75W-90和谐电力机车齿轮油的研制

黄芸琪 廖丰斌 李小刚 周建强 李灵威

1 中国石油上海润滑油产品设计分公司

2 中国石油昆仑润滑检测评定中心

近年来，中国经济持续快速增长，铁路运输需求也随之增加，对运输快捷性的需求也越来越高，由此带来了电气化线路的扩张和电力机车的快速发展。“和谐号”机车由此成为中国高速铁路发展的核心力量。

齿轮箱作为轨道交通车辆传动系统的核心部件，用于将电机输出的转速和转矩传递到轮对上，驱动列车行驶，它的性能直接决定轨道通车的动力性和安全性[1]。由于机车车辆运行环境复杂，齿轮箱易受外部环境的影响，机车车辆又常常在高速度、重载荷下连续工作，导致故障率相对较高。

机车齿轮箱主要由齿轮、轴承、轴箱体、紧固件和密封件等部件组成[2]，各部件的失效比例见表1。

表1 齿轮箱失效部位比例

齿轮箱失效部位比例最高的是齿轮和轴承，而齿轮的常见故障有磨损、点蚀、胶合、断齿等，轴承的常见故障有疲劳损伤、胶合、腐蚀等。齿轮油在箱体中同时润滑齿轮和轴承，油品的性能优劣直接影响齿轮箱的故障发生程度和故障率[3]。

HXD3C机车是中车集团大连机车车辆有限公司自主研发的新型大功率交流传动客货通用电力机车。该机车在平直道可单机牵引5 000 t货物列车以120 km/h速度运行[4]。HXD3C型机车转向架驱动装置是驱动转向架行走的动力装置, 是机车走行部的核心部件, 主要包括滚动抱轴箱装配、齿轮箱箱体、主从动齿轮等部分[5]。现在普遍采用EN 10084标准中的优质低碳合金钢材料制造牵引齿轮，用渗碳淬火工艺进行齿面硬化，提高了齿轮的强度、齿面的耐磨性和抗点蚀能力。齿轮选择斜齿轮，有利于齿轮传动的平稳性并降低传动噪声，小齿轮内孔通过过盈套装在牵引电机转轴上，大齿轮为整体锻造式结构过盈套装在车轴上[6]。HXD3C机车参数见表2。

表2 HXD3C机车参数[7]

供图/黄芸琪

为保证机车运行安全，要求油品在高速冲击和高扭矩等苛刻条件下仍具有良好的极压抗磨性、承载能力和抗点蚀性能；齿轮箱正常运行油温为90 ℃左右，齿面瞬间温度可能达到120 ℃，为保障油品能够满足电力机车运营维修要求的换油周期，要求油品具有良好的氧化安定性；此外考虑到HXD3C型电力机车在全国各路局具有配属且运营线路跨度大，要求油品在-30 ℃的极寒条件下仍能为齿轮和轴承提供良好保护，为此要求油品具有优异的黏温特性和低温流动性。

本文通过对HXD3C型电力机车运行工况开展调研，并对HXN3型铁路机车在用国外油品进行分析，结合HXD3C型电力机车运行工况和在用油的性能特点，通过实验室理化性能及台架试验的考察，最终成功研制出满足HXD3C型电力机车润滑需求的75W-90和谐电力机车齿轮油，产品性能与国外油品相当。

参比油分析及研制产品标准制定

通过对HXD3C型电力机车齿轮箱用油进行调研，该车型齿轮箱润滑采用75W-90黏度级别车辆齿轮油，该产品满足API GL-5/MT-1规格，是一款合成型高性能长寿命齿轮油，可以满足电力机车高载荷、高速的工况，同时换油周期达到电力机车运营要求的20万km以上，参比油分析数据见表3。

表3 参比油分析数据

由参比油分析数据可见，该产品在具有优异的极压抗磨性和承载能力的同时，还具备良好的防锈防腐性，此外油品的换油周期为20万km，要求油品有良好的氧化安定性。

参考参比油的实测数据，拟定了所研制的75W-90和谐电力机车齿轮油的技术指标，见表4。

表4 75W-90和谐电力机车齿轮油技术指标

油品研制

基础油选择

根据对参比油的理化分析结果，选择采用合成型基础油方案。合成油基础油具有黏度指数高、倾点低、闪点高、氧化安定性好、蒸发损失小等特点，可以满足高性能齿轮油的需要。采用单一种类PAO可能造成添加剂溶解性不足，进而影响油品的使用性和储存稳定性，因此通过采用PAO与多元醇酯或烷基萘的复配，以提高基础油的溶解性，从而满足油品对基础油的特殊要求。基础油筛选方案见表5。

