地鐵電傳動(dòng)打磨車車軸齒輪箱的研制

楊俊杰 胡高華 陳麗麗

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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地鐵電傳動(dòng)打磨車車軸齒輪箱的研制

楊俊杰 胡高華 陳麗麗

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

介紹了地鐵電傳動(dòng)打磨車車軸齒輪箱的技術(shù)參數(shù)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)，并闡述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)情況。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)和裝車考核情況驗(yàn)證，齒輪箱密封可靠、散熱良好、運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足整車各工況使用要求。關(guān)鍵詞：地鐵；電傳動(dòng)打磨車；齒輪箱；臺(tái)架試驗(yàn)

地鐵打磨車是城市軌道交通維護(hù)的重要技術(shù)裝備，已越來(lái)越多地應(yīng)用于城市地鐵軌道的維護(hù)作業(yè)中，對(duì)地鐵線路的軌面定期進(jìn)行打磨維護(hù)、缺陷修復(fù)等，確保軌道技術(shù)狀態(tài)良好及地鐵車輛運(yùn)行的安全可靠[1]?，F(xiàn)有地鐵打磨車均以液壓傳動(dòng)為主，中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司自主研發(fā)的地鐵打磨車是國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用電傳動(dòng)的地鐵打磨車，具有低碳、環(huán)保、可實(shí)現(xiàn)低恒速控制等特點(diǎn)，在城軌地鐵市場(chǎng)中應(yīng)用前景廣闊。車軸齒輪箱是該打磨車的核心部件之一，該車高速走行、低速作業(yè)均由它牽引驅(qū)動(dòng)。因此，研制出匹配地鐵電傳動(dòng)打磨車整車要求的車軸齒輪箱具有重要意義。

1 車軸齒輪箱的主要技術(shù)參數(shù)及要求

地鐵電傳動(dòng)打磨車車軸齒輪箱主要技術(shù)參數(shù)及要求：(1)適用于1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，輪徑?840 mm，軸徑?130 mm；(2)工作環(huán)境溫度-25℃～45℃；(3)靜態(tài)軸重14 t；(4)打磨作業(yè)速度：3～16 km/h；(5)額度功率105 kW，短路扭矩3 000 N·m；(6)主動(dòng)端輸入最高轉(zhuǎn)速為3 526 r/min；滿足最高運(yùn)行90 km/h速度要求，適用于雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 車軸齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

牽引電機(jī)采用架懸方式，固定于轉(zhuǎn)向架的橫梁上(見(jiàn)圖1)，電機(jī)與齒輪箱之間通過(guò)撓性浮動(dòng)齒式聯(lián)軸節(jié)相連接[2]，齒輪箱在電機(jī)與輪對(duì)之間起著傳遞電機(jī)輸出扭矩、降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)輪對(duì)使整車運(yùn)動(dòng)的作用。

車軸齒輪箱由一級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng)組成，齒輪箱采用垂直吊裝的結(jié)構(gòu)，輸出端通過(guò)2個(gè)軸承支承固定在車軸上，輸入端通過(guò)相應(yīng)吊掛裝置緊固連接在轉(zhuǎn)向架橫梁上。吊掛裝置由具有緩沖減振作用的橡膠球關(guān)節(jié)和吊桿體組成，并設(shè)計(jì)有調(diào)整墊片以調(diào)整輸入軸高度。吊掛下端與上箱體的對(duì)應(yīng)吊桿座連接，上端與轉(zhuǎn)向架吊掛安裝座連接，即可將齒輪箱安裝緊固在所需要的高度位置。

車軸齒輪箱主要由箱體、牽引齒輪、車軸、潤(rùn)滑和密封系統(tǒng)、軸承等零部件構(gòu)成，這些零部件的性能決定了齒輪箱的整體性能[3]。

1—軸箱軸承；2—車輪；3—電機(jī)；4—車軸；5—聯(lián)軸節(jié)；6—齒輪箱；7—吊掛。圖1 車軸齒輪箱輪對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 車軸齒輪箱的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 箱體設(shè)計(jì)

