ss4b型機車齒輪箱結構及安裝狀態(tài)分析

ss4b型機車齒輪箱結構及安裝狀態(tài)分析

在使用和維護期間，齒輪箱經(jīng)常出現(xiàn)磨損、變形和密封部件損壞后的橡膠爆炸，這長期影響到制造和使用部門，這給運營和維護帶來了許多不便。國內(nèi)盡管有大量的文獻資料對其產(chǎn)生的原因進行了分析,各機務段及制造廠家也進行過一些改進,但都未能從根本上解決齒輪箱漏油的問題。因此有必要對齒輪箱本身的結構以及齒輪箱的安裝狀態(tài)進行全面分析,進而有針對性地進行設計改進,才能保證齒輪箱良好運用,提高SS4B型機車運行品質(zhì)。1齒輪箱的焊接和密封SS4B型機車屬直流傳動電力機車,其牽引電機體積較大,電機與輪對之間的橫向空間非常狹小,齒輪箱的設計空間非常有限。加之采用抱軸懸掛方式,驅(qū)動裝置大部分為簧下重量,為提高機車動力學性能,在充分保證齒輪箱容積的前提下,齒輪箱不得不設計成如圖1所示的薄壁件鋼板焊接結構。該齒輪箱外形呈橢圓形結構,最大外形尺寸為1350mm×1040mm×190mm,重約150kg。為了使箱體內(nèi)腔容積最大化,齒輪箱壁做得很薄,采用4mm厚的Q235A鋼板焊接而成。齒輪箱分上下箱,箱體之間通過圓柱銷定位,兩端4個M20×75螺栓緊固,兩側(cè)另有2個M16×190長螺桿進行緊固。齒輪箱的密封有平面密封、橡膠條密封以及迷宮加毛氈條密封。在上下箱體合箱面上采用結合面涂平面密封膠進行密封;電機側(cè)大小領圈與電機端蓋和抱軸箱通過密封橡膠板進行靜密封;車輪側(cè)領圈與齒輪轂通過領圈迷宮及毛氈條形成動密封。為了使箱體內(nèi)外壓力的平衡,在上箱體頂部還設有兩個呼吸器。通過這些措施力圖確保齒輪箱內(nèi)潤滑油不外泄。SS4B型機車齒輪箱為非承載式齒輪箱,其安裝采用懸臂式,在圖1所示的正面6個螺座通過螺栓剛性地固定于電機和抱軸箱的端部。為了保證安裝面的貼合允許采用在下箱螺座處進行加墊調(diào)整。2齒輪箱分析2.1線路動應力測試齒輪箱設計是否合理,可通過Ansys有限元進行仿真?？紤]齒輪箱與電機和抱軸箱體的剛性連接,計算時對6個螺座安裝表面進行全約束。同時參照SS4B型機車線路動應力測試結果,齒輪箱承受自重(含齒輪油)及三向5g加速度的振動沖擊,箱體兩側(cè)螺栓170~180N·m預緊力矩轉(zhuǎn)換成預緊力約為50kN。計算結果見圖2,齒輪箱的最大應力位于箱體側(cè)面螺座部位,最大應力97.365MPa,其次應力較大處均位于其他安裝螺座部位,這與圖3所示的齒輪箱實際損傷情況是相符的。2.2齒輪箱與機械及抱軸箱的密封特點1)齒輪箱安裝后,主要受力部位為電機側(cè)箱體內(nèi)側(cè)板,該板很薄,僅4mm,加上在側(cè)面螺栓的預緊作用,以及齒輪箱受外界的振動沖擊下,極易造成上、下箱合箱面錯位,箱體變形、開裂。而螺座及各領圈是直接焊在箱壁上的,箱體的塑性變形將直接導致它們的尺寸及位置精度變化,在實際檢修過程中經(jīng)常出現(xiàn)齒輪箱分解后重新合箱后大領圈圓度、同軸度超差現(xiàn)象,齒輪箱不得不報廢處理,造成極大的浪費。2)齒輪箱合箱面寬度4mm,即箱體側(cè)板自身厚度,為了加強密封性,上箱合箱面內(nèi)外焊有擋油板,既可擋油還能使密封膠大量聚集,增強密封效果。但是,結合面太窄,箱體的變形和振動容易引起密封膠的開裂和脫落,長時間運行后合箱面漏油將不可避免。