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【天机-文献】动车组齿轮箱油中含硫添加剂损失的试验研究

四球机2020-11-15 07:45:13

动车组齿轮箱油中含硫添加剂损失的试验研究

来源:润滑与密封

作者:高 军   李来顺   冯 伟   李秋秋   宋 健



齿轮箱是高铁动车组牵引系统中的传动装置,由齿轮、轴承、润滑油组成,其失效主要表现为轴承磨损、润滑油变黑等。润滑油作为齿轮箱的重要组成部分,其性能直接影响齿轮的冷却和磨损,而高铁动车组齿轮对润滑油的承压性、耐磨性、耐温性等有着很高的要求。通过监控发现,齿轮箱润滑油添

加剂中硫元素 ( S) 损失情况比较特殊,运行初期损失较快,后期进入平稳期,出现异常故障后,S 的损失更快。硫元素的损失程度以及其损失是否对润滑

油性能产生较大影响,是值得深入研究和分析的问题。本文作者通过极压试验和高温试验研究润滑油中硫添加剂的损失机制。


1. 极压作用下含硫添加剂损失试验

1.1试验方法 

试验通过检测受极压作用后的压痕情况及金属表面硫元素的分布,探讨含硫添加剂的损失机制。试验采用 MRS-10A 四球摩擦磨损试验机,参照 GB/T12583-1998 《润滑剂极压性能测定法 ( 四 球法 ) 》,控制试验主轴转速为 1 790 r/min ( 标 准 要 求 为:( 1 760 ± 40) r/min) ,逐级施加负载。每次施加负载10 s 之后,用光学显微镜观察并测量出其中 2 个钢球水平和垂直方向上的磨斑直径,用 SEM-EDS 扫描电镜能谱仪来观察不同元素在金属表面的分布情况。试验钢珠直径为 10 mm,选择的变加载压力为 200、400、600、700、800 N。


1.2 试验结果及分析

1.2.1 低负载下试验结果与分析

200、400、600 N 低负载作用下,金属表面压痕的微观形貌及 EDS 成分分析检测结果如图 1 和表 1所示。

根据检测结果,在低载荷下,钢球表面的硫元素( S) 和磷元素 ( P) 不明显,但随着负载的增加,其元素含量逐渐增加。

1.2.2中高负载下试验结果与分析

700 和 800 N 中高负载下 EDS 磨痕微观形貌如图2 所示,EDS 成分分析检测结果见表 2、表 3。可见,在 700、800 N 的负载作用下,钢球表面的 S、P、O等元素较明显,随着金属表面压力的增大,表面活性极压剂开始起作用,在金属表面形成一层摩擦因数较低的化学膜。

1.3 试验结论

( 1) 含硫和磷的极压、抗磨添加剂,在摩擦副表面形成一层摩擦因数较小的滑动层 ( 吸附在摩擦副表面) ,但吸附层的形成需要一定的压力和温度条件。一般来说,压力越大,抗磨剂和极压剂被激活吸附到金属表面就越多。

( 2) 在钢球磨斑的附近,靠近磨斑中心区域压力较大,润滑油中的极压剂 ( 多硫化物) 起主要作用,钢球表面极压剂吸附较多; 在磨斑两侧边缘压力相对较小,该处抗磨剂起主要作用,钢球表面抗磨剂吸附较多。


2 高温状态下含硫添加剂损失试验

2.1试验方法

选取 2 个油样,通过气相色谱分析齿轮油中硫元素的损失原因。试验采用多元醇脂进气法和直接进气法。

2.1.1多元醇脂进气法

将油样 1 和油样 2 加热至 90 ℃ ,在该温度下恒温 7 天,以固定流量通空气,鼓风流量为 100m L / min,分别用 7 个装有多元醇酯和水的试剂瓶收集挥发出的尾气,将收集的样品采集多元醇酯层进行气相色谱分析 ( 因酯类物质 ( TMTC) 对添加剂具有良好的溶解性) ,检测结果见表 4。

2.1.2直接进气法

将油样 1 和油样 2,直接加热至 250 ℃,顶空法收集挥发物,直接进气相色谱分析。检测结果见表 5。


2.2试验结论

通过试验发现,多元醇脂进气法和直接进气法都会使润滑油逸出二硫化物和三硫化物,通过 2 种方法的比较,得出润滑油中的这些多硫化物在受气流影响时更多发生迁移,多元醇脂进气法比直接进气法硫化物更容易从润滑油中挥发出来,逸出的多硫化物更多。该试验结果也证明了齿轮油中的硫元素以硫化物的形式挥发逃逸是硫元素损失的原因之一。

 

3 验证试验

3.1 试验方法将高铁失效齿轮箱中的齿轮拆解下来,观察其形貌,如图 3 所示,使用 SEM-EDS 进行元素分布及点含量检测。


3.2 检测结果及分析

轮齿的微观形貌如图 4 所示。轮齿表面的元素分布及形态如图 5 所示。

通过检测发现,切割面含有磷 ( 质量分数 0. 5% ~1. 0% ) 和硫 ( 质量分数 0. 2% ~ 0. 3% ) ,并且硫和磷的分布是十分均匀的,大量的硫和磷是铺在齿轮表面上的。


4 结论

( 1) 齿轮油中的含硫极压剂主要成分为多硫化物,且以二硫化物和三硫化物为主,随着压力的增大,多硫化物会附着在摩擦副表面形成滑动层从而降低摩擦因数,多硫化物形成的滑动层比较稳定,不容易损耗。

( 2) 润滑油使用过程中,极压剂硫被消耗,一部分附着在齿轮表面,一部分生成气体从齿轮箱排气孔排出,当齿轮箱内温度升高到 90 ℃ 以上时,硫的消耗会更快。