表5 基础油方案筛选

从表5可以看出，GO-1的100 ℃运动黏度与竞品黏度最为接近，同时-40 ℃低温表观黏度测试值较低，与参比油数据相比具有优势。

复合剂及其加剂量选择

结合油品使用工况和竞品信息，借鉴前期满足API GL-5/MT-1规格车辆齿轮油研究基础，在GO-1基础油方案基础上，复合剂选用RHY4209A[8]，该复合剂在兼顾极压抗磨性的同时，具备良好的摩擦特性，复合剂加剂量筛选见表6。

表6 复合剂加剂量筛选

由表6数据可见，复合剂加剂量为b%时，油品极压抗磨性能与竞品相当，同时在氧化安定性评价中，能够通过强化版的L-60-1台架试验。此外，2个方案的铜片腐蚀数据均达不到参比油水平，因此在GO-4方案基础上对油品防腐蚀性能开展进一步优化。

铜腐蚀抑制剂筛选

一般认为，润滑油中的活性硫或在使用过程中产生的活性硫是造成铜腐蚀的主要原因。润滑油中的硫元素主要来自含硫的添加剂，包括：含硫抗氧剂，如ZDDP(二烷基二硫代磷酸锌)等；含硫清净剂，如硫化烷基酚盐、磺酸盐等；含硫极压抗磨剂等。此外，基础油中也含有少量的有机硫化物。润滑油中可以通过添加铜腐蚀抑制剂改善油品的防腐蚀性能。铜腐蚀抑制剂的作用机理有两种，一种为成膜型，即在金属表面形成化学膜，阻止金属及其离子进入油中；另一种是络合作用，金属钝化剂能与金属离子络合，对金属离子产生掩蔽作用。选用目前常用的3种不同类型金属钝化剂，考察其在既有配方中的作用效果，结果见表7。

表7 金属钝化剂筛选试验

由表7可以看出，加入金属钝化剂后油品的铜片腐蚀试验结果均有提高，但同等加剂量条件下，加入苯三唑型金属钝化剂和杂环化合物型金属钝化剂的油样铜片腐蚀试验结果不能达到质量指标要求，加入噻二唑型金属钝化剂的油样与参比油结果相当，因此在配方中引入该类型金属钝化剂。

研制油品性能对比

确认油品配方后，对油品各项性能进行分析，结果见表8。

表8 研制的75W-90铁路机车齿轮油实测数据

从表8可以看出，研制的75W-90铁路机车齿轮油具有优异的热氧化安定性、极压抗磨性、黏温特性、低温流动性、抗泡性等。与国外油品相比，具有更为优异的抗磨性能、防腐蚀性能，其余各项理化性能和国外油品基本相当。

应用试验

研制的75W-90铁路机车齿轮油在HXD3C机车开展了200 Mm（20万km）行车试验。试验结果表明，研制的75W-90铁路机车齿轮油具有优异的极压抗磨性能、良好的抗氧化性能及良好的摩擦特性，完全能够满足HXD3C机车齿轮箱200 Mm（20万km）行驶里程的润滑要求。

结论

☆采用PAO为主要基础油以及昆仑RHY4209A复合剂研制了75W-90和谐电力机车齿轮油。

☆昆仑RHY4209A以特定剂量加入可以在保证油品的极压抗磨性能和承载能力的同时保证油品有优异的氧化安定性，但对油品的铜片腐蚀性能有一定的影响，而引入噻二唑型金属钝化剂可以进行复配并起到协同效应，从而降低油品对铜片的腐蚀。

☆四球极压、长周期铜腐蚀试验以及台架试验结果表明，研制油品在极压性能、防腐性和承载能力等方面均表现出优于或等同于参比油的优势，完成了HXD3C机车200 Mm（20万km）行车试验，进一步验证研制的75W-90和谐电力机车齿轮油能够满足机车安全运营的润滑需求。