箱體采用上下剖分式設(shè)計(jì)，剖分面通過(guò)車軸中心線與水平面成30°夾角。箱體外觀采用仿圓形設(shè)計(jì)，降低噪聲輻射，利于齒輪濺油潤(rùn)滑。箱體兩側(cè)設(shè)置加強(qiáng)筋，增加散熱效果，提高其強(qiáng)度和剛度[4]。為了滿足齒輪箱運(yùn)行作業(yè)的安全要求，在箱體的前端設(shè)計(jì)有防脫孔，能夠防止吊桿斷裂時(shí)齒輪箱掉落在軌道上。另外，箱體還設(shè)有觀察窗、可視油標(biāo)、潤(rùn)滑油注入和排放孔、透氣帽接口、吊桿座及上下標(biāo)記位置等結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

通過(guò)計(jì)算有限元強(qiáng)度、剛度可知，在最惡劣工況(電機(jī)短路)條件下，箱體最大等效應(yīng)力為127.3 MPa，小于箱體材料屈服極限310 MPa；最大等效位移為0.022 mm，箱體變形較小，不會(huì)顯著影響軸承壽命，箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足最惡劣工況要求，因此，也就滿足箱體各工況的安全使用要求。

1—上標(biāo)記；2—觀察窗；3—銘牌；4—注油孔；5—下標(biāo)記；6—可視油標(biāo)；7—放油孔；8—大軸承座；9—吊掛座；10—防脫孔；11—小軸承座；12—透氣帽孔；13—加強(qiáng)筋。圖2 箱體外形結(jié)構(gòu)圖

3.2 牽引齒輪的設(shè)計(jì)

由于牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，而列車打磨作業(yè)速度較低，因此齒輪箱的傳動(dòng)比較大，約為6.7。為了滿足地鐵車輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限界要求，齒輪的模數(shù)要盡量小；同時(shí)，齒輪箱需要承受來(lái)自軌道啟動(dòng)、制動(dòng)的沖擊、振動(dòng)，除了需保證足夠的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度外，還應(yīng)確保齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)、嚙合噪聲小。因此，選用20CrNiMo合金鋼作為主、從動(dòng)齒輪材料，對(duì)輪齒部位進(jìn)行滲碳淬火處理。另外，對(duì)輪齒進(jìn)行修形，以提高輪齒的嚙合性能。齒輪的主要技術(shù)參數(shù)為：法向模數(shù)Mn=5.5，齒數(shù)比Z1/Z2為16/77，壓力角αn和螺旋角β分別為20°和15°，齒寬b為96 mm，齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)分別為1.0和0.25。

根據(jù)整車啟動(dòng)、額定、電機(jī)短路3種工況，按照GB/T 3480—1997《漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》進(jìn)行強(qiáng)度校核。校核結(jié)果：這3種工況下主、從動(dòng)齒輪的接觸安全系數(shù)SH依次為：1.59/1.65、1.85/1.97、1.31/1.31；彎曲安全系數(shù)SF依次為：2.76/2.83、3.23/3.31、2.18/2.25。

由此可知，在各工況下的接觸安全系數(shù)均大于較高可靠度的安全系數(shù)1.25，彎曲安全系數(shù)均大于較高可靠度的安全系數(shù)1.6，因此，輪齒的疲勞強(qiáng)度滿足整車各工況要求。

3.3 車軸的設(shè)計(jì)

車軸承受載荷工況復(fù)雜，要求較高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)需要滿足構(gòu)架的空間要求，綜合考慮車軸材料采用LZ50鋼，軸頸?130 mm，輪座?185 mm，光軸軸身?165 mm，軸承座?212 mm。車軸加工完后經(jīng)過(guò)滾壓處理，獲得更好的強(qiáng)度和表面質(zhì)量。

為了驗(yàn)證車軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足整車各工況要求，根據(jù)EN 13104—2009《鐵路應(yīng)用輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法》和GB/T 2395—2008《鐵道機(jī)車車輛動(dòng)力車軸設(shè)計(jì)方法》對(duì)車軸的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。車軸強(qiáng)度分析的危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在截面彎矩最大、截面尺寸較小、截面突然(或應(yīng)力集中)和過(guò)盈配合等區(qū)域[4]，確定的危險(xiǎn)計(jì)算截面如圖3所示。

圖3 車軸危險(xiǎn)截面位置示意圖

根據(jù)上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到各載荷聯(lián)合作用下截面疲勞應(yīng)力分析結(jié)果，如表1所示(列出部分截面應(yīng)力結(jié)果，未列出的安全裕度[σ]/σ均大于2)。車軸各危險(xiǎn)截面最小安全裕度為1.52，因此，該車軸疲勞強(qiáng)度滿足整車設(shè)計(jì)要求。

