HXN3型铁路机车齿轮箱油的研制.pdf

用油全方位Application Guides24242023 October 第五期随着我国铁路运输事业的飞速发展，引进国外先进机车产品的步伐也在不断加大。近年来，中国中车大连机车车辆有限公司与美国 EMD 公司合作生产了 HXN3型铁路机车1，2。该型机车是在SD70MAC、SD90MAC 型机车基础上，根据中国铁路技术规范改进设计而成的 6 000 马力（4 410 kW）交流传动干线货运铁路机车35。机 车 轴 重 25 t，采 用 一 系 列 先 进技 术，可 在平直 线 路上单 机 牵引5 000 t 货运列车，最高运行速度为120 km68。其工况为典型的高速重载工况，对传动系统齿轮箱油的极压抗磨性能、热氧化安定性能提出了更高的要求，相比于普通齿轮油，在抗氧化性能、抗磨性能以及防腐蚀性能等方面具有更为优异的表现。本文通过对 HXN3 型铁路机车运行工况开展调研，并对 HXN3型铁路机车在用国外专用油品进行分析，结合 HXN3 型铁路机车运行工况和竞品性能特点，通过实验室大量的考察，最终成功研制出满足HXN3 型铁路机车润滑需求的齿轮油产品，产品性能与国外油品相当。国外油品性能考察及分析对 HXN3 型铁路机车在用国外专用油品进行了全面的理化分析和性能评价，分析评价结果详见表 1。从表 1 数据可以看出，国外油 品 黏 度 指 数 达 到 182，倾 点为-45，表明油品具有卓越的黏温性能和低温性能，常规的 PAO合成油无法满足性能需求。铜片腐蚀（121，24 h）结果为 1b，该项目标准试验时间为 3 h，表明油品具有突出的防腐蚀性能。氧化寿命试验（ASTM D943）可以测试油品长周期条件下的抗氧化性能，而旋转氧弹试验温度为 150，可以测作者简介：廖丰斌，大学本科，工程师，现主要从事齿轮油及工业油产品的研究开发工作。E-ma i l：l i a o f e n g n b i n _ r h y p e t r o c h i n a.c o m.c n廖丰斌1 张建荣1 华秀菱1 伏喜胜2 陈志忠1 黄芸琪11 中国石油润滑油公司产品设计中心2 中国石油润滑油公司HXN3 型铁路机车齿轮箱油的研制为满足 HXN3 型铁路机车齿轮油国产化的需要，对其在用专用油（国外油品）进行了分析评价。结合油品使用工况，对标国外油品，开展了基础油和添加剂的筛选考察，研制出一款具有优异的抗氧化性能、极压抗磨性能、黏温性能、低温性能以及抗泡性能等特点的 HXN3 型铁路机车齿轮箱专用油产品。理化及模拟试验结果表明，研制油相比国外油品具有更好的极压抗磨性能、摩擦特性以及成膜能力。用油全方位Application Guides252525第一期2023 October第五期25供图/廖丰斌试油品高温下的抗氧化性能，国外油品氧化寿命达到 10 000 h 以上，旋转氧弹达到 2 200 min，表明油品具有优异的抗氧化性能。国外油品比较侧重于抗氧化性能和防腐蚀性能。试验部分基础油选择根据国外油品黏度指数和倾点数据，判断其为全合成油品，从40 运动黏度数据可以看出国外油品为 460 黏度级别。因此，HXN3型铁路机车齿轮箱油基础油选用具有较高黏度指数的 PAO 合成基础油，该基础油与传统 PAO 相比，具有更高的黏度指数、更好的剪切稳定性能以及低温性能，可以为润滑油成品提供更为出色的性能表现。同时，也引入了一部分酯类基础油，以增加对部分添加剂的溶解性。HXN3 型铁路机车齿轮箱油基础油性质见表 2。从表 2 可以看出，基础油的黏度、黏度指数和倾点与国外油品相当，可以满足要求。因此确定采用高黏度指数 PAO 加酯类油为 HXN3型铁路机车齿轮箱油的基础油方案。添加剂选择国外专用油品具有卓越的抗高温/抗氧化性能、沉积控制以及抗化学降解能力，以适应长周期运行工况。经评价分析，其氧化寿命试验达到 10 000 h 以上，旋转氧弹试验结果达到 2 200 min。