润滑脂在机车运行中质量变化及监测研究

周浩，王文移，王春龙

(青岛斯坦德检测股份有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

轴箱轴承是轨道列车转向架的重要组成部件之一[1]，其性能质量关系到列车的运行安全[2]。润滑脂填充在机车轴承中，起到降低磨损、延长轴承寿命[3]、保护轴承的作用。但高速、长时间和负荷过重都会导致润滑脂润滑性能变差，润滑脂中的基础油被析出，稠度变差，滴点变高，从而无法起到保护作用[4]。

目前国内对更换润滑脂的周期主要依据《SKF轴承手册》，给出的建议是润滑脂的寿命不大于15000 h或60万公里，但实际运行状况的复杂多变，每种润滑脂的真实使用寿命也未可知，换脂周期过短会导致浪费、不环保，换脂周期过长又会导致设备受损[5]。

本文主要研究了新脂、40万公里、60万公里润滑脂的水分、酸价、油耗、锥入度、滴点、红外、铁谱、光谱元素等项目，来观察润滑脂的性能变化，给出润滑脂更换的最佳周期[6]。

润滑脂选用美国紫皇冠Upg2复合铝基脂。

1 新脂特性

新脂特性具体见表1～表3及图1。

表1 新脂物理性能

表1(续)

表3 铁谱分析

表3(续)

图1 新脂磨损颗粒

从表1、表2和表3的数据可以看出，新脂未混入水气，也未被其他成分污染。从光谱分析和铁谱分析的数据可以看出，新脂中只含有微小颗粒杂质，可能来源于一些未反应的无机盐类或者制脂过程中从外界带入的微量灰尘等，数值在正常范围内[7]。

表2 新脂光谱元素分析 mg/kg

Al、Zn含量高，主要原因是紫皇冠Upg2属于复合铝基脂，基体中Al含量高。Zn含量高主要是一些抗氧抗腐添加剂属于锌盐。从新脂的游离有机酸来看，数据偏高，可能是在皂化过程中添加硬脂酸的原因。综合分析，新脂基本无外界污染，可以正常加注到轴承内作为研究对象。

2 润滑脂不同里程数的性能变化

轴承为滚动轴承，材质为GCr15，保持架为黄铜[8]。从机车牵引机部位取样，机车运行温度区间在70～120 ℃。

40万公里时取轴承上、端盖上、端盖下、轴承座下，共计4个点位的润滑脂。60万公里时取端盖上、端盖下，共计2个点位的润滑脂。

润滑脂不同里程数的物理性能见表4。

表4 润滑脂不同里程数的物理性能

从表4中可以看出，40万公里润滑脂酸价平均值为10.34%，60万公里滑脂酸价平均值为13.13%。随着机车里程数的增加，酸价逐渐升高，主要是在高温使用过程中，脂中矿物油氧化的原因。轴承座下的酸价高于其他部位，原因为轴承座下润滑脂较其他位置更容易接触外界氧气、潮湿空气等，这些因素会加速氧化作用。

润滑脂的锥入度和油耗小于新脂，而滴点却随着里程数增加而增加，主要原因是在使用过程中，轴承的转动会对润滑脂起到剪切作用，破坏了原有稠化剂形成的骨架结构，使原来被吸附和固定在结构骨架中的矿物油被释放出来。另一方面，轴承在转动过程中，会产生70～120 ℃的高温，也加快了释放出来的矿物油慢慢挥发损失，导致润滑脂变干、变硬，锥入度值减小。在用油脂在使用过程中已经损失部分矿物油，自然离心出来的油耗数值也会小于新油。含油量变少，会使得滴点变高。

另外，润滑脂在使用过程中会从外界空气中吸收水分，因为有密封装置，所以多数是通过呼吸作用吸收的微量水分(特殊因素除外)，而轴承运行过程中会产生高温，会使该部分微量水分蒸发，所以40万里程数是水分含量为无。但随着里程数的增加，润滑脂变干，轴承中无法完全填满轴承，密封作用会变差，所以60万公里时，润滑脂从无水到含有0.08%的游离水。

