齒輪箱是動(dòng)車組動(dòng)力傳動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是動(dòng)車組傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的傳動(dòng)環(huán)節(jié)之一，其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響整個(gè)動(dòng)車組的正常工作。齒輪箱的潤滑是保障動(dòng)車組運(yùn)行安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。CRH380B 平臺動(dòng)車組齒輪箱供應(yīng)商主要有弗蘭德、采埃孚和戚墅堰，現(xiàn)階段使用的齒輪箱潤滑油主要是 BASF ( 巴斯夫) 生產(chǎn)的 EMgard RW-B 75W-90 重負(fù)荷車輛齒輪油，換油周期為 40 萬 km。

　　目前，齒輪箱潤滑油更換是按照供應(yīng)商提供的換油周期執(zhí)行，缺乏對實(shí)際運(yùn)用條件下齒輪箱潤滑油性能狀態(tài)變化情況的跟蹤和研究分析，容易發(fā)生潤滑油提前更換造成油脂的浪費(fèi)，或發(fā)生潤滑油提前失效引發(fā)設(shè)備故障等問題。在以滿足齒輪箱潤滑油使用性能和延長齒輪箱潤滑油更換周期為目的條件下，本文作者通過選取對比車和試驗(yàn)車開展齒輪箱潤滑油更換周期優(yōu)化的驗(yàn)證，定期對試驗(yàn)車組潤滑油送檢化驗(yàn)，動(dòng)態(tài)分析潤滑油各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)隨運(yùn)行里程變化趨勢;通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測，探索科學(xué)合理的潤滑油更換周期，對提升動(dòng)車組運(yùn)維管理水平、降低動(dòng)車組全壽命周期內(nèi)齒輪箱潤滑油更換費(fèi)用有著十分重要的意義。

　　一、研究方法

　　在動(dòng)車組齒輪箱實(shí)際運(yùn)行工況下，外部進(jìn)入的雜質(zhì)和水分，以及齒輪、軸承在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的高溫剪切和微小金屬顆粒，都會引起潤滑油的失效。齒輪箱潤滑油更換周期優(yōu)化研究主要通過定期采集和監(jiān)測對比車、試驗(yàn)車油樣數(shù)據(jù)，開展?jié)櫥完P(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢分析，擬合關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律曲線，根據(jù)初步確定的潤滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出油品各關(guān)鍵指標(biāo)變化至判廢標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的運(yùn)行里程，從而對齒輪箱潤滑油理論最大更換周期進(jìn)行預(yù)測。

　　其中，對比車分別選取 4 列弗蘭德齒輪箱動(dòng)車組、4 列采埃孚齒輪箱動(dòng)車組和 4 列戚墅堰齒輪箱動(dòng)車組。對比車分別在潤滑油更換后運(yùn)行 10 萬、20 萬、30 萬和 40 萬 km 時(shí)取樣送檢化驗(yàn)。

　　試驗(yàn)車組共選取 18 列，其中每個(gè)型號齒輪箱分別選取 2 列進(jìn)行換油周期延長 10 萬 km 試驗(yàn)和 4 列進(jìn)行換油周期延長 20 萬 km 試驗(yàn)。試驗(yàn)車組分別在潤滑油更換后運(yùn)行 40 萬、45 萬、50 萬、55 萬和 60 萬 km 時(shí)取樣送檢化驗(yàn)。

　　二、油樣檢測化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　運(yùn)用、檢修中動(dòng)車組齒輪箱油的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：目前，關(guān)于動(dòng)車組齒輪箱潤滑油檢測化驗(yàn)僅有動(dòng)車組運(yùn)用化驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，檢測項(xiàng)目為反映齒輪箱內(nèi)部狀態(tài)的 Fe 和 Cu 元素，具體見表 1。