首先对现有添加剂配方体系进行了关键性能考察，调合方案和分析数据见表 3。从表 3 数据可以看出，GO-1、GO-2 旋转氧弹试验结果分别为805 min 和 152 min，氧化寿命试验分别为小于 1 000 h 和小于 500 h，远低于国外油品。因此，现有添加剂配方体系均不能满足国外油品的抗氧化性能要求。抗氧剂的选择从某种意义上讲，一种油品各用油全方位Application Guides26262023 October 第五期方面性能的变化，使用过程中质量的变差，皆由油品的氧化所引起。因此，需要在配方中引入抗氧剂增强油品的抗氧化性能。本研究通过在基础油中以 0.5%（质量分数）的加剂量引入不同类型抗氧剂，对其抗氧化性能（旋转氧弹，NB/SH/T 0193）进行考察。试验结果见表 4。从表 4 可以看出，相比于其他几种抗氧剂，硫化烷基酚在配方中的旋转氧弹时间最长，抗氧化性能较好。极压抗磨剂的选择齿轮油中极压抗磨剂为主要添加剂，并且种类较多。而极压抗磨剂又都是化学活性相对较高的化合物，容易被金属表面（齿面）吸附，产生化学或物理反应膜，从而表1 国外油品分析数据项目国外油品试验方法运动黏度/（mm2s-1）40 100 452.352.80GB/T 265黏度指数182GB/T 1995倾点/-45GB/T 3535铜片腐蚀（121，24 h）/级1bGB/T 5096酸值（以KOH计）/（mgg-1）0.59GB/T 4945密度（20）/（kgm-3）855.4SH/T 0604泡沫特性（倾向/稳定性）/（mL/mL）24 93.5 后24 0/010/00/0GB/T 12579旋转氧弹/min2 200NB/SH/T 0193承载能力（四球法）最大无卡咬负荷PB/N烧结负荷PD/N综合磨损指数ZMZ/N1 2561 570491GB/T 3142磨斑直径（392 N，60 min，1 200 r/min，75）/mm0.40NB/SH/T 0189氧化寿命（酸值达到2.0 mgKOH/g时间）/h10 000ASTM D943表2 H X N 3 型铁路机车齿轮箱油基础油性质项目基础油主要性质试验方法运动黏度/（mm2s-1）40 100 480.055.63GB/T 265黏度指数183GB/T 1995倾点/-45GB/T 3535用油全方位Application Guides272727第一期2023 October第五期27起到防止金属摩擦或咬合的作用9。高活性的含磷极压抗磨剂是导致齿轮油生成油泥的主要原因，从而降低油品的抗氧化性能。国外油品兼具优异的抗氧化性能和极压抗磨性能，因此需要选择活性适宜的极压抗磨剂，从而保证油品极压抗磨性能的同时确保油品具有优异的抗氧化性能。在上文确定的基础油中加入 0.5%（质量分数）的硫化烷基酚后，选用几种不同类型的极压抗磨剂以 1.0%（质量分数）加剂量引入其中，采用旋转氧弹试验（NB/SH/T 0193）和四球机试验（GB/T 3142、NB/SH/T 0189）对油品抗氧化性能和极压抗磨性能进行考察，试验结果见表 5。从表 5 数据可以看出，相比与其他两种极压抗磨剂，在配方中引入二烷基二硫化物在保证油品极压抗磨性能的基础上，有效提高油品的抗氧化性能。防锈剂的选择极压抗磨剂与金属表面产生的反应膜是对金属的一种腐蚀或锈蚀。因此，有必要引入防锈剂使表面活性物质与极压抗磨剂之间在金属表面产生一种竞争吸附，使之达到某种平衡状态，既有一定的极压抗磨性，又不致于产生过度腐蚀或锈蚀。本研究在上文确定的基础油中加入0.5%（质量分数）的硫化烷基酚和1.0%（质量分数）的二烷基二硫化物基础上，通过引入两种同类型不同结构的防锈剂，以 0.1%（质量分数）的总剂量在不同比例下对油品的防锈性能 GB/T 11143（B 法）和抗氧化性能（旋转氧弹，NB/SH/T 0193）进行了考察。试验结果见表 6。从表 6 可以看出，辛基苯骈三氮唑可以有效提升油品的防锈性能，但对抗氧化性能不利，甲基苯骈三氮唑对抗氧化性能影响较小，但防锈性能不好。