城軌車輛驅(qū)動(dòng)齒輪箱技術(shù)和典型故障研究

城軌車輛驅(qū)動(dòng)齒輪箱技術(shù)和典型故障研究摘要：傳動(dòng)齒輪箱是城軌車輛動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上的關(guān)鍵零部件，它通過大、小齒輪間嚙合，將牽引電機(jī)牽引力傳遞給車軸，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。本文針對(duì)齒輪箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、箱體形式、軸承選型、潤(rùn)滑密封和性能要求等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)展開介紹，對(duì)現(xiàn)存齒輪箱典型故障進(jìn)行提升規(guī)避和新技術(shù)應(yīng)用前瞻性討論，為城軌齒輪箱設(shè)計(jì)應(yīng)用提供必要參考，推動(dòng)本系統(tǒng)國產(chǎn)化提升和升級(jí)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；驅(qū)動(dòng)齒輪箱；設(shè)計(jì)技術(shù)；故障提升；前瞻研究

1城軌車輛驅(qū)動(dòng)齒輪箱概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，地鐵作為現(xiàn)代都市生活中重要的交通工具，已經(jīng)成為各個(gè)城市節(jié)約能源、減少污染、緩解交通的主要選擇，目前我國城軌車輛車型主要有Ａ型、Ｂ型和Ｃ型，主要采用動(dòng)力分散形式，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。大部分地鐵車輛通過驅(qū)動(dòng)齒輪箱來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞，齒輪箱通過懸掛裝置安裝在轉(zhuǎn)向架上，齒輪箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、箱體形式、軸承選擇、潤(rùn)滑密封結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)不僅要考慮齒輪箱的需要，同時(shí)還要滿足轉(zhuǎn)向架空間、電機(jī)特性和車軸尺寸的要求。

驅(qū)動(dòng)齒輪箱即一套齒輪減速系統(tǒng)，包括齒輪箱箱體、齒輪、軸承、密封件、齒輪箱與構(gòu)架連接裝置（吊桿、C形支架等）、接地裝置及相關(guān)附件組成。

1.1技術(shù)基本要求

①齒輪箱動(dòng)密封應(yīng)采用雙向密封的密封結(jié)構(gòu)，所有密封處在正常試驗(yàn)或使用過程中不應(yīng)有潤(rùn)滑油油滴及流掛的泄漏現(xiàn)象。

②齒輪箱應(yīng)設(shè)有注油和潤(rùn)滑油排出的注/排油孔，注/排油孔處應(yīng)加裝有永久磁性螺堵，齒輪箱應(yīng)設(shè)置防脫落安全結(jié)構(gòu)。

③齒輪箱與構(gòu)架連接宜采用彈性節(jié)點(diǎn)，應(yīng)設(shè)有油量和內(nèi)部齒輪狀態(tài)觀察裝置。

④齒輪箱主動(dòng)齒輪與聯(lián)軸節(jié)的連接宜采用錐度過盈連接方式，電機(jī)軸和主動(dòng)齒輪軸連接錐面宜采用相同的設(shè)計(jì)。

⑤齒輪箱可根據(jù)需求預(yù)留溫度、振動(dòng)等傳感器的安裝接口以及接地裝置的安裝接口。

⑥齒輪箱結(jié)構(gòu)應(yīng)采用輕量化設(shè)計(jì)，允差不應(yīng)大于±3%。

1.2性能要求

①齒輪箱應(yīng)滿足列車最高設(shè)計(jì)速度要求，齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油的損耗量不應(yīng)超過0.5L/15萬公里。

②正常使用條件下，

③齒輪箱軸承與潤(rùn)滑油允許的最高溫度，各部位最高允許溫度不超過120℃。

④齒輪箱噪聲可以采用聲壓級(jí)或聲功率級(jí)進(jìn)行評(píng)定，其噪聲聲壓級(jí)不應(yīng)大于90dB（A）。齒輪箱振動(dòng)應(yīng)符合GB/T6075.1—1999中IV類C級(jí)要求。

⑤齒輪箱達(dá)到額定功率時(shí)，單級(jí)測(cè)試傳動(dòng)效率η≥98％；兩級(jí)驅(qū)傳動(dòng)效率η≥97%。

⑥齒輪箱箱體及吊桿體關(guān)鍵部位的應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服極限。

2城軌車輛驅(qū)動(dòng)齒輪箱關(guān)鍵技術(shù)研究

２.1驅(qū)動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和箱體形式

目前國內(nèi)城軌齒輪箱常用傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有一級(jí)和二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，箱體常用結(jié)構(gòu)有斜剖分箱式結(jié)構(gòu)和整體式結(jié)構(gòu)，整體式箱體結(jié)構(gòu)又有箱蓋在上部和箱蓋在側(cè)面兩種常見結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1齒輪箱箱體形式和典型故障圖片

