轮箱润滑油并没有统一的用油标准。国内主要动车组齿轮箱供应商对齿轮油的要求都是在API GL-5重负荷车辆齿轮油规格的基础上，结合产品技术特点，增加了台架试验指标，以保证润滑油能够满足齿轮箱产品的润滑需求。国内日系动车组齿轮箱主要供应商有东洋电机公司等，欧系有采埃孚公司、西门子弗兰德公司、福伊特公司等。国产动车组齿轮箱供应商则有中车常州戚墅堰机车车辆工艺研究所。不同齿轮箱供应商对用油标准有不同的规定。

日本东洋电机公司对油品的基本理化性能没有具体的要求，性能测试主要是自建的相关台架试验，主要包括低温急加速试验和高温特性试验，试验对特定运行条件下齿轮箱大、小齿轮轴承的温度和润滑油温度进行监测，关注轴承和油品的温升情况。

西门子弗兰德公司和福伊特公司对齿轮油的基本理化性能没有公开的指标要求，但上述两家齿轮箱制造公司对于油品都有密封适应性、承载能力、FE-8滚动轴承试验、点蚀试验等项目的测试数据要求[7]。同时认证油品需通过其内部的台架试验测试，测试的相关参数条件并不对外公开。弗兰德铁路车辆齿轮箱油用油规格见表2。

表2 弗兰德铁路车辆齿轮箱油用油规格

采埃孚公司针对动车组齿轮箱润滑油制定了ZF TE-ML 16铁路机车齿轮箱油规格，其中ZF TE-ML 16F为全合成齿轮油的规格， ZF TE-ML 16F中GL-5 75W-90黏度级别齿轮油的技术指标见表3。在该用油规格中对齿轮油的运动黏度、低温性能、闪点、抗泡性和铜片腐蚀等常规性能有所限定之外还采用了欧洲 CEC 方法，德国 DIN 方法以和采埃孚公司试验方法对齿轮油的剪切安定性、热氧化安定性、密封适应性、承载能力和抗点蚀等性能进行了限定，采埃孚公司试验方法相关参数条件并不对外公开。

表3 采埃孚公司ZF TE-ML 16F全合成齿轮油规格[7]

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所也有相应的高速列车齿轮箱综合试验台，可以开展温升平衡试验、噪声测定试验、振动测定试验、传动效率测定试验、齿轮箱耐久性试验、齿轮箱超载试验。润滑油的温升情况和高低温性能会被同时进行记录考察[8]。对油品的基本理化性能中车戚墅堰机车车辆工艺研究所并没有公开的指标要求。

1.5 国内动车组在用油

目前国内动车组齿轮箱润滑油在用油基本为国外油垄断，部分在运营动车组齿轮箱润滑油典型数据见表4。

表4 动车组齿轮箱在用油典型数据

表4(续)

2 发展趋势

随着动车组技术不断发展，动车组运行速度不断提升。20世纪90年代初，法国高速铁路机车就已创下了515.3 km/h的有轨铁路实验室行驶记录，到2007年4月，更创下了574.8 km/h的实验室记录[1]。2014年，中车青岛四方机车车辆股份有限公司已经将我国高铁的试验速度提高到了605 km/h。伴随动车组提速，动车组齿轮箱工况出现了新的变化。一方面，车速的提高必然要求牵引电机的功率增大，但在牵引电机功率增大的前提下，齿轮箱和齿轮的体积又不能随意增大。因此动车组提速势必导致牵引齿轮齿面负荷增大；另一方面，齿轮体积不变的前提下，动车组提速使齿轮箱内齿轮线速度增大，必然导致润滑油在箱内翻搅更加剧烈，因此由齿轮啮合传动功率损失、齿轮搅油功率损失、齿轮箱内各传动表面摩擦生热等导致的齿轮箱内部及箱体温升会更加剧烈。根据以上分析，为应对未来动车组提速，动车组齿轮箱工况更为苛刻的问题，润滑油必须对承载能力、热氧化安定性和抗点蚀性能进行强化。

(1)承载能力。随着动车组牵引齿轮箱载荷的加大，为了防止齿面磨损、擦伤、烧结，对油品的承载能力势必提出更高的要求，但添加剂不能在赋予优异承载能力的同时活性太高，造成金属表面的过度腐蚀。

(2)热氧化安定性。剧烈温升使润滑油的工作条件更为恶劣。工作温度升高，使润滑油黏度和酸值的变化速率加快，腐蚀性增大，外观上颜色变深，沉淀增多，更易产生淤渣和结膜，使润滑油的使用性能下降。为保证在长达一年的换油周期内，齿轮箱油能够保持良好的润滑效果，保证机车安全运行，油品需要具有更好的热氧化安定性。

(3)抗点蚀性能。动车组齿轮工况更为苛刻使齿面更易产生点蚀，点蚀一旦出现，随着齿轮的继续使用点蚀和剥落区域会不断增大，导致齿轮运转不平稳，造成震动和噪音增大，影响旅客舒适度。当点蚀达到一定程度时可能导致断齿，严重威胁到动车组的安全运行。为延长齿轮使用寿命，保障动车组运行的平稳和安全，在动车组齿轮箱齿面负荷增大、齿轮线速度增大的前提下，提升齿轮箱润滑油的抗点蚀性能尤为重要。

3 结束语

作为中国工业未来十年的发展纲领“中国制造2025”十大领域之一，先进轨道交通装备将迎来转型升级的大突破、大提速。动车组作为其中代表性的产业也将迎来更加迅猛的发展。针对动车组牵引动力的核心部件齿轮箱，研制并开发具有自主知识产权的配套油品，改变我国动车组齿轮箱润滑油依赖进口的局面就显得势在必行。我国润滑油制造商应针对不同型号、不同润滑需求的动车组开发相应的齿轮油产品，并积极与齿轮箱制造商开展相关的合作研究，打破国内动车组齿轮箱润滑油市场国产产品“零”现状。