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基于煤基合成基础油的城市轨道交通齿轮油开发
发布时间:2020-11-19 11:34:41阅读:收藏
摘要:我国作为城市轨道交通大国,城市轨道交通齿轮油仍严重依赖进口油品。本文介绍了基于煤基合成基础油研制的城市轨道交通齿轮油的产品性能,重点突出了油品的抗磨性能和台架性能表现。

山西潞安太行润滑油有限公司  张兆钧
山西潞安太行润滑油有限公司  张    伟


摘  要:我国作为城市轨道交通大国,城市轨道交通齿轮油仍严重依赖进口油品。本文介绍了基于煤基合成基础油研制的城市轨道交通齿轮油的产品性能,重点突出了油品的抗磨性能和台架性能表现。


      我国是全球规模最大、发展最快的轨道交通建设运营市场,轨道交通机车齿轮箱油具有单次换油量大,更换周期短等维保特点,占机车润滑投入的占比较大。
      由于城市轨道交通车辆运行过程中具有启停频繁、大载荷、载荷交变剧烈、箱体内油品翻搅剧烈、箱体内油品温度较高和全天候运行等特点,因此对油品的极压抗磨、抗泡沫性能、氧化安定性、粘温性能等提出了较高要求。而城市轨道交通车辆齿轮油研发投入大、周期长、研发过程需要与齿轮箱主机厂和地铁运营商密切配合,这使得高品质的轨道交通齿轮箱用油研发具有一定的技术壁垒。目前国内尚未有成熟的国产化产品推出,这导致了我国城市轨道交通齿轮箱用油长期依赖国外公司油品,这一方面增加了地铁机车的维保成本,同时也不利于油品使用安全。
      为解决我国城市轨道交通齿轮箱油品国产化问题,潞安太行润滑油有限公司联合城市轨道交通齿轮箱主机厂——郑州机械研究所,基于煤基合成基础油资源和郑州机械研究所的齿轮箱开发技术优势,自主研发了针对城市轨道交通的齿轮油,并进行了真实台架模拟测试试验。


1.基本理化性能
      为了明确自研油的产品性能,油品开发过程中选取了与目前地铁齿轮箱上常用的两款进口油进行对比。自研油与两款进口油品的基本理化性能见表1,从表中可以发现与进口油相比自研油具有良好的粘温性能、低温流动性、防锈防腐性能、剪切安定性、极压抗磨性能、减摩性能。油品的理化及摩擦性能可以满足城市轨道减速器润滑性能要求,与目前减速器在用的进口油相比,自主研发的产品在低温流动性,减摩抗磨性能与极压性能等方面优于竞品,可以保证油品在宽温域使用,在保证机车安全运行的同时可降低车辆运营过程中的能耗,降低线路的运行成本。


表1 自研油与进口油基本理化性能对比


2.高速重载工况条件的抗磨性能
      地铁在运行过程中通常会出现车厢满员的重载工况,此时车辆齿轮箱处于高速重载工况,对油品的抗磨性能提出了较高要求。为了考察齿轮箱高速重载工况条件下的油品抗磨性能,在实验室通过杠杆式四球机模拟了该工况。试验条件为:加载载荷100kg,油温75℃,转速为2400转/分钟。


图1 高速重载实验摩擦系数变化曲线


       测试得到的摩擦系数曲线见图1,从图中曲线可以发现进口油1在电机启动后发生卡咬,未完成测试,因此将转速降为1800转/分钟,图中未体现其摩擦系数曲线。从图1摩擦系数曲线可以看出,自研油在该苛刻工况条件下,摩擦系数曲线变化相对平缓,而进口油2实验过程中摩擦系数出现了突变,这说明在该工况条件下进口油2油膜不稳定,出现了破裂造成摩擦副的磨损。
       图2为高速重载实验后通过显微镜观察磨痕形貌图和实验后油品变化图。从图中可以看出自研油实验后磨痕直径较小,磨痕为规则的圆形,实验后油品仍清澈透亮,无明显变化。而两个进口油(进口油1实验转速较低)的磨痕直径较大,磨痕形貌不规则,边界形貌犬牙交错。同时油品发黑,表明在高速重载条件下摩擦副表面发生了较大磨损,而剧烈磨损使得摩擦副表面持续高温又加剧了油品氧化变质,最终使油品变黑。



图2 高速重载实验后磨斑形貌和油品变化


图3 接触电压随载荷渐增的变化曲线


       为了测试油品随着载荷增加油膜强度的变化情况,在TE77长行程摩擦试验机上,设计了载荷渐增实验,在实验过程中对上下摩擦副之间加载电压,若摩擦过程中摩擦副发生直接接触,此时接触电压较低,表明油品油膜厚度较低;反之,若接触电压较大,则表示油膜厚度较大,实现了对摩擦副之间较好的隔离,实现对摩擦副表面的保护。
       图3为通过实验得到的接触电势随载荷增加的变化曲线。从图中可以看出,随着载荷的增加,进口油2接触电势始终较低,说明其成膜能力较差。而进口油1和自研油在实验过程中接触电势始终较大。其中自研油接触电势始终比较稳定,进口油1在载荷变化过程中接触电势随载荷变化较为敏感,且在大载荷时接触电势波动较大。实验数据表明自研油具有较好的油膜厚度和油膜保持能力,这也是自研油在高速重载条件下能供保持较好的抗磨能力的原因。


3.台架试验情况
      根据地铁运行启停频繁的工况特点,在郑州机械研究所进行了真实地铁齿轮箱的台架试验,试验台架组成见图4。台架试验设计了以下3个台架实验方案:
       1. 额定转速耐久加载试验。按额定扭矩和时间进行加载试验,待试验转速缓慢升至齿轮箱额定转速1800rpm,以额定扭矩的不同比例进行加载,试验中正、反向各一次。
       2. 48小时冲击耐久性加载试验。按表2对齿轮箱进行启停冲击试验。试验过程中需测量加载扭矩为1008N•m时的齿轮箱传动效率。
       3. 为了测试油品的极限性能,参照GBT 13672-1992 《齿轮胶合承载能力试验方法》设计了胶合试验,即对齿面载荷逐级加载载荷,每加一级载荷试验齿轮恒速运转15min。对试验齿轮齿面进行检查和评定。观察运转是否正常,检测振动、噪声、温升、输出扭矩、效率。


表2 启停冲击试验转速、扭矩及时间表



1—电机、2—膜片联轴器、3—扭矩转速传感器、4—膜片联轴器、5—ZZL2地铁齿轮箱、6—膜片联轴器、7—扭矩转速传感器、8—膜片联轴器、9—增速箱、10—膜片联轴器、11—负载电机

图4 地铁齿轮箱试验台架组成


       试验得到的数据见表3,从表中数据可知自研油与进口油2相比齿轮箱效率高1.7%,有利于地铁运行过程中的节能。试验过程中的齿轮箱温升低7℃,从而有效避免油品高温氧化,同时轴承温度也更低,从而保护轴承正常工作。在胶合试验过程中,自研油通过了全部12个级别的胶合试验,而进口油2胶合等级小于12级,这表明研制油具有极好的极压抗磨能力,可在极限工况下更能保护齿轮免受伤害。


表3 台架试验结果汇总


4.总结
       从实验室测试和真实台架测试表明,基于煤基合成基础油研制的城市轨道交通油具有与国外进口油相当的理化性能,且其抗磨减摩性能更加突出,产品具有替代国外油品的能力。

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