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基于煤基合成基礎油的城市軌道交通齒輪油開發
發布時間:2020-11-19 11:34:41閱讀:收藏
摘要:我國作為城市軌道交通大國,城市軌道交通齒輪油仍嚴重依賴進口油品。本文介紹了基于煤基合成基礎油研制的城市軌道交通齒輪油的產品性能,重點突出了油品的抗磨性能和臺架性能表現。

山西潞安太行潤滑油有限公司  張兆鈞
山西潞安太行潤滑油有限公司  張    偉


摘  要:我國作為城市軌道交通大國,城市軌道交通齒輪油仍嚴重依賴進口油品。本文介紹了基于煤基合成基礎油研制的城市軌道交通齒輪油的產品性能,重點突出了油品的抗磨性能和臺架性能表現。


      我國是全球規模最大、發展最快的軌道交通建設運營市場,軌道交通機車齒輪箱油具有單次換油量大,更換周期短等維保特點,占機車潤滑投入的占比較大。
      由于城市軌道交通車輛運行過程中具有啟停頻繁、大載荷、載荷交變劇烈、箱體內油品翻攪劇烈、箱體內油品溫度較高和全天候運行等特點,因此對油品的極壓抗磨、抗泡沫性能、氧化安定性、粘溫性能等提出了較高要求。而城市軌道交通車輛齒輪油研發投入大、周期長、研發過程需要與齒輪箱主機廠和地鐵運營商密切配合,這使得高品質的軌道交通齒輪箱用油研發具有一定的技術壁壘。目前國內尚未有成熟的國產化產品推出,這導致了我國城市軌道交通齒輪箱用油長期依賴國外公司油品,這一方面增加了地鐵機車的維保成本,同時也不利于油品使用安全。
      為解決我國城市軌道交通齒輪箱油品國產化問題,潞安太行潤滑油有限公司聯合城市軌道交通齒輪箱主機廠——鄭州機械研究所,基于煤基合成基礎油資源和鄭州機械研究所的齒輪箱開發技術優勢,自主研發了針對城市軌道交通的齒輪油,并進行了真實臺架模擬測試試驗。


1.基本理化性能
      為了明確自研油的產品性能,油品開發過程中選取了與目前地鐵齒輪箱上常用的兩款進口油進行對比。自研油與兩款進口油品的基本理化性能見表1,從表中可以發現與進口油相比自研油具有良好的粘溫性能、低溫流動性、防銹防腐性能、剪切安定性、極壓抗磨性能、減摩性能。油品的理化及摩擦性能可以滿足城市軌道減速器潤滑性能要求,與目前減速器在用的進口油相比,自主研發的產品在低溫流動性,減摩抗磨性能與極壓性能等方面優于競品,可以保證油品在寬溫域使用,在保證機車安全運行的同時可降低車輛運營過程中的能耗,降低線路的運行成本。


表1 自研油與進口油基本理化性能對比


2.高速重載工況條件的抗磨性能
      地鐵在運行過程中通常會出現車廂滿員的重載工況,此時車輛齒輪箱處于高速重載工況,對油品的抗磨性能提出了較高要求。為了考察齒輪箱高速重載工況條件下的油品抗磨性能,在實驗室通過杠桿式四球機模擬了該工況。試驗條件為:加載載荷100kg,油溫75℃,轉速為2400轉/分鐘。


圖1 高速重載實驗摩擦系數變化曲線


       測試得到的摩擦系數曲線見圖1,從圖中曲線可以發現進口油1在電機啟動后發生卡咬,未完成測試,因此將轉速降為1800轉/分鐘,圖中未體現其摩擦系數曲線。從圖1摩擦系數曲線可以看出,自研油在該苛刻工況條件下,摩擦系數曲線變化相對平緩,而進口油2實驗過程中摩擦系數出現了突變,這說明在該工況條件下進口油2油膜不穩定,出現了破裂造成摩擦副的磨損。
       圖2為高速重載實驗后通過顯微鏡觀察磨痕形貌圖和實驗后油品變化圖。從圖中可以看出自研油實驗后磨痕直徑較小,磨痕為規則的圓形,實驗后油品仍清澈透亮,無明顯變化。而兩個進口油(進口油1實驗轉速較低)的磨痕直徑較大,磨痕形貌不規則,邊界形貌犬牙交錯。同時油品發黑,表明在高速重載條件下摩擦副表面發生了較大磨損,而劇烈磨損使得摩擦副表面持續高溫又加劇了油品氧化變質,最終使油品變黑。



