復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組齒輪箱溫度異常的分析與優(yōu)化

陳 煒 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司設(shè)備監(jiān)造部

動(dòng)車(chē)齒輪箱是動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件，其軸承溫度是考核動(dòng)車(chē)齒輪箱安全運(yùn)行的重要質(zhì)量參數(shù)。溫度超限易引發(fā)動(dòng)車(chē)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量故障，對(duì)動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生重大危害。為了保證動(dòng)車(chē)組安全可靠運(yùn)行，在動(dòng)車(chē)齒輪箱上裝有軸承溫度傳感器，溫度超限會(huì)引發(fā)動(dòng)車(chē)組故障報(bào)警并降速運(yùn)行。

本文就監(jiān)造時(shí)出現(xiàn)的批量性齒輪箱例行試驗(yàn)軸承溫升接近或超上限的原因進(jìn)行分析，優(yōu)化了齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置并進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，齒輪箱軸承溫升高的異常狀況得到了明顯改善，保證了動(dòng)車(chē)齒輪箱裝車(chē)上線(xiàn)后安全可靠運(yùn)行。

1 問(wèn)題提出

表1 9套齒輪箱溫度數(shù)據(jù)

2018年初，對(duì)裝于CR400AF復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組的動(dòng)車(chē)齒輪箱實(shí)施監(jiān)造時(shí)發(fā)現(xiàn)：一段時(shí)間制造方生產(chǎn)的該型號(hào)動(dòng)車(chē)齒輪箱在例行試驗(yàn)中陸續(xù)超過(guò)10套由于溫度超限而判為試驗(yàn)不合格。在2017年12月18日監(jiān)造的一列動(dòng)車(chē)組齒輪箱（16套，試驗(yàn)日期2017.12.14）中隨機(jī)抽取其中9套（編號(hào)：697-706），發(fā)現(xiàn)有8套軸承溫度在110℃以上，最高的一套GW端達(dá)到了119.7℃，初步認(rèn)為以上情況應(yīng)屬于批量性齒輪箱溫度異常。9套齒輪箱例行試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由于CR400AF動(dòng)車(chē)組齒輪箱軸承監(jiān)測(cè)溫度報(bào)警門(mén)檻值為120℃，動(dòng)車(chē)組在正常運(yùn)行時(shí)當(dāng)動(dòng)車(chē)齒輪箱有任意一套軸承溫度傳感器達(dá)到該數(shù)值時(shí)，會(huì)立即觸發(fā)動(dòng)車(chē)組故障報(bào)警并降速運(yùn)行，影響鐵路運(yùn)營(yíng)秩序。

2 原因分析

上述出現(xiàn)的問(wèn)題，有針對(duì)性地對(duì)該批動(dòng)車(chē)齒輪箱的大齒輪組裝記錄、大軸承外圈組裝記錄、大軸承組裝及大軸承游隙調(diào)整記錄、小齒輪周?chē)M裝記錄、附件組裝及小軸承游隙調(diào)整記錄、例行試驗(yàn)記錄等相關(guān)質(zhì)量記錄，齒輪箱組裝過(guò)程中的各過(guò)盈量、大齒輪安裝后端跳動(dòng)、各零部件貼合間隙、螺栓扭矩、軸承游隙等質(zhì)量確認(rèn)項(xiàng)點(diǎn)均按質(zhì)量控制目標(biāo)值進(jìn)行了詳細(xì)確認(rèn)和記錄，各項(xiàng)點(diǎn)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、工藝要求。

裝于CR400AF型復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組的該型號(hào)動(dòng)車(chē)齒輪箱是通過(guò)引進(jìn)消化日本高速動(dòng)車(chē)齒輪箱技術(shù)基礎(chǔ)上自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化動(dòng)車(chē)齒輪箱。該型齒輪箱主要部件有：齒輪箱箱體、齒輪、軸承、軸承座、接地裝置、聯(lián)軸節(jié)、吊桿、油量調(diào)節(jié)裝置以及密封件等其它附件。齒輪箱采用整體式結(jié)構(gòu)，采用一級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng)方式。大齒輪壓裝在車(chē)軸上，大齒輪軸承通過(guò)大齒輪軸承蓋與齒輪箱體和車(chē)軸連接，確保車(chē)軸、大齒輪和齒輪箱體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。小齒輪軸通過(guò)軸承、軸承蓋安裝在齒輪箱體中，小齒輪軸與大齒輪嚙合傳遞動(dòng)力。齒輪箱吊桿與構(gòu)架連接。小齒輪軸伸出端通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)柔性連接，將牽引電機(jī)的動(dòng)力傳遞到車(chē)軸上，帶動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。齒輪箱在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑油對(duì)齒輪箱運(yùn)動(dòng)零部件起到潤(rùn)滑和冷卻作用。