表 1 動(dòng)車組齒輪箱潤滑油檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

　　理化性能變化規(guī)律分析：齒輪摩擦副的潤滑效果主要和潤滑油的黏度有關(guān)。潤滑油的黏度過低或過高都會影響油膜形成導(dǎo)致潤滑不良。為了有效調(diào)節(jié)潤滑油的高低溫性能，75W-90 黏度級別的齒輪箱油中通常加入了一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑，但是在齒輪摩擦的苛刻剪切工況下，大分子黏度指數(shù)改進(jìn)劑通常被剪切成小分子，導(dǎo)致增黏作用逐漸消失，潤滑油黏度下降不利于摩擦表面油膜形成，造成齒輪磨損。同時(shí)動(dòng)車組齒輪箱高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了較多的熱量，導(dǎo)致潤滑油氧化而產(chǎn)生油泥、膠質(zhì)等物質(zhì)，可能會使?jié)櫥宛ざ仍俅位厣Ｍㄟ^對比車、試驗(yàn)車送檢油樣 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度和酸值變化值隨里程分布的統(tǒng)計(jì)分析 ( 見圖 1) ，可以看出 CRH380B 平臺動(dòng)車組 RW-B 75W-90 潤滑油使用至 60 萬 km 時(shí)，100 ℃ 運(yùn)動(dòng)黏度和酸值變化值與 40 萬 km 時(shí)無明顯差異。

圖 1 不同運(yùn)行里程時(shí)油樣 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度和酸值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

　　按不同型號齒輪箱對油樣黏度和酸值變化值變化趨勢進(jìn)行分析，如圖 2 所示。可見，30 萬 km 后，油品 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度趨于穩(wěn)定；運(yùn)行里程由 40 萬 km 延長至 60 萬 km 過程中，酸值變化值無較大范圍波動(dòng)。

圖 2 油品 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度和酸值變化值隨里程變化趨勢

　　污染物含量趨勢分析：動(dòng)車組在行駛過程中，齒輪箱的污染源主要是水分和粉塵，水分會加速油品乳化變質(zhì)，而粉塵等固體顆粒則會引起磨粒磨損，對于動(dòng)車組齒輪箱，污染情況評估的主要指標(biāo)為水分和硅元素。通過對比車、試驗(yàn)車送檢油樣中水分和 Si 元素含量隨里程分布的統(tǒng)計(jì)分析 (見圖 3) ，可以看出 CRH380B 平臺動(dòng)車組 RW-B 75W-90 潤滑油使用至 60 萬 km 后，水分和 Si 元素含量與 40 萬 km 時(shí)無明顯差異。

圖 3 不同運(yùn)行里程時(shí)油樣水分和 Si 元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

　　分別對 3 種齒輪箱潤滑油從新油到運(yùn)行 60 萬 km 后水分和 Si 元素含量變化情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖 4 所示。可見，運(yùn)行 45 萬 km 后水分含量維持在較低且穩(wěn)定的狀態(tài)；Si 元素含量在 50 萬 km 后上升較快，其中以弗蘭德齒輪箱上升最快，但 60 萬 km 時(shí) Si 元素含量仍處于較低水平。

圖 4 水分和 Si 元素含量隨里程變化趨勢

　　磨損元素含量變化趨勢分析：隨著使用時(shí)間的增加，齒輪箱不可避免地存在磨損。磨損量增加，油中的金屬磨損顆粒增多，一方面會加速齒輪、軸承的磨損，另一方面會加速油品的氧化，其中磨損程度可以通過光譜元素含量進(jìn)行評價(jià)。對于齒輪箱而言，磨損的主要評價(jià)指標(biāo)有 Fe、Cu 元素含量，其中 Fe 元素主要來自齒輪、軸承等部件，Cu 元素通常來源于銅質(zhì)的軸承保持架。

　　區(qū)別于油品理化性能和污染物，磨損元素的含量不僅與油品使用里程相關(guān)，還與齒輪箱運(yùn)行里程有直接關(guān)系。為了評估齒輪箱運(yùn)行里程對磨損元素含量的影響，選取了不同運(yùn)行里程的齒輪箱在潤滑油運(yùn)行 40 萬 km 后的磨損元素含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖 5 所示。可以看出，當(dāng)齒輪箱運(yùn)行接近 240 萬和 440 萬 km (因無 440 萬 ～ 530 萬 km 間樣本，推測應(yīng)為 480 萬 km 左右) 時(shí)，齒輪箱 Fe 含量呈上升趨勢，且經(jīng)過對應(yīng)的分解檢修修程 (四、五級修) 并對齒輪箱進(jìn)行清洗后，后續(xù)運(yùn)用過程中齒輪箱潤滑油中 Fe 含量下降;Cu 元素含量除 194 萬 km 時(shí)外，均較為穩(wěn)定，基本維持在 3 ～ 5 mg /kg。所以，在研究潤滑油中磨損元素含量變化趨勢時(shí)，應(yīng)考慮齒輪箱運(yùn)行里程帶來的影響，且齒輪箱里程變量最大值應(yīng)為一個(gè)分解檢修周期。