不同里程数磨损元素含量见图2。

图2 不同里程数磨损元素含量

GCr15轴承钢的主要成分是C：0.95%～1.05%、Mn：0.25%～0.45%、Si：0.15%～0.35%、S：≤0.025%、P:≤0.025%、Cr:1.40%～1.65%、Mo:≤0.10%、Ni:≤0.30%、Cu:≤0.25%、Ni+Cu≤0.50%[9]。

从图2中可以看出，Cu、Si、Fe、P、Cr、Mn等元素随着运行里程数的增加而增加[10]。新脂中Fe、Cr、Mn元素含量很微量，说明润滑脂中Fe、Cr、Mn元素主要来源于GCr15轴承磨损颗粒[11]。而40万公里时，轴承上的Fe含量高于其他取样位置的润滑脂，主要原因是各区域受到的承载力不同，造成的磨损程度不同。60万公里，Fe元素含量平均值为1140 mg/kg，是40万公里的5.5倍，新脂的127倍。从润滑脂的物理性能中也可以看出，60万公里时，锥入度平均值为219 0.1 mm，与新脂298 0.1 mm的绝对差值为79 0.1 mm，而40万公里时，锥入度平均值为277 0.1 mm，与新脂的绝对差值为21 0.1 mm。使用后润滑脂锥入度与使用前润滑脂锥入度的差值变化超出±30 0.1 mm时，润滑脂的润滑能力、密封能力、附着力会大幅度降低，所以60万公里时，Fe含量会迅速增加。

40万公里时，Cu含量平均值为118 mg/kg，60万公里时，Cu含量平均值为552 mg/kg，Cu含量增加主要来源于轴承和黄铜支架磨损。60万公里Si含量明显增加，原因是润滑脂起不到良好的密封作用，可能混入灰尘和杂质所致。

铁谱分析见表5。磨损颗粒见图3、图4。

表5 铁谱分析

图3 40万公里磨损颗粒

图4 60万公里磨损颗粒

40万公里时，润滑脂酸价已经高于新脂的，说明已经出现了氧化产物，从铁谱谱图中也可以看出，40万公里时产生了少量的油泥。随着运行里程数的增加，润滑脂中基础油在使用过程中进一步形成酸性不溶物，与其他固体等黏合在一起最终形成油泥，沉降在各处，所以60万公里时铁谱谱图中，出现了大量的油泥。

60万公里时，样品中的Fe、Cr、Mn元素含量偏高，而Gcr15轴承钢中铁含量约占95%左右，长期运行磨合使磨损颗粒混入脂中所致。在铁谱分析中也可以看出润滑脂中含有少量的小于10 μm的钢/铸铁碎屑，进一步证明了轴承存在磨损情况。通过观察发现磨粒属于黏着擦伤，黏着磨损多发生在工作温度高、载荷高的边界润滑部位，如轴承在启动时润滑间断的瞬间[12]。

60万公里时，润滑脂中还存在个别异常的疲劳磨损颗粒和个别高温氧化物。主要是润滑不良引起局部产生干摩擦，并伴有高温使润滑脂氧化。

40万公里时，4个样品的铁谱分析中均没有大颗粒铜合金磨粒，Cu元素含量比新脂高，属于正常的轴承和黄铜支架磨损。60万公里时，润滑脂中发现了铜合金，主要是来源于运行过程中与黄铜支架产生的摩擦铜碎屑混入润滑脂中造成。

3 结语

(1)润滑脂的水分、酸价、滴点，随着运行里程数的增加而增加[13]，油耗和锥入度随着运行里程数的增加而减小。60万公里时，润滑脂锥入度与新脂相差79 0.1 mm，超过±30 0.1 mm，已经无法起到润滑保护作用[14]。

(2)40万公里时，润滑脂中的磨损元素含量和磨损颗粒均在正常范围内[15]。60万公里时，Fe是新脂的127倍，Cu是新脂的551倍，Si是新脂的7.9倍，并含有大量的油泥、黏着擦伤、高温氧化物、铜合金。

综上所述，润滑脂在机车中40万公里时已经有迹象表明出现磨损，但各项指标均在正常范围内，然而运行60万公里时，轴承表面磨损严重，需要更换新脂。