在两者质量比为7:3时，表3 现有配方体系考察项目G O-1G O-2国外油品试验方法调合方案（基础油）/%（工业油复合剂A）/%（工业油复合剂B）/%铜片腐蚀（121，24 h）/级1b2c1bGB/T 5096旋转氧弹/min8051522 200SH/T 0193氧化寿命（酸值达到2.0 mgKOH/g时间）/h1 00050010 000ASTM D943承载能力（四球法）最大无卡咬负荷PB/N烧结负荷PD/N综合磨损指数ZMZ/N2 0602 4537801 5703 0906751 2561 570491GB/T 3142磨斑直径（392 N，60 min，1 200 r/min，75）/mm0.440.410.40NB/SH/T 0189表4 抗氧剂的选择和性能考察项目抗氧剂旋转氧弹/mi n1烷基二苯胺20122，6-二叔丁基对甲酚丙烯酸酯2383烷基二苯胺+2，6-二叔丁基对甲酚丙烯酸酯7434硫化烷基酚1 748用油全方位Application Guides28282023 October 第五期兼具优异的防锈性能和抗氧化性能，与国外油品相当。H X N 3型铁路机车齿轮箱油综合性能考察通过对抗氧剂、极压抗磨剂、防锈剂等添加剂的筛选，以及配方中各添加剂之间的配比进行考察，形成了 HXN3 型铁路机车齿轮箱油配方技术，并对调合的油品与国外油品进行全面分析评价，结果见表7。从 表 7 可 以 看 出，研 制 的HXN3 型铁路机车齿轮箱油具有优异的抗氧化性能、极压抗磨性能、黏温性能、低温性能、抗泡性能等。与国外油品相比，具有更为优异的极压抗磨性能、油膜强度。在保证优异的抗氧化性能的同时，保持了出色的极压抗磨性能。其余各项理化性能和国外油品基本相当。H X N 3型铁路机车齿轮箱油与国外油品的性能评价为了更好地评价研制油在实际使用过程中的性能，通过四球摩擦系数试验、EHD2 油膜厚度测定试验等模拟试验对研制油和国外油品进行对比分析。试验方法摩擦系数测定试验：采用四球磨损试验机，按 SH/T 0762润滑油摩擦系数测定法（四球法）测定油品的摩擦系数，试验条件为：试验油温 75，负荷 98.1 N（10 kgf）条件下，以转速 600 r/min 运行 10 min，每 10 min 增 加 负 荷98.1 N（10 kgf），每 10 min 记录一次摩擦系数。EHD2 油膜厚度测定试验：采用英国 PCS 公司生产的 EHD2 油膜厚度测定仪，测试油品在 80 和120，载荷 25 N 条件下的油膜厚度。摩擦系数测定试验摩擦系数测定试验主要用于评价润滑油的摩擦特性。研制油和国外油品的摩擦系数测定试验曲线如图 1 所示。从图 1 可以看出，研制油的摩擦系数随着试验负荷的增加始终保持平稳，在试验负荷达到 588 N 之后略低于国外油品，表明两者均具有良好的摩擦特性。对应实际工况，可以降低油温，提高齿轮箱传动效率，有效提升燃油经济性。E H D 2油膜厚度测定试验成膜能力的评价是对油品在苛刻工况下减摩特性的考察，成膜能力强，在极端工况下，能够有效对摩擦副起到润滑保护作用，减少摩擦磨损，从而起到减摩作用。研制表5 极压抗磨剂的选择和性能考察编号极压抗磨剂旋转氧弹/mi n最大无卡咬负荷PB/N烧结负荷PD/N综合磨损指数Z MZ/N磨斑直径（3 9 2 N，6 0 mi n，1 2 0 0 r/mi n，7 5 ）/mm1二烷基二硫化物2 8331 5012 4535140.382二烷芳基二硫化物1 1141 2562 4534910.403磷酸酯铵盐1 3571 6781 9626190.42表6 防锈剂的选择和防锈性能考察项目防锈剂液相锈蚀试验（人工海水）旋转氧弹/mi n1（辛基苯骈三氮唑）（甲基苯骈三氮唑）=73无锈2 2362（辛基苯骈三氮唑）（甲基苯骈三氮唑）=55轻锈2 3733（辛基苯骈三氮唑）（甲基苯骈三氮唑）=37中锈1 4634辛基苯骈三氮唑无锈1 3575甲基苯骈三氮唑重锈2 5006无重锈2 833用油全方位Application Guides292929第一期2023 October第五期29油和国外油品的油膜厚度曲线图如图 2、图 3 所示。