圖 5 不同里程齒輪箱潤滑油運(yùn)行 40 萬 km 后 Fe 元素和 Cu 元素含量分布

　　對試驗(yàn)車組齒輪箱潤滑油中磨損元素含量隨里程變化趨勢進(jìn)行了分析，結(jié)果圖 6 所示。可見，不同型號齒輪箱的 Fe、Cu 元素含量差異較大，且各型齒輪箱 Fe 元素含量在 55 萬 km 后上升幅度較快，Cu 元素含量在 45 萬 km 后上升趨勢趨于平緩，60 萬 km 時(shí) Fe、Cu 元素含量都遠(yuǎn)低于表 1 中的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖 6 磨損元素 Fe 和 Cu 含量隨里程變化趨勢

　　小結(jié)：通過理化性能變化規(guī)律分析、污染物含量趨勢分析和磨損元素含量變化趨勢分析可以看出，齒輪箱潤滑油 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、酸值變化值以及水分和 Si 元素含量在使用至 60 萬 km 時(shí)與 40 萬 km 時(shí)無明顯差異，Cu 元素含量在 45 萬 km 后上升趨勢趨于平緩，F(xiàn)e 元素含量隨著油品使用里程的延長而快速增加，但 60 萬 km 時(shí) Fe、Cu 元素含量都遠(yuǎn)低于運(yùn)用、檢修中動(dòng)車組齒輪箱油的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因而，CRH380B 平臺動(dòng)車組齒輪箱潤滑油更換周期由 40 萬 km 延長至 60 萬 km 后各項(xiàng)指標(biāo)均滿足使用要求，且 Fe 元素含量可以作為齒輪箱潤滑油更換周期延長重點(diǎn)監(jiān)控的指標(biāo)。

　　三、齒輪箱潤滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)的確定

　　目前，對于動(dòng)車組齒輪箱潤滑油判斷標(biāo)準(zhǔn)在國家標(biāo)準(zhǔn)以及鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均沒有明確規(guī)定。通過此次試驗(yàn)驗(yàn)證取樣化驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合動(dòng)車組潤滑油有關(guān)運(yùn)用檢測標(biāo)準(zhǔn)和 GB/T 30034—2013《重負(fù)荷車輛 齒輪油 ( GL-5) 換油指標(biāo)》 ( 適用于重負(fù)荷齒輪油使用過程中換油指標(biāo)) ，初步制定了 CRH380B 平臺動(dòng)車組齒輪箱潤滑油判廢參考標(biāo)準(zhǔn)，如表 2 所示。

表 2 動(dòng)車組齒輪箱潤滑油判廢參考標(biāo)準(zhǔn)

　　四、齒輪箱油更換周期的預(yù)測

　　模型假設(shè)：根據(jù)上文油樣檢測化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，把 Fe 元素含量作為影響齒輪箱潤滑油更換周期的主要因素。假設(shè)齒輪箱潤滑油中的 Fe 元素由磨損產(chǎn)生，在潤滑良好的情況下，不同時(shí)間 (下文中時(shí)間均指油樣運(yùn)行里程) 區(qū)間的 Fe 元素的增量應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立的，且在充分小的時(shí)間內(nèi)，由磨損產(chǎn)生 Fe 元素的發(fā)生概率正比于時(shí)間。

　　在滿足上面假設(shè)的條件下，F(xiàn)e 元素含量 X 近似服從一個(gè)泊松過程，且實(shí)際 Fe 元素含量的變化曲線近似于泊松分布，如式 (1) 所示。

　　式中：λ 為待定系數(shù)；t 為油樣運(yùn)行里程，該參數(shù)反映齒輪箱磨損情況。

　　分布函數(shù)擬合：考慮到齒輪箱大修前 Fe 元素含量呈上升趨勢，說明齒輪箱新造或大修后的運(yùn)行里程也是齒輪箱磨損即 Fe 含量變化的的影響因素，所以應(yīng)當(dāng)加入總運(yùn)行里程的影響。同時(shí)，現(xiàn)實(shí)中磨損的速度本身應(yīng)與磨損程度成正比 (性能越差則磨損速度越快) ，磨合同理，于是在這一近似假設(shè)下，式 (1) 中 λ 即為一個(gè)指數(shù)函數(shù) ，即

