摘要：对我国机车牵引齿轮润滑的现状进行了分析，根据铁路发展趋势，机车运行将呈现“高速、重载、全天候”的特点，提出了机车牵引齿轮润滑材料“低粘度、系列化、高性能化”的观点。同时，为了降低动力消耗，提高传动效率，提出在解决齿轮箱密封的基础上，多采用油润滑，少采用脂润滑的观点，从而达到节能的目的。并对目前存在的机车齿轮箱漏油问题提出了解决路线和措施。
关键词：机车；牵引齿轮；齿轮油；粘度；密封
中图分类号：TE626.39 文献标识码：A
0 前言
牵引齿轮是电力机车和电传动内燃机车牵引传动装置中的重要部件。它传递牵引电机所产生的扭矩，并承受来自线路的冲击和自身轴承的振动所产生的动载荷。随着机车运行速度的提高，动载荷增大，齿轮的服役条件更为苛刻。牵引齿轮的承载能力和使用寿命是最重要的使用性能，它取决于齿轮几何参数的设计，齿轮材料及强化工艺，加工精度，润滑材料与方式等因素，本文仅就机车牵引齿轮润滑材料的要求和选择加以论述。
1 机车牵引齿轮润滑的现状
70年代，由于牵引齿轮的质量问题，其使用寿命较低，平均约为（50~100）×104 km（1~2个厂修期），失效形式以齿根裂纹及断齿现象较为严重，随着我国机车生产技术的进步，近年来，断齿现象基本消除，失效形式转化为磨损。擦伤和胶合为主，而这种失效形式与润滑材料密切相关。
1.1 机车牵引齿轮的润滑特点
各类型内、电机车牵引齿轮润滑系统为封闭油浴式润滑。主要有以下特点：①速度变化范围宽（60~160 km/h），对形成油膜不利。②载荷变化大，空、重载列车交替变化，线路不平顺，弯道以及钢轨接头引起的冲击负荷都使牵引齿轮受力变化频繁。③滚动、滑动结合运动复杂。④全天候户外作业，风沙、雨雪、南北冬夏气温差别甚大的自然环境给齿轮润滑系统带来不利的影响。
1.2 润滑材料的选用原则
一般来讲，齿轮的润滑大多采用润滑油作为润滑介质，低速工况的齿轮采用润滑脂作为润滑剂。鉴于机车牵引齿轮的润滑特点，润滑材料的选用应遵循以下原则：①合适的粘度。粘度过低，不易保持坚固的油膜，而且容易漏油，粘度过大，容易造成温升过高，反而降低油品的工态粘度。一般讲，油浴式润滑方式的齿轮油比循环式润滑方式的齿轮油的粘度大一些。②优良的承载能力，防止齿面擦伤、磨损、烧结。③良好的低温流动性。油品低温时粘度增大，流动性变差，不易进入咬合面，以致形成干摩擦而增加磨损，当齿轮油凝点高于环境温度时，油品开始凝固，齿轮传动后齿轮油靠边，即形成空洞（成沟）现象，以致齿面形成干摩擦。这一点对于北方寒区冬季机车牵引齿轮的润滑尤为重要。另外，良好的热氧化安定性、抗腐蚀防锈性、抗乳化性、抗泡沫性等性能也应予以认真考虑。
1.3 牵引齿轮润滑的现状
目前，我国机车牵引齿轮润滑的定点产品有两种：8K齿轮油和内电机车牵引齿轮脂（ND5齿轮脂）。这两种产品均是铁道科学研究院根据当时进口机车的运行特点及牵引齿轮实际的工况条件研制的，并且于90年代先后在全路推广使用。从近10年的运行状况来看基本满足了机车牵引齿轮的润滑需求。同时，也有部分路段，在部分车型上采用18#双曲线齿轮油，32#车轴油及抱轴瓦油用于机车牵引齿轮的润滑。上述油脂的主要性能指标见表1。
根据机车牵引齿轮的润滑特点及润滑材料的选用原则，结合表1中各油脂的主要性能指标，可以得出如下结论：
①32#车轴油和抱轴瓦油不适宜用作牵引齿轮润滑。因为它们的粘度过低，承载能力较差（抱轴瓦油具有一定的减摩抗磨性能）。
②18#双曲线齿轮油的粘度尚可，也具有一定的抗磨性能，但是，由于该产品的配方中含有氯化石蜡，容易造成金属腐蚀，同时，短链的氯化石蜡存在致癌的倾向，我国已经废弃了该类产品的标准。目前，仅有一些小厂仍在生产，产品质量无法保证，因此也不适宜用作牵引齿轮的润滑。
