牽引電動(dòng)機(jī)齒輪箱裂漏分析及改進(jìn)

牽引電動(dòng)機(jī)齒輪箱裂漏分析及改進(jìn)

1牽引電動(dòng)機(jī)車(chē)自配置和使用df8bj車(chē)輛以來(lái)，h組一直在承擔(dān)120公里的貨物列車(chē)誘導(dǎo)任務(wù)。它是由資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司與株洲電力機(jī)車(chē)研究所、西南交通大學(xué)機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所、戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所等單位聯(lián)合研制的牽引5000t貨列、最大運(yùn)營(yíng)速度120km/h的干線(xiàn)交流傳動(dòng)貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車(chē)。2002年10月至2004年5月20多萬(wàn)公里的運(yùn)用考核情況表明,該機(jī)車(chē)“既能滿(mǎn)足隴海線(xiàn)5000t級(jí)貨運(yùn)重載牽引的需要,又能滿(mǎn)足120km/h快捷牽引的需要”。運(yùn)用過(guò)程中也反映出了一些問(wèn)題,牽引電動(dòng)機(jī)齒輪箱大面積裂漏就是其中之一。機(jī)車(chē)考核運(yùn)用30多萬(wàn)公里返廠后,轉(zhuǎn)向架的拆檢情況表明牽引電動(dòng)機(jī)齒輪箱裂漏非常嚴(yán)重。該齒輪箱不僅要對(duì)主從動(dòng)齒輪進(jìn)行密封潤(rùn)滑,還必須向牽引電動(dòng)機(jī)輸出軸軸承提供潤(rùn)滑油。一旦漏油嚴(yán)重,而且沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)充,將導(dǎo)致主從動(dòng)齒輪和電動(dòng)機(jī)輸出軸軸承的潤(rùn)滑不良,造成嚴(yán)重后果。2齒輪箱結(jié)構(gòu)及問(wèn)題2.1密封件的連接和動(dòng)密封設(shè)計(jì)原齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。箱體采用5mm厚的Q235-A鋼板組焊而成,底板包住側(cè)板,外側(cè)邊緣焊接,是“底包側(cè)”結(jié)構(gòu),側(cè)板無(wú)壓筋。上下箱體兩端外側(cè)各焊接了兩個(gè)合箱座,上下箱體側(cè)板上焊接了8個(gè)合箱座,這些合箱座用于上下箱體的合箱。電動(dòng)機(jī)側(cè)焊接了3個(gè)圓形連接座,與最右側(cè)的連接座一起將齒輪箱固定在電動(dòng)機(jī)和滾動(dòng)抱軸箱上。內(nèi)側(cè)兩處卡箍用于與電動(dòng)機(jī)端蓋和滾動(dòng)抱軸箱的靜密封。下箱體內(nèi)部設(shè)置了擋油板,保證了主動(dòng)齒輪的潤(rùn)滑。上箱體內(nèi)部設(shè)置了集油器,為電動(dòng)機(jī)輸出軸軸承提供潤(rùn)滑油。車(chē)輪側(cè)的密封環(huán)采用迷宮式動(dòng)密封結(jié)構(gòu),其上設(shè)置有回油系統(tǒng)。從運(yùn)用情況來(lái)看,該動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很成功的。箱體左下角設(shè)置了油尺結(jié)構(gòu),以檢測(cè)油位高低。上下箱體采用喇叭口形結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝定位。在箱體頂端設(shè)置有兩個(gè)通氣器。2.2連接座的補(bǔ)焊與補(bǔ)焊機(jī)車(chē)返廠后,多個(gè)齒輪箱電動(dòng)機(jī)側(cè)下箱體外表面布滿(mǎn)油污。電動(dòng)機(jī)側(cè)下側(cè)板與滾動(dòng)抱軸箱相連接的連接座和與電動(dòng)機(jī)相連接的連接座沿圓周方向出現(xiàn)不同程度裂漏,對(duì)兩連接座均進(jìn)行了補(bǔ)焊并在圓周方向加焊筋板?？ü肯掳雸A周也出現(xiàn)裂漏并進(jìn)行了補(bǔ)焊。上下箱體側(cè)板上8個(gè)合箱座均在垂向補(bǔ)焊了加強(qiáng)筋板,對(duì)合箱座本身也進(jìn)行了補(bǔ)焊。表1列出了現(xiàn)場(chǎng)拆檢觀測(cè)及運(yùn)用中反饋回來(lái)的問(wèn)題以及運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)采取的補(bǔ)救措施,各問(wèn)題出現(xiàn)位置如圖1所示。3螺栓座的垂向連接該型機(jī)車(chē)起動(dòng)牽引力為560kN(25t軸重),牽引齒輪傳動(dòng)比為79/14。