　　式中：c 和 k 是待定系數(shù)；S 為齒輪箱新造或大修后運(yùn)行的總程，0≤S≤2 400 000 km。

　　結(jié)合式 (1) 泊松過程表達(dá)式，可以得出 Fe 元素含量的累積分布函數(shù)，式如 (3) 所示。

　　式中：c、k₀和 k₁是待定系數(shù)；t 為潤滑油運(yùn)行里程；S 為齒輪箱新造或大修后運(yùn)行的總里程。

　　對式 (3) 進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，則有

　　對式 (4) 采用廣義線性模型 Generalized Linear Models 來對上述原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中分布族為泊松分布，自變量為潤滑油運(yùn)行里程和齒輪箱新造或大修后運(yùn)行里程。通過 R 語言 GLM 函數(shù)實(shí)現(xiàn)上述算法，得到各待定系數(shù)如表 3 所示。

表 3 各待定系數(shù)計(jì)算值

　　最大換油里程預(yù)測：將 Fe 元素含量作為影響齒輪箱潤滑油更換周期的主要因素，在累積分布函數(shù) E(X) 中 Fe 含量為 500 mg /kg，齒輪箱新造或大修后運(yùn)行 240 萬 km 時(shí)，潤滑油的運(yùn)行里程即為齒輪箱潤滑油理論最大換油里程。在廣義線性模型 Generalized Linear Models 中采用 predict 函數(shù)進(jìn)行預(yù)測，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅采集至 60 萬 km，在現(xiàn)有齒輪箱油樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，F(xiàn)e 含量到達(dá) 500 mg /kg 時(shí)的油品運(yùn)行里程預(yù)測值失真。

　　結(jié)合潤滑油 60 萬 km 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在一定范圍內(nèi)對潤滑油再使用 10～20 萬 km 后的 Fe 元素含量進(jìn)行大致的預(yù)測。將表 3 各系數(shù)代入式 (3) ，當(dāng)潤滑油運(yùn)行里程 t = 70 萬 km 時(shí)，F(xiàn)e 元素含量 E(X) 平均值為 163 mg /kg，在均值為 163 mg /kg 的泊松分布中，考慮 99. 95%的樣本容量，通過泊松函數(shù) qpois() 即可計(jì)算出 70 萬 km 時(shí) E(X) 最大閾值為 229 mg /kg。同理，當(dāng)潤滑油運(yùn)行里程 t = 80 萬 km 時(shí)，F(xiàn)e 元素含量 E(X) 均值為 227 mg /kg，最大閾值為 304 mg /kg。所以，使用現(xiàn)有 60 萬 km 齒輪箱油樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以大致預(yù)測在齒輪箱潤滑油使用至 80 萬 km 時(shí)，潤滑油中 Fe 元素含量仍滿足表 2 中的使用標(biāo)準(zhǔn)。

　　五、結(jié)論

　　(1) 通過對比車和試驗(yàn)車齒輪箱潤滑油更換周期延長試驗(yàn)結(jié)果表明，CRH380B 平臺動(dòng)車組齒輪箱潤滑油更換周期由 40 萬 km 延長至 60 萬 km 可行。

　　(2) 理化性能變化規(guī)律分析、污染物含量趨勢分析和磨損元素含量變化趨勢分析表明，影響潤滑油更換周期的主要影響因素是油品中 Fe 元素含量的變化。

　　(3) 通過擬合關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù) (Fe 元素含量) 的分布，根據(jù)初步確定的潤滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測 CRH380B 平臺動(dòng)車組齒輪箱潤滑油使用 80 萬 km 時(shí) Fe 元素含量仍滿足使用要求。

　　(4) 文中對動(dòng)車組齒輪箱潤滑油現(xiàn)行更換周期的優(yōu)化方法，同樣適用于其他平臺動(dòng)車組齒輪箱潤滑油更換周期的優(yōu)化，同時(shí)，可進(jìn)一步拓展至其他關(guān)鍵部件 (如空壓機(jī)等)潤滑油更換周期的優(yōu)化研究。

　　參考文獻(xiàn)略.