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(rùn)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(tái)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(rùn)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(wàn) km。

　　目前，齒輪箱潤(rùn)滑油更換是按照供應(yīng)商提供的換油周期執(zhí)行，缺乏對(duì)實(shí)際運(yùn)用條件下齒輪箱潤(rùn)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(rùn)滑油提前更換造成油脂的浪費(fèi)，或發(fā)生潤(rùn)滑油提前失效引發(fā)設(shè)備故障等問(wèn)題。在以滿足齒輪箱潤(rùn)滑油使用性能和延長(zhǎng)齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期為目的條件下，本文作者通過(guò)選取對(duì)比車和試驗(yàn)車開(kāi)展齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期優(yōu)化的驗(yàn)證，定期對(duì)試驗(yàn)車組潤(rùn)滑油送檢化驗(yàn)，動(dòng)態(tài)分析潤(rùn)滑油各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)隨運(yùn)行里程變化趨勢(shì);通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，探索科學(xué)合理的潤(rùn)滑油更換周期，對(duì)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(rùn)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(guò)程中產(chǎn)生的高溫剪切和微小金屬顆粒，都會(huì)引起潤(rùn)滑油的失效。齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期優(yōu)化研究主要通過(guò)定期采集和監(jiān)測(cè)對(duì)比車、試驗(yàn)車油樣數(shù)據(jù)，開(kāi)展?jié)櫥完P(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢(shì)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(rùn)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(duì)齒輪箱潤(rùn)滑油理論最大更換周期進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　其中，對(duì)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(duì)比車分別在潤(rùn)滑油更換后運(yùn)行 10 萬(wàn)、20 萬(wàn)、30 萬(wàn)和 40 萬(wàn) 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(hào)齒輪箱分別選取 2 列進(jìn)行換油周期延長(zhǎng) 10 萬(wàn) km 試驗(yàn)和 4 列進(jìn)行換油周期延長(zhǎng) 20 萬(wàn) km 試驗(yàn)。試驗(yàn)車組分別在潤(rùn)滑油更換后運(yùn)行 40 萬(wàn)、45 萬(wàn)、50 萬(wàn)、55 萬(wàn)和 60 萬(wàn) km 時(shí)取樣送檢化驗(yàn)。

　　二、油樣檢測(cè)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(rùn)滑油檢測(cè)化驗(yàn)僅有動(dòng)車組運(yùn)用化驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)項(xiàng)目為反映齒輪箱內(nèi)部狀態(tài)的 Fe 和 Cu 元素，具體見(jiàn)表 1。

表 1 動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)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(rùn)滑效果主要和潤(rùn)滑油的黏度有關(guān)。潤(rùn)滑油的黏度過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響油膜形成導(dǎo)致潤(rùn)滑不良。為了有效調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油的高低溫性能，75W-90 黏度級(jí)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(rùn)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(rùn)滑油氧化而產(chǎn)生油泥、膠質(zhì)等物質(zhì)，可能會(huì)使?jié)櫥宛ざ仍俅位厣Ｍㄟ^(guò)對(duì)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(jiàn)圖 1) ，可以看出 CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組 RW-B 75W-90 潤(rùn)滑油使用至 60 萬(wàn) km 時(shí)，100 ℃ 運(yùn)動(dòng)黏度和酸值變化值與 40 萬(wàn) km 時(shí)無(wú)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(hào)齒輪箱對(duì)油樣黏度和酸值變化值變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，如圖 2 所示。可見(jiàn)，30 萬(wàn) km 后，油品 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度趨于穩(wěn)定；運(yùn)行里程由 40 萬(wàn) km 延長(zhǎng)至 60 萬(wàn) km 過(guò)程中，酸值變化值無(wú)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(shì)

　　污染物含量趨勢(shì)分析：動(dòng)車組在行駛過(guò)程中，齒輪箱的污染源主要是水分和粉塵，水分會(huì)加速油品乳化變質(zhì)，而粉塵等固體顆粒則會(huì)引起磨粒磨損，對(duì)于動(dòng)車組齒輪箱，污染情況評(píng)估的主要指標(biāo)為水分和硅元素。通過(guò)對(duì)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(jiàn)圖 3) ，可以看出 CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組 RW-B 75W-90 潤(rùn)滑油使用至 60 萬(wàn) km 后，水分和 Si 元素含量與 40 萬(wàn) km 時(shí)無(wú)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(duì) 3 種齒輪箱潤(rùn)滑油從新油到運(yùn)行 60 萬(wàn) 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(jiàn)，運(yùn)行 45 萬(wàn) 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(wàn) km 后上升較快，其中以弗蘭德齒輪箱上升最快，但 60 萬(wàn) 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(shì)