③8K齿轮油和ND5齿轮脂具有良好的综合性能，能够满足牵引齿轮润滑的需求。但是，随着机车运行特点的不断变化也暴露出一些问题：8K齿轮油在粘度、低温性能、承载能力等方面有待进一步完善；ND5齿轮脂在氧化安定性、机械安全性、胶体安定性、承载能力、低温性能方面也有待提高。
另外，油润滑存在的密封、漏油的问题；脂润滑存在加脂或换脂困难，混入的水分、灰尘、磨屑难以分离，易造成润滑表面磨损，搅拌阻力及启动力矩大而带来的能量损失，发热量大，冷却效果差，不太适用大功率、高转速工况，不能对润滑机械表面起到散热和冲洗的作用等一系列问题，也是目前机车牵引齿轮润滑面临的客观现实。润滑油和润滑脂的比较见表2。
2 机车牵引齿轮润滑的发展趋势
1997年以来，我国先后6次大面积提速。目前，时速160 km/h及其以上的线路达7700 km，部分提速干线列车的时速可以提高到200 km/h。铁路运输提速，出现的新情况是：（1）牵引齿轮齿面负荷大幅度增加。椐资料记载：普通客车的牵引功率为2000~3000 kW；当车速提高到300 km/h 时，牵引功率将提高到10000 kW；由于受到车体的限制，牵引齿轮的尺寸不能随意增大，因此，高速机车牵引齿轮的齿面负荷，必将成几倍的增长。（2）牵引齿轮的节线速度大幅度提高。 在牵引齿轮尺寸变化不大的情况下，牵引齿轮的节线速度必然随车速的变化而提高，以8K机车为例：车速为100 km/h时，节线速度为19.73 m/s；车速为160 km/h时，节线速度为31 m/s；车速为200 km/h时，节线速度为39.46 m/s；车速为300 km/h时，节线速度为59.19 m/s，见图1。从图1中可以看出：车速从160 km/h时起，节线速度就超过高速齿轮的速度（25 m/s）界限。
根据以上分析，提速机车牵引齿轮属于重载条件下的高速齿轮传动。在解决密封和漏油的基础上，采用油润滑替代脂润滑，并逐步实现润滑油的“低粘化、系列化、高性能化”是未来的发展趋势。为此，需要探讨的问题有粘度、承载能力、漏油与密封。
2.1 粘度
机车运行阻力的增加与速度的平方成正比。随着机车速度的提高，牵引功率的加大，节能被提到了重要位置，而节能与润滑有密切关系。当油脂的粘度过大时，会增加摩擦阻力使油温升高，不但多耗动力，而且由于齿面上的油膜恢复速度慢，以致增加磨损。尤其对于润滑脂来讲，运转初期搅拌动力损失更大，且易发热，同时，高速运转齿轮产生的剪切力及高温，容易导致脂的网架结构被破坏，以致软化和流失，并加速氧化变质。因此，从节约能源、降低温升的角度来看, 应当尽可能地降低油品粘度。耗能、温升，主要来源于摩擦损失和搅油损失。齿轮传动的搅油损失PCH，可按下式计算：
PCH=K•ρ•η0.6υ2.15 (1)
式中：K——常数；
ρ——密度；
η——粘度；
υ——齿轮节线速度。
根据（1）式可以算出，将油粘度由N150增加到N460，搅油损失将提高1.95倍。为了降低温升，提高效率，应当随着机车速度的提高，降低使用油品的粘度。在这个问题上，发达国家的成功经验值得借鉴。如：日本、英国和德国时速200~260 km/h的高速机车均采用N150粘度等级的齿轮油用于润滑，而8K齿轮油和ND5齿轮脂均是针对时速60~120 km/h的机车研制的，粘度等级相当于N460~N680，从节能的角度来看，用于时速超过120 km/h以上的机车存在一定的问题，应适当降低粘度，如N320，N220，N150等。总之，根据机车运行速度的不同，采用不同粘度等级的齿轮油，通过油品的低粘化和系列化来实现“动力损失最小化和传动效率的最大化”是机车牵引齿轮润滑发展趋势之一。