一級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高，可以有效降低維護(hù)成本，占用空間小、重量輕，減小轉(zhuǎn)向架簧下重量。二級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但可以有效地提高齒輪箱承載能力，中心距和速比變化范圍大，可以更好適應(yīng)地鐵車輛提速和承載能力需求。

分箱式齒輪箱結(jié)構(gòu)便于拆裝和維護(hù)，從使用性和維護(hù)性考慮地鐵齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)選擇斜剖分式更為合適。整體式結(jié)構(gòu)加工性好，容易保證形位公差，但拆裝麻煩，必須將輸出齒輪與車軸分解后才能將齒輪箱拆開，特別是箱蓋在側(cè)面的結(jié)構(gòu)，對(duì)箱蓋安裝的密封性要求高，易發(fā)生漏油故障，宜避免該結(jié)構(gòu)。

2.2齒輪、軸承選擇、滑潤(rùn)與密封

大/小齒輪材料宜選用滲碳合金鋼，常用牌號(hào)有20CrMnMo、18CrNiMo7-6等，輪形應(yīng)采用漸開線圓柱齒輪，齒輪精度應(yīng)不低于GB/T10095.1/2—2008中的6級(jí)要求。齒輪接觸承載能力計(jì)算應(yīng)符合ISO6336-2的要求，瞬時(shí)超載齒輪承載能力按ISO6336-2/3中推薦值進(jìn)行計(jì)算。

軸承設(shè)計(jì)主要選用圓錐滾子軸承，有單支撐和雙側(cè)支持兩種方式，軸承選用有面對(duì)面布置，兩個(gè)圓柱滾子軸承加一個(gè)四點(diǎn)角接觸軸承、圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承加四點(diǎn)角接觸軸承等形式。軸承應(yīng)按照ISO281和ISO/TS16281進(jìn)行壽命計(jì)算和修正，修正后的計(jì)算壽命應(yīng)不小于240萬公里。

潤(rùn)滑和密封可靠性要求較高，主要采用飛濺潤(rùn)滑方式，大齒輪浸入油池中，齒輪旋轉(zhuǎn)將潤(rùn)滑油帶到嚙合齒面上，通過在箱體內(nèi)壁中合適位置增加擋油板和集油槽，使油脂流入軸承對(duì)其潤(rùn)滑。密封采用非接觸式機(jī)械迷宮、橡膠圈及紙墊等密封方式，同時(shí)增設(shè)正壓通氣裝置。潤(rùn)滑油選用時(shí)應(yīng)考慮潤(rùn)滑油的使用溫度、極壓性能、抗乳化、抗老化、通脹比等性能，換油周期不應(yīng)小于1年。

2.3現(xiàn)存產(chǎn)品典型故障研究與提升

1.排油堵底板裂紋：下箱體裂紋位于排油口附近，裂紋長(zhǎng)約25mm，裂紋已穿透整個(gè)壁厚，屬于一次脆性開裂，裂源位于第一牙螺紋處。該斷口基本呈解理斷裂，與鑄造工藝不當(dāng)導(dǎo)致組織存在較多的碳化物所致。

2.齒輪箱滲油：不同齒輪箱滲油點(diǎn)不一，分箱式主要存在于各分箱面，整體式主要發(fā)生于迷宮裝置和緊固件處，主要通過提高裝配工藝和滲油點(diǎn)監(jiān)控方式解決。

3.齒輪箱油質(zhì)變色：主要有綠色、黑色和白色幾種，多發(fā)生于換裝潤(rùn)滑油的初期，需定期對(duì)油堵磁堵和內(nèi)部各部件狀態(tài)檢查。

3新技術(shù)方案發(fā)展趨勢(shì)前瞻

1.箱體整體設(shè)計(jì)采用小型化、輕量化方式，材料選擇高強(qiáng)度鋁合金，兼具輕、小和優(yōu)良散熱性能。

2.城軌車輛“下一代地鐵的”研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化齒輪箱產(chǎn)品將成為趨勢(shì)，牽引系統(tǒng)和永磁電機(jī)的成熟應(yīng)用，“直驅(qū)時(shí)代”即將到來。

3.城軌車輛信息化，齒輪箱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮配置和預(yù)留智能化設(shè)備及接口。

4.新材料、新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，齒輪箱關(guān)鍵部件強(qiáng)度、壽命和可靠性將得到長(zhǎng)足優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]《地鐵車輛用驅(qū)動(dòng)齒輪箱技術(shù)規(guī)范》