表1 車軸各危險(xiǎn)截面疲勞應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.4 潤(rùn)滑及密封的設(shè)計(jì)

整車走行時(shí)最高速度為90 km/h，輸出車軸端旋轉(zhuǎn)密封處的節(jié)線速度達(dá)到22 m/s，因此齒輪箱中齒輪和軸承采用飛濺潤(rùn)滑。由于低速作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，為保證軸承充分潤(rùn)滑，在箱體壁面設(shè)有集油槽、導(dǎo)油孔，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)濺起的油液通過(guò)集油槽和導(dǎo)油孔流入軸承內(nèi)部，使軸承得到足夠潤(rùn)滑。同時(shí)，軸承座下部設(shè)有回油孔，油液可從回油孔流回箱體，從而實(shí)現(xiàn)齒輪油的循環(huán)流道潤(rùn)滑。回油孔的高度略高于軸承，可以儲(chǔ)存部分油液，確保低速作業(yè)時(shí)軸承不會(huì)出現(xiàn)干磨現(xiàn)象。

為了有效防止泄漏，齒輪箱采用接觸式密封和非接觸式密封結(jié)合的方式，各軸承座與箱體等接觸面采用O形橡膠圈和密封膠進(jìn)行密封，箱體分型面處也采用密封膠密封[3]。而對(duì)于箱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)貫通部位，采用非接觸式雙面迷宮密封，既減少摩擦功率損耗，又能有效避免沙塵、雨水進(jìn)入密封圈內(nèi)部[2]。

3.5 軸承的選用

牽引齒輪為斜齒輪，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生徑向和軸向載荷，主動(dòng)齒輪軸和輸出車軸兩端軸承均需要采用能同時(shí)承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承進(jìn)行支撐。另外，主動(dòng)齒輪軸兩側(cè)的小軸承應(yīng)具有較高的極限轉(zhuǎn)速，從動(dòng)齒輪兩側(cè)的大軸承需要承受來(lái)自鋼軌的沖擊和振動(dòng)，再綜合考慮安裝、調(diào)整方便的要求，主動(dòng)齒輪軸兩端選用軸承型號(hào)為 31316J1/QCL7CS1，輸出端兩側(cè)選用軸承型號(hào)為T2DC 220/213/VE679。為了便于拆卸軸承和調(diào)整軸向游隙，2種軸承均采用面對(duì)面的安裝方式，軸向游隙通過(guò)軸承座與箱體側(cè)面間的系列化調(diào)整墊片來(lái)調(diào)整[3]。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證齒輪箱的綜合性能，根據(jù)整車運(yùn)行工況，對(duì)齒輪箱進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)(見(jiàn)圖4)，試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)論正、反轉(zhuǎn)，高速時(shí)齒輪箱各部位熱平衡后的最高溫度均小于92 ℃，低速時(shí)最高溫度均小于36 ℃；試驗(yàn)過(guò)程中，潤(rùn)滑密封良好，也未出現(xiàn)異響和振動(dòng)。

圖4 齒輪箱試驗(yàn)過(guò)程示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和裝車考核情況可知：(1)采用集油槽、導(dǎo)油孔和高位回油孔等結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，使各工況下軸承潤(rùn)滑效果良好；(2)車軸貫通部位及主動(dòng)齒輪軸貫通部位無(wú)漏油現(xiàn)象，密封可靠；(3)車軸齒輪箱整體運(yùn)行平穩(wěn)，滿足地鐵電傳動(dòng)打磨車整車使用要求；(4)對(duì)類似工況下的齒輪箱研制具有借鑒和參考意義。

[1] 顧友華.地鐵軌道打磨車動(dòng)力及牽引系統(tǒng)的可靠性保證[J].都市快軌交通，2009(5):81-83.

[2] 胡高華，陳亞?wèn)|，張志強(qiáng).160 km/h快速軌道車走行齒輪箱的研制[J].機(jī)車車輛工藝，2012(3):28-30.

[3] 關(guān)云輝，林新海，吳國(guó)慶.上海軌道交通1號(hào)線“增擴(kuò)編”車輛用齒輪箱的研制[J].城市軌道交通研究，2012(9):105-107.

[4] 邱彥杰，陳亞?wèn)|，許濤濤.DWL-48型連續(xù)走行搗固穩(wěn)定車泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱的研制[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2016(4):10-11.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)06-0025-03

U216.65

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2016-03-10

楊俊杰(1985- )，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及走行齒輪箱產(chǎn)品研發(fā)工作。