因此,其齒輪箱外形尺寸大,達(dá)到1267mm×873mm×220mm,重量達(dá)149.2kg。在運(yùn)用過(guò)程中,機(jī)車(chē)主要擔(dān)當(dāng)快速貨運(yùn)任務(wù),長(zhǎng)期以90km/h左右速度運(yùn)行,箱體振動(dòng)加速度大。由圖1可以看出,整個(gè)齒輪箱的重量由電動(dòng)機(jī)側(cè)的5個(gè)M30螺栓座承擔(dān)。受力分析表明,箱體受力較大處為連接箱體與電動(dòng)機(jī)、滾動(dòng)抱軸箱的中間和左側(cè)的3個(gè)螺栓座,右端兩連接座受力次之。左中側(cè)的3個(gè)螺栓座均為4mm的角焊縫圓周焊接,其焊接強(qiáng)度不夠,焊縫單位長(zhǎng)度承受的載荷大。在較大垂向交變載荷的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用下,3個(gè)螺栓座根部均發(fā)生了裂紋(圖1中b、g處)。用于連接上下齒輪箱的合箱螺栓和螺栓座受到了更大的垂向載荷作用。螺栓在較弱的螺栓頭與螺栓體連接處的退刀槽部分出現(xiàn)裂紋,并被拉斷脫落(圖1中a處),合箱座四周出現(xiàn)焊縫裂紋(圖1中d處)。由于下箱受力比上箱更大,在卡箍與內(nèi)側(cè)板連接部周邊有4個(gè)最大受力點(diǎn)(2個(gè)連接座,2個(gè)合箱座),所以卡箍周邊焊縫出現(xiàn)裂紋(圖1中e處),內(nèi)側(cè)d處所示合箱座和g處所示連接座之間的內(nèi)側(cè)板出現(xiàn)1條300mm左右的裂紋(圖1中f處)。圖1中c處的油尺桿是一?10mm的鋼條焊接在螺栓頭上,組裝后成一長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)。在垂向交變載荷的作用下,油尺桿根部受剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用,最終造成疲勞斷裂。整個(gè)齒輪箱結(jié)構(gòu)上的缺陷是導(dǎo)致大面積裂漏的根本原因,主要有以下不足:(1)關(guān)鍵連接座焊縫強(qiáng)度不夠,連接座根部應(yīng)力集中。各連接座合箱座焊接強(qiáng)度不夠,與側(cè)板連接區(qū)域過(guò)小,造成了應(yīng)力集中,如圖1中b處連接座只有?100mm的圓形墊板與側(cè)板焊接相連。內(nèi)側(cè)卡箍周?chē)?個(gè)受力極大的座子布置比較集中,從而造成應(yīng)力集中。(2)整個(gè)箱體垂向連接剛度不大。齒輪箱兩端焊在箱壁上的合箱座對(duì)整個(gè)齒輪箱的垂向剛度作用不大,對(duì)齒輪箱垂向載荷的分擔(dān)不夠,造成內(nèi)外側(cè)板上8個(gè)長(zhǎng)螺栓連接的合箱座受力過(guò)大。(3)分箱面連接穩(wěn)定性差。分箱面接觸面積太小,垂向連接不穩(wěn)定,易使螺栓垂向振動(dòng)加大。(4)油尺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,使其一直受剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用。4合箱座的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的技術(shù)特點(diǎn)針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題,對(duì)該齒輪箱從焊接結(jié)構(gòu)方式、金屬材料、受力分布、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、連接穩(wěn)定性等幾個(gè)方面進(jìn)行了全面改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的齒輪箱如圖2所示。各具體項(xiàng)點(diǎn)和改進(jìn)措施如下。(1)增加材質(zhì)強(qiáng)度,防止因本身強(qiáng)度問(wèn)題出現(xiàn)裂紋?？紤]到該機(jī)車(chē)齒輪箱箱體大,重量大,各連接座、側(cè)板受力也大,所以對(duì)主要受力部件采用了屈服極限和抗拉強(qiáng)度都比Q235-A高的Q345C,從而提高齒輪箱本身的剛度和強(qiáng)度。(2)增加各連接座根部焊接強(qiáng)度,改善受力情況,增大受力范圍,防止應(yīng)力集中。對(duì)于內(nèi)側(cè)板上的3處連接座,采用了加大墊板、增加3處徑向筋板、改變焊縫結(jié)構(gòu)等措施。改進(jìn)后單位焊縫長(zhǎng)度上承受的載荷為原結(jié)構(gòu)的1/5。(3)改變上下箱側(cè)板合箱座結(jié)構(gòu)方式,增加整個(gè)箱體連接剛度,防止合箱座根部承受較大彎曲應(yīng)力以及連接螺栓的斷裂。