　　磨損元素含量變化趨勢(shì)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(huì)加速齒輪、軸承的磨損，另一方面會(huì)加速油品的氧化，其中磨損程度可以通過(guò)光譜元素含量進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于齒輪箱而言，磨損的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有 Fe、Cu 元素含量，其中 Fe 元素主要來(lái)自齒輪、軸承等部件，Cu 元素通常來(lái)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(píng)估齒輪箱運(yùn)行里程對(duì)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(rùn)滑油運(yùn)行 40 萬(wàn) 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(wàn)和 440 萬(wàn) km (因無(wú) 440 萬(wàn) ～ 530 萬(wàn) km 間樣本，推測(cè)應(yīng)為 480 萬(wàn) km 左右) 時(shí)，齒輪箱 Fe 含量呈上升趨勢(shì)，且經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的分解檢修修程 (四、五級(jí)修) 并對(duì)齒輪箱進(jìn)行清洗后，后續(xù)運(yùn)用過(guò)程中齒輪箱潤(rùn)滑油中 Fe 含量下降;Cu 元素含量除 194 萬(wàn) 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(rùn)滑油中磨損元素含量變化趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)考慮齒輪箱運(yùn)行里程帶來(lái)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(rùn)滑油運(yùn)行 40 萬(wàn) km 后 Fe 元素和 Cu 元素含量分布

　　對(duì)試驗(yàn)車組齒輪箱潤(rùn)滑油中磨損元素含量隨里程變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，結(jié)果圖 6 所示。可見(jiàn)，不同型號(hào)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(wàn) km 后上升幅度較快，Cu 元素含量在 45 萬(wàn) km 后上升趨勢(shì)趨于平緩，60 萬(wàn) 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(shì)

　　小結(jié)：通過(guò)理化性能變化規(guī)律分析、污染物含量趨勢(shì)分析和磨損元素含量變化趨勢(shì)分析可以看出，齒輪箱潤(rùn)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(wàn) km 時(shí)與 40 萬(wàn) km 時(shí)無(wú)明顯差異，Cu 元素含量在 45 萬(wàn) km 后上升趨勢(shì)趨于平緩，F(xiàn)e 元素含量隨著油品使用里程的延長(zhǎng)而快速增加，但 60 萬(wàn) 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(tái)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期由 40 萬(wàn) km 延長(zhǎng)至 60 萬(wàn) 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(rùn)滑油更換周期延長(zhǎng)重點(diǎn)監(jiān)控的指標(biāo)。

　　三、齒輪箱潤(rùn)滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)的確定

　　目前，對(duì)于動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油判斷標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有明確規(guī)定。通過(guò)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(rùn)滑油有關(guān)運(yùn)用檢測(cè)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(guò)程中換油指標(biāo)) ，初步制定了 CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)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(rùn)滑油判廢參考標(biāo)準(zhǔn)

　　四、齒輪箱油更換周期的預(yù)測(cè)

　　模型假設(shè)：根據(jù)上文油樣檢測(cè)化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，把 Fe 元素含量作為影響齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期的主要因素。假設(shè)齒輪箱潤(rùn)滑油中的 Fe 元素由磨損產(chǎn)生，在潤(rùn)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(guò)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(shì)，說(shuō)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(guò)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(rùn)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(duì)式 (3) 進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，則有

　　對(duì)式 (4) 采用廣義線性模型 Generalized Linear Models 來(lái)對(duì)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(rùn)滑油運(yùn)行里程和齒輪箱新造或大修后運(yùn)行里程。通過(guò) R 語(yǔ)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(cè)：將 Fe 元素含量作為影響齒輪箱潤(rùn)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(wàn) km 時(shí)，潤(rùn)滑油的運(yùn)行里程即為齒輪箱潤(rùn)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(cè)，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅采集至 60 萬(wàn) 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(cè)值失真。

　　結(jié)合潤(rùn)滑油 60 萬(wàn) km 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以在一定范圍內(nèi)對(duì)潤(rùn)滑油再使用 10～20 萬(wàn) km 后的 Fe 元素含量進(jìn)行大致的預(yù)測(cè)。將表 3 各系數(shù)代入式 (3) ，當(dāng)潤(rùn)滑油運(yùn)行里程 t = 70 萬(wàn) 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(guò)泊松函數(shù) qpois() 即可計(jì)算出 70 萬(wàn) km 時(shí) E(X) 最大閾值為 229 mg /kg。同理，當(dāng)潤(rùn)滑油運(yùn)行里程 t = 80 萬(wàn) 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(wàn) km 齒輪箱油樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以大致預(yù)測(cè)在齒輪箱潤(rùn)滑油使用至 80 萬(wàn) km 時(shí)，潤(rùn)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(guò)對(duì)比車和試驗(yàn)車齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期延長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油更換周期由 40 萬(wàn) km 延長(zhǎng)至 60 萬(wàn) km 可行。

　　(2) 理化性能變化規(guī)律分析、污染物含量趨勢(shì)分析和磨損元素含量變化趨勢(shì)分析表明，影響潤(rùn)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(guò)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(rùn)滑油判廢標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè) CRH380B 平臺(tái)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油使用 80 萬(wàn) km 時(shí) Fe 元素含量仍滿足使用要求。

　　(4) 文中對(duì)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)滑油現(xiàn)行更換周期的優(yōu)化方法，同樣適用于其他平臺(tái)動(dòng)車組齒輪箱潤(rùn)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(rùn)滑油更換周期的優(yōu)化研究。

　　參考文獻(xiàn)略.