圖2 高速重載實驗后磨斑形貌和油品變化


圖3 接觸電壓隨載荷漸增的變化曲線


       為了測試油品隨著載荷增加油膜強度的變化情況,在TE77長行程摩擦試驗機上,設計了載荷漸增實驗,在實驗過程中對上下摩擦副之間加載電壓,若摩擦過程中摩擦副發生直接接觸,此時接觸電壓較低,表明油品油膜厚度較低;反之,若接觸電壓較大,則表示油膜厚度較大,實現了對摩擦副之間較好的隔離,實現對摩擦副表面的保護。
       圖3為通過實驗得到的接觸電勢隨載荷增加的變化曲線。從圖中可以看出,隨著載荷的增加,進口油2接觸電勢始終較低,說明其成膜能力較差。而進口油1和自研油在實驗過程中接觸電勢始終較大。其中自研油接觸電勢始終比較穩定,進口油1在載荷變化過程中接觸電勢隨載荷變化較為敏感,且在大載荷時接觸電勢波動較大。實驗數據表明自研油具有較好的油膜厚度和油膜保持能力,這也是自研油在高速重載條件下能供保持較好的抗磨能力的原因。


3.臺架試驗情況
      根據地鐵運行啟停頻繁的工況特點,在鄭州機械研究所進行了真實地鐵齒輪箱的臺架試驗,試驗臺架組成見圖4。臺架試驗設計了以下3個臺架實驗方案:
       1. 額定轉速耐久加載試驗。按額定扭矩和時間進行加載試驗,待試驗轉速緩慢升至齒輪箱額定轉速1800rpm,以額定扭矩的不同比例進行加載,試驗中正、反向各一次。
       2. 48小時沖擊耐久性加載試驗。按表2對齒輪箱進行啟停沖擊試驗。試驗過程中需測量加載扭矩為1008N?m時的齒輪箱傳動效率。
       3. 為了測試油品的極限性能,參照GBT 13672-1992 《齒輪膠合承載能力試驗方法》設計了膠合試驗,即對齒面載荷逐級加載載荷,每加一級載荷試驗齒輪恒速運轉15min。對試驗齒輪齒面進行檢查和評定。觀察運轉是否正常,檢測振動、噪聲、溫升、輸出扭矩、效率。


表2 啟停沖擊試驗轉速、扭矩及時間表



1—電機、2—膜片聯軸器、3—扭矩轉速傳感器、4—膜片聯軸器、5—ZZL2地鐵齒輪箱、6—膜片聯軸器、7—扭矩轉速傳感器、8—膜片聯軸器、9—增速箱、10—膜片聯軸器、11—負載電機

圖4 地鐵齒輪箱試驗臺架組成


       試驗得到的數據見表3,從表中數據可知自研油與進口油2相比齒輪箱效率高1.7%,有利于地鐵運行過程中的節能。試驗過程中的齒輪箱溫升低7℃,從而有效避免油品高溫氧化,同時軸承溫度也更低,從而保護軸承正常工作。在膠合試驗過程中,自研油通過了全部12個級別的膠合試驗,而進口油2膠合等級小于12級,這表明研制油具有極好的極壓抗磨能力,可在極限工況下更能保護齒輪免受傷害。


表3 臺架試驗結果匯總


4.總結
       從實驗室測試和真實臺架測試表明,基于煤基合成基礎油研制的城市軌道交通油具有與國外進口油相當的理化性能,且其抗磨減摩性能更加突出,產品具有替代國外油品的能力。

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