3)上下箱體側(cè)面連接螺栓設計不合理,由于連接面不能貼合,螺栓中間部分懸空,如果不控制連接扭矩,可以使齒輪箱直接壓壞。即便按設計扭矩進行緊固,也將使螺栓受到偏心載荷,這是螺栓連接最忌諱的,極易導致螺栓的疲勞斷裂。同時還會在箱體螺栓連接座根部產(chǎn)生附加彎矩,使箱體出現(xiàn)應力集中和疲勞破壞。4)齒輪箱大頂圈密封結構不合理。領圈與抱軸箱體之間夾5mm厚40mm寬耐油橡膠板,橡膠靜壓縮量1.5mm。由于各領圈間相互孤立,易變形、錯位,而橡膠板在兩者之間無定位、固定設置,易造成橡膠板壓裂和竄出。5)齒輪箱安裝屬過約束。齒輪箱與電機及抱軸箱的有6個懸掛點,兩端安裝螺栓相距較近可分別看作左右兩點,加上上下兩點形成四點定位。因此在下箱體螺座處增加調(diào)整墊設計。由于調(diào)整墊的最小規(guī)格為0.5mm,因此齒輪箱與其安裝表面無法完全調(diào)平,將在齒輪箱局部出現(xiàn)強制拉伸或受壓而存在初始應力。3齒輪箱改進3.1內(nèi)側(cè)板側(cè)板強度調(diào)整根據(jù)箱體受力分析,對原上、下箱的內(nèi)側(cè)板結構進行改進,將原內(nèi)側(cè)板4mm厚鋼板改為6mm厚,并取消在內(nèi)側(cè)板上壓加強筋工藝,既增加了內(nèi)側(cè)板的剛度、強度,又消除了原內(nèi)側(cè)板上殘余壓應力和局部板厚不均勻可能造成側(cè)板開裂的隱患。3.2合箱面式連接取消原有的外擋油板,保留內(nèi)擋油板,將寬度4mm合箱面改為法蘭式連接形式,最小寬度達22mm,改進后的合箱面能有效增加4倍以上的密封面積。同時通過法蘭邊將各領圈間全部串連起來形成齒輪箱的“骨架”,大大增加了齒輪箱抗變形的能力,改善了箱體側(cè)板的受力狀態(tài)。3.3規(guī)范的連接法蘭取消原上、下箱側(cè)板間的連接螺栓及螺栓安裝座,改為在連接法蘭上直接安裝。這樣即可消除側(cè)板上的焊接應力,而且箱體內(nèi)部無附加載荷,螺栓也僅受拉壓的簡單載荷,其受力狀態(tài)的改善能大幅延長螺栓的使用壽命。3.4對調(diào)查結構的改進針對機車在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)抱軸箱處密封橡膠板竄位,而造成該處漏油的現(xiàn)象,對此處的領圈和橡膠板的結構進行了改進(結構對比如圖4所示)。領圈寬度增加6mm,中間增加橡膠板定位槽。橡膠板也相應改進,由方形截面改為T型截面。這樣即使箱體出現(xiàn)晃動或偏斜,橡膠條也不易壓裂或竄出。3.5減振齒輪箱為了解決齒輪箱安裝的過約束,齒輪箱上箱螺座改為尼龍?zhí)捉Y構的柔性連接(見圖5),除了能消除齒輪箱的安裝誤差外還能起到齒輪箱的減振作用,改善齒輪箱的受力狀態(tài)。而且,在齒輪箱安裝前下箱螺座仍可進行加墊調(diào)整以保證車輪側(cè)大領圈與齒輪轂的同軸度,使迷宮間隙均勻,并可減少動密封毛氈的偏磨。4齒輪箱安裝改進改進后的齒輪箱外形如圖6所示。經(jīng)有限元復算,在相同邊界條件下,計算結果如圖7所示,最大應力為36.832MPa,較改進前應力值大大降低。改進后的齒輪箱已在太原機車有限公司和神木機務段SS6B型大修機車上進行批量裝車,取得較好的運用效果。因此,2009年底神朔鐵路在訂購SS4B型機車時,業(yè)主明確要求安裝改進后的齒輪箱。盡管齒輪箱改進已初見成效,但仍需注意以下兩點:1)焊接工藝需進一步改進。在避免薄板焊接焊縫交