把合箱座設(shè)在箱箍上,只需要M16×100的螺栓即可,提高了連接剛度和連接穩(wěn)定性。原結(jié)構(gòu)最短的螺栓都在250mm以上,最長(zhǎng)連接螺栓達(dá)355mm,合箱座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠,螺栓連接不穩(wěn)定。內(nèi)側(cè)兩個(gè)卡箍之間由于受空間結(jié)構(gòu)限制,所以依然保留原合箱座結(jié)構(gòu)。(4)改變分箱面結(jié)構(gòu),增加接觸面積,增大連接穩(wěn)定性,防止?jié)B漏。原分箱面上箱箱箍成喇叭口形,合箱時(shí)卡在下箱側(cè)板上,在它們之間涂上密封膠,進(jìn)行密封。該結(jié)構(gòu)上下箱接觸面寬度最大只有5mm(側(cè)板寬度),上下箱體定位不良,連接剛度不大,連接穩(wěn)定性差,易出現(xiàn)滲漏。改進(jìn)后的箱箍采用鍵槽式定位,上下箱體接觸面寬度保證了12mm,定位可靠,連接穩(wěn)定。在箱箍上設(shè)有3道密封,且設(shè)置有回油孔,即使有油進(jìn)入分箱面,也會(huì)經(jīng)回油孔流回箱體,不會(huì)滲出。(5)改變下箱內(nèi)側(cè)板卡箍處受力集中狀態(tài),防止應(yīng)力過(guò)于集中。把左側(cè)連接座的底板與卡箍、箱箍連成一個(gè)整體,將原合箱座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在箱箍上,如圖2所示。改變了卡箍周邊的受力分布,應(yīng)力過(guò)度集中問(wèn)題得到解決。(6)改變兩端合箱座結(jié)構(gòu)方式,增加整體剛度。把箱體兩端的合箱座與側(cè)板設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu),從而增加整個(gè)箱體的剛度。右端(圖1中h處)合箱座不僅要連接上下箱體,而且要把整個(gè)箱體與電動(dòng)機(jī)連接起來(lái)。將該座改成與左右側(cè)板、底板焊接在一起的箱形結(jié)構(gòu),并把該座設(shè)計(jì)成整體式,增強(qiáng)了整個(gè)箱體的剛度和連接座的強(qiáng)度。這種設(shè)計(jì)使得齒輪箱重量在5個(gè)連接座上得到較好的均布,減輕了左中側(cè)3個(gè)連接座的受力情況。圖3是兩種合箱座的結(jié)構(gòu)對(duì)比。(7)改變油尺結(jié)構(gòu),防止其斷裂并進(jìn)入箱體。把油尺斜向安裝改為垂直安裝,并設(shè)計(jì)成彈性結(jié)構(gòu)。保證了油尺桿根部不再受垂向彎剪應(yīng)力作用,緩解垂向振動(dòng),防止裂斷。箱體底板進(jìn)油孔設(shè)計(jì)成上大下小,防止油尺桿斷裂后進(jìn)入箱體,保證觀測(cè)油位的準(zhǔn)確性。(8)改變齒輪箱和電動(dòng)機(jī)間隙調(diào)節(jié)方式,防止松動(dòng)。原結(jié)構(gòu)采用墊圈來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)安裝孔與齒輪箱連接螺栓座之間的間隙。一是調(diào)整不方便,每調(diào)整一次就要重新把螺栓再安裝一遍;二是多層墊圈使齒輪箱在運(yùn)行到一定里程后容易產(chǎn)生松動(dòng),這使得齒輪箱裂漏問(wèn)題無(wú)法從根本上得到解決。采用可調(diào)試安裝座結(jié)構(gòu)后,安裝方便、簡(jiǎn)單,定位準(zhǔn)確、可靠,從根本上保證了在劇烈振動(dòng)下不松動(dòng)。(9)改變焊縫結(jié)構(gòu),增加焊縫強(qiáng)度。整個(gè)齒輪箱所有連接座焊接結(jié)構(gòu)均采用坡口焊縫加角焊縫方式,增大焊縫與母材的接觸面積,從而增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度。5付款時(shí)齒輪箱裂漏問(wèn)題在國(guó)內(nèi)是個(gè)慣性問(wèn)題,幾乎所有制造工廠都存在。通過(guò)分析和改進(jìn)該齒輪箱,筆者認(rèn)為在今后齒輪箱設(shè)計(jì)中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)。(1)連接座受力設(shè)計(jì)增大連接座與側(cè)板的連接范圍,增加徑向筋板。使得連接座受力由墊板和多處徑向筋板共同承擔(dān),而不再集中在連接座根部墊板四周。把右側(cè)連接座設(shè)計(jì)成與箱體前后側(cè)板相連的箱形結(jié)構(gòu),均布垂向載荷。(2)增加整個(gè)身體的垂向剛度把兩端合箱座與側(cè)板設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu),以增加上下箱體在垂直方向上的剛度。(3)回油結(jié)構(gòu)回油增大分箱面接觸面積,建議采用鍵槽式回油結(jié)構(gòu)。