2.2 承载能力
随着机车牵引功率的加大，牵引齿轮的接触应力不断增加，为防止磨损、擦伤、烧结，必须提高齿轮油的承载能力。从机车生产厂的实际做法来看，这个问题已经引起了厂家的重视；如：株洲电力机车厂将Mobil 220齿轮油用于准高速机车牵引齿轮润滑，该油品具有优良的承载能力，四球机试验数值PB为1579 N，PD为3089 N；大同机车厂采用国产N150超级齿轮油用于重载机车的牵引齿轮润滑，该油品的烧结负荷PD≥5884 N；大连机车厂新研制的电力机车的牵引齿轮亦采用N220高速机车齿轮油润滑，该油品的四球机试验值PB≥1324 N,PD≥4903 N。当然，过分追求高承载能力也是不足取的，因为，若要提高齿轮油的承载能力，必然要采用活性较强的极压抗磨添加剂并增加剂量，其带来的负作用是油品的酸值增加，氧化安定性和抗腐蚀防锈性能变差，影响油品的综合性能。因此，要根据不同车型的实际工况条件，在不降低其他性能的前提下，适当提高油品承载能力，从而获得高性能的牵引齿轮油。鉴于国内机车的运行特点，牵引齿轮油的四球机试验值PB≥1324 N,PD≥4903 N；齿轮机试验值FZG≥11级，即可满足需求。
2.3 漏油与密封
目前，某些机车的生产厂家和使用单位提出：使用低粘度齿轮油存在漏油问题，应换用半流体润滑脂。使用半流体润滑脂解决漏油，是上世纪60～70年代的办法，主要用以解决吊车、矿山冶金设备等低速齿轮传动。根据太原工学院的测定：00#润滑脂，40℃时的动力粘度为ζ=420 mPa•s，相当于运动粘度N460的油。根据齿轮油选油标准，高速齿轮传动，应使用汽轮机油（汽轮机油最大粘度是N100）。理论和实际都说明，使用半流体脂不合适。
漏油，主要是密封问题，近些年，密封技术有很大发展，有条件解决密封问题。解决齿轮箱漏油的原则是：均压、畅流、堵漏（参看图2、图3、图4、图5）。“均压”是加大减速箱盖上透汽孔的尺寸。齿轮在运转过程中，由于啮合处的摩檫和搅油损失，使减速箱内温度升高。根据查理定律：在体积不变的情况下，一定质量的气体，每升高1 ℃，其压强增加量是0 ℃时压强的1/273。如果减速机完全密闭，室温为20 ℃，减速机内工作温度为50 ℃时，减速机内外产生较大的压力差，必然加速泄漏。加大透气孔（如图2所示），可以使箱内压力通过透汽孔泄掉，使箱体内外压力平衡，消除油品外漏的动力。“畅流”如图3所示：是使齿轮甩到机壳内壁上的油，尽快按一定方向流回油池，使轴头密封处不存油，无油可漏。“堵漏”如图4所示，主要用于迷宫式油封。迷宫式油封是由动件和静件组成，两者互不接触，中间存在间隙。工作时油封缝隙中填满润滑脂，阻止润滑油流出。目前，某些单位反映的漏油问题，主要原因是迷宫中润滑脂变稀流失。齿轮高速运转产生的后果是：（1）发热大，迷宫处温升超过润滑脂稳定界限；（2）动静件的相对运动大，超过润滑脂的剪切安定性，使脂变稀，润滑脂流失，润滑脂量不足，密封性能变差。
解决办法是改用耐高温、剪切安定性好的脲基脂用于油封，其性能见表3，脲基脂在运转过程中，脂的形态稳定，使密封得到保证。
采用适当的“均压”、“畅流”、“堵塞”措施，完全可以解决轴头漏油的问题。戚墅堰机车车辆工艺研究所，设计了新的密封结构，很好地解决了漏油问题，见图6。
3 结束语
随着我国铁路的不断发展，机车运行将呈现“高速、重载、全天候”的特点，对牵引齿轮的润滑材料提出了更高的要求，“低粘度、系列化、高性能化”是未来的发展趋势。同时，为了降低动力消耗，提高传动效率，应在解决密封的基础上，应采用油润滑，从而达到节能的目的。
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