从图 2、图 3 可以看出，研制油在80 条件下，随着转速的升高，平均油膜厚度保持平稳增大，且平均油膜厚度大于国外油品；在 120 条件下，平均油膜厚度与国外油品相当。这表明研制油相比国外油品具有更为优异的成膜能力，对应实际工况可以对齿轮和轴承起到润滑保护作用，减少摩擦磨损。结论通过对 HXN3 型铁路机车使用工况开展调研，并对国外油品进用油全方位Application Guides表7 H X N 3 型铁路机车齿轮箱油与国外油品的典型性质项目H X N 3 型铁路机车齿轮箱油国外油品试验方法运动黏度/（mm2s-1）40 100 474.255.72452.352.80GB/T 265黏度指数185182GB/T 1995倾点/-45-45GB/T 3535闪点（开口）/228228GB/T 3536（水分）/%痕迹痕迹GB/T 260（机械杂质）/%0.0020.003GB/T 511泡沫特性（倾向/稳定性）/（mL/mL）24 93.5 后24 0/010/00/00/010/00/0GB/T 12579铜片腐蚀（121，24 h）/级1b1bGB/T 5096液相锈蚀试验（人工海水）无锈无锈GB/T 11143（B法）抗乳化性82，40-37-3 mL/min1520GB/T 7305旋转氧弹（150）/min2 2362 200SH/T 0193氧化寿命（酸值达到2.0 mgKOH/g时间）/h10 00010 000ASTM D943承载能力（四球法）最大无卡咬负荷PB/N烧结负荷PD/N综合磨损指数ZMZ/N1 3241 5704911 2561 570491GB/T 3142抗磨损性能（四球法）磨斑直径（1 200 r/min，392 N，60 min，75）/mm0.370.40NB/SH/T 0189齿轮机试验/失效级1212NB/SH/T 0306用油全方位Application Guides30302023 October 第五期行分析，结合油品使用工况和竞品性能特点，通过对基础油、添加剂的筛选，成功研制出 HXN3 型铁路机车齿轮箱油产品。研制油在极压抗磨性能、油膜强度方面优于国外油品。通过模拟试验对比，研制油相比国外油品具有更好的摩擦特性以及成膜能力。参考文献 1 马 成.H X N3 型 机 车 常 见 故 障浅析 J .铁道机车与动车，2 0 2 0，(1 2):4 0-4 2+4 8+6.2 张明超，李传龙，宋华威，等.HX N3型高原机车齿轮箱体裂纹分析与解决 J .轨道交通装备与技术，2 0 2 0，(6):4 0-4 2+4 5.3 郑福印，李忠厚，曲鑫，等.H X N3型机车 1 6 V 2 6 5 H型柴油机动力组结构改进研究 J .铁道机车车辆，2 0 2 3，4 3(3):1 3 9-1 4 5.4 宗凌潇，马卫华，刘韦.H XN3 型机车齿轮箱漏油问题及解决方案 J .铁道机车与动车，2 0 1 4，(8):2 2-2 4.5 刘志强，曲天威，罗世辉，等.H XN3型机车齿轮箱模拟仿真研究 J .中国铁路，2 0 1 2，(7):5 6-6 0.6 刘 昌 崇.H XN3型 机 车 转 向架 的 制 造 J .内 燃 机 车，2 0 1 1，(5):1 8-2 2+5-6.7 郑书杰，杜静远，张明超.H XN3型交流传动内燃机车转向架设计 J .铁道机车与动车，2 0 1 5，(1 2):1-3+7.8 曲天威，王惠玉，芮斌，等.H XN3型机车转向架的设计开发理念 J .铁道机车车辆，2 0 0 8，2 8(S 1):1 6 0-1 6 4.9 李云鹏，赵淑芬，胡景兰，等.以矿物油为基础油的 7 5 W/9 0 G L-5 车辆齿轮油的研究 J .石油炼制与化工，2 0 0 2，(2):3 1-3 4.?