FXD1型动力车齿轮箱潜伏性故障的分析及防范对策

王洁莹 中国铁路上海局集团有限公司上海机务段

随着铁路事业的快速发展，对铁路运输安全和质量稳定的需求不断提升。2018年，作为“复兴号”品牌战略的组成部分，国家铁路集团有限公司和中车集团共同研发的时速160 kmFXD系列动力集中型动车组并陆续投入到使用。作为动车组动力车运行关键核心部件之一的齿轮箱，其性能和状态的好坏直接影响到了动车组在高速运行下的平稳与安全。

1 齿轮箱潜伏性故障的发现

我段自2018年12月开始配属FXD1型动力车。动力车经整车作业后投入正常运行，同时段化验部门对齿轮箱油进行周期性监测。齿轮箱位于动力车的轮对驱动装置上，是保障牵引电机大小齿轮啮合和动力传送的关键部件。FXD1型动力车齿轮箱所加注的是Mobil Delvac Synthetic Gear Oil 75W-90齿轮箱油，我们在对齿轮箱油的光谱分析项目监测中发现，大部分该型动力车投运后齿轮箱油在首次化验中所监测到的铁、铜、硅元素含量偏高，这是齿轮箱内部摩擦副在磨合过程中产生的磨损金属杂质使油质污染，经换油后再次检测大多趋于正常。而某台FXD1型动力车1轴齿轮箱油经多次换油后，在光谱分析中仍发现其铁元素含量相对于其它同型号动力车齿轮箱油偏高且外观黑灰色。理化检测还发现该齿轮箱油样中含有水分。

2 齿轮箱故障的分析

2.1 齿轮箱油光谱分析

油样光谱分析通常是利用原子发射光谱仪来分析油样中元素含量。原理是通过高压电弧对油样进行激发，使油样中各元素释放不同特征频率的光子，经过仪器光路系统分离，获得各元素的发射光谱，基于光谱线的相对强度和光电转换来求得油样中各类元素的含量。通常适用于齿轮箱、柴油机等密闭循环系统中油品中所含各类元素的检测。后期通过检测数据与前期数据比对和趋势分析，判断相关部件是否处于异常磨损或油品污染。对齿轮箱而言铁元素含量偏高往往与齿轮啮合面异常磨损相关；铜元素来源则多与轴承铜质保持架相关；观察硅元素含量可判断是否有灰尘等杂质是否进入到油路系统，也可判断含硅密封件是否异常存在磨耗；磷是添加剂元素，油品老化可导致该元素衰减。所以通过持续光谱监测，可以发现齿轮箱是否存在潜伏性故障以及油品有无污染、老化趋势。

基于尚无FXD1型动力车齿轮箱油的光谱分析的界限值标准，因此我们对前期配属FXD1型动力车齿轮箱油光谱数据进行统计分析。考虑新车磨合干扰因素，我们选取完成维护修程并更换新油后、进入正常运用阶段的FXD1型动力车齿轮箱油光谱分析数据，梳理发现铁元素含量均值为50.8 ppm、最大值为94.8 ppm、最小值为34.9 ppm；铜元素含量均值为6.4 ppm、最大值为14.2 ppm、最小值为4.6 ppm；硅元素含量均值为33.2 ppm、最大值为10.9 ppm、最小值为64.1 ppm（见表1）。按照光谱分析方法可靠性为95%置信水平，经数据处理后可得到铁、铜和硅元素含量经验范围：铁元素44.7 ppm-56.9 ppm；铜元素5.6 ppm-7.2 ppm；硅元素27.0-39.3 ppm。

表1 2019年1月-2019年6月FXD1型动力车齿轮箱油主要元素光谱数据

而从该FXD1型动力车1轴齿轮箱油理化及光谱分析数据中可以看出（见表2），2019年6月20日光谱检测显示该动力车1轴齿轮箱油铁元素含量相对偏高，且含有2.4%的水分。光谱分析数据对比经验含量范围后发现，铜元素含量基本正常，而铁元素则含量远超出该范围。因此可以判断该齿轮箱内存在异常磨损可能且油质已污染，决定先换油处理、两周后再跟踪取样分析。

表2 某FXD1型动力车1轴齿轮箱油理化及光谱数据

2019年7月3日再次取样分析。经检测，铁元素含量虽有所降低但依然相对偏高，且仍含有0.9%水分，决定再次换油并继续跟踪处理。2019年7月24日跟踪取样检测，发现铁元素含量仍偏高，且依然含有水分。经与厂方共同研判分析，决定进行对齿轮箱拆解检查。

2.2 齿轮箱故障判断

2019年7月26日，检修人员在厂方指导配合下，经空转试验后发现放出的齿轮箱油，外观黑灰色。而后对各个部件进行拆解检查，发现轴承座外表有渗漏油污，大小齿轮啮合面及轴承座润滑油路中有较多油泥，触摸有明显颗粒感，小齿轮箱与轴承座结合面工艺螺堵锈蚀。通过拆解检查，判断导致该齿轮箱油含水分和铁元素持续偏高的原因如下：

（1）新车齿轮箱前期组装工艺控制不到位。螺堵安装使用扭矩不合适，导致小齿轮箱组装过程中O型橡胶密封圈变形，影响密封效果，造成水分进入到齿轮箱体，污染齿轮箱油（见图1）。

图1 某台FXD1型动力车1轴齿轮箱小齿轮箱与轴承座结合面异常情况

（2）齿轮箱油被水分污染后，造成齿轮啮合面等摩擦副表面油膜无法正常建立，降低了齿轮油抗极压性能，导致磨损加剧。

拆解检查完毕，更换O型圈和齿轮箱油后继续投入运用。9月26日该动力车按修程计划取样分析，油样外观无异常且水分和光谱分析结果正常（见表3）。

表3 拆解检查后某FXD1型动力车1轴齿轮箱油理化及光谱数据

3 齿轮箱故障防范对策

（1）加强对齿轮油的外观检查。利用进出库时机，检查箱体、工艺螺堵、油堵、结合面等部位是否有渗油痕迹。透过齿轮箱油位观察孔，检查油位是否正常，观察齿轮油颜色是否正常，是否有乳化现象。遇可疑情况及时取样送检确认。

（2）规范齿轮箱油取样送检。严格按照修程计划做到定期取样，确保齿轮箱油周期监测。取样时，应在停轮20分钟内使用专用取样器从注油口伸入抽取油样，不宜在底部放油堵取样，以免因油样缺乏代表性而误判。

（3）加强对各零部件的检查。检查螺栓、油堵等零部件是否有破损、滑丝松动、丢失的情况，对不良零部件及时对其进行更换、调整，确保齿轮箱的密封性。

（4）与时俱进修改完善检修作业指导书。作业指导书各项检查应严格按照相应检修手册修订，但实践中也遇到一些特殊情况，譬如：检修手册规定FXD1型动力车注油堵紧固扭矩为79Nm±10%，但在实际操作中发现按此规定操作会导致钢丝螺套损坏，后经反复实践将扭矩调整为50 N·m±10%后能避免此情况发生。遇类似情况，一旦经专业工程师与厂方分析验证、双方确认后，应及时对作业指导书进行修改完善。

（5）将FXD系列动力集中动车组齿轮箱监测数据的收集、整理和分析，将相关技术参数纳入到光铁谱专家诊断系统，从而对齿轮箱日常监测到各项参数进行常态化地全面分析诊断，减少经验行事，多用数据说话，达到更准确、及时预报故障和分析诊断故障原因之目的，确保铁路运输安全。