該型號(hào)動(dòng)車(chē)齒輪箱箱體底部油池通過(guò)隔板分為大、小油池兩個(gè)部分，分別位于大齒輪及小齒輪下部。兩油池之間通過(guò)回油孔連接。由于該型號(hào)齒輪箱為350 km/h高速齒輪箱，齒輪箱在高速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)箱體內(nèi)油溫的急劇升高以及對(duì)齒輪箱熱平衡的破壞，給齒輪箱的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，因此在小油池底部安裝有油量調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)大油池的潤(rùn)滑油量以減少攪油損失，降低高速運(yùn)行時(shí)的齒輪箱溫度。油量控制的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 齒輪箱剖視圖

油量調(diào)節(jié)裝置上設(shè)置有溫敏彈簧，當(dāng)齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油溫度不超過(guò)彈簧動(dòng)作溫度（40℃）時(shí)，溫敏彈簧保持縮緊狀態(tài)，小油池潤(rùn)滑油通過(guò)箱體回油孔直接回流至大油池。當(dāng)齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油溫度超過(guò)彈簧動(dòng)作溫度，溫敏彈簧開(kāi)始動(dòng)作，推動(dòng)油量調(diào)節(jié)裝置的橡膠閥與箱體回油孔端面貼合，小油池潤(rùn)滑油通過(guò)閥桿上節(jié)流孔及橡膠閥底部與箱體底板間1 mm的縫隙回流至大油池；達(dá)到減少小油池流至大油池油量的目的。該型號(hào)齒輪箱例行試驗(yàn)最高溫度不超過(guò)120℃。油量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)及動(dòng)作說(shuō)明見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 油量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 油量調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作示意圖

通過(guò)對(duì)該型號(hào)齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理知道，油量調(diào)節(jié)裝置溫敏彈簧動(dòng)作后，如橡膠閥與回油孔貼合后封堵不良，會(huì)造成運(yùn)行時(shí)大小油池之間的實(shí)際回油通路增大，減弱油量調(diào)節(jié)裝置的功能。對(duì)部分成品齒輪箱箱體進(jìn)行橡膠閥與箱體φ30 mm回油孔貼合狀態(tài)檢查，確實(shí)存在不同程度的局部閃縫。通過(guò)上述分析檢查確認(rèn)，部分動(dòng)車(chē)齒輪箱例行溫度表現(xiàn)接近甚至超出上限值的原因?yàn)椋糊X輪箱油量調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作后，橡膠閥與箱體φ30 mm回油孔端面貼合后封堵不良，未完全達(dá)到控制大腔潤(rùn)滑油油量的作用。由于齒輪箱大油腔油量控制未達(dá)到理想狀態(tài)所帶來(lái)的油量增多，油量的增多加大了大油腔從動(dòng)齒輪輪齒的浸油面積，導(dǎo)致從動(dòng)齒輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其攪油所造成的潤(rùn)滑油溫度也隨之增高。潤(rùn)滑油溫度的增高同時(shí)也降低了其冷卻齒輪箱軸承等零部件的冷卻效果。由此造成部分齒輪箱軸承溫度傳感器接近或甚至超出120℃上限。

結(jié)合生產(chǎn)方工藝制造過(guò)程，進(jìn)一步分析：造成橡膠閥與回油孔貼合后封堵不良的原因?yàn)椋?/p>

（1）部分箱體孔口部位存在打磨作業(yè)，孔口形狀不規(guī)則，導(dǎo)致油量調(diào)節(jié)裝置橡膠閥與箱體貼合后封堵不良，兩側(cè)存在閃縫；

（2）部分箱體φ30 mm回油孔孔口部位鑄件質(zhì)量不良，橡膠閥與φ30 mm回油孔孔口貼合后封堵不良，存在閃縫；

（3）劃線(xiàn)定位油量調(diào)節(jié)裝置4個(gè)安裝孔位置時(shí)，未以φ30 mm回油孔中心軸線(xiàn)為參照進(jìn)行對(duì)齊，并調(diào)整安裝孔的相對(duì)位置，造成橡膠閥與回油孔貼合后兩側(cè)存在閃縫。

3 優(yōu)化措施

基于動(dòng)車(chē)齒輪箱軸承溫度變化與油量調(diào)節(jié)裝置功能存在相關(guān)性，對(duì)油量調(diào)節(jié)裝置的功能進(jìn)行化。

3.1 優(yōu)化回油孔鑄造工藝

對(duì)齒輪箱箱體φ30 mm回油孔鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，原樹(shù)脂砂工藝優(yōu)化為覆膜砂工藝。覆膜砂工藝的砂型強(qiáng)度高，表面質(zhì)量及尺寸精度優(yōu)于原樹(shù)脂砂工藝。優(yōu)化前后φ30 mm回油孔孔口鑄件表面質(zhì)量對(duì)比見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前孔口狀態(tài)（脫漆后）

圖5 優(yōu)化后孔口狀態(tài)

3.2 優(yōu)化安裝孔劃線(xiàn)工藝

優(yōu)化油量調(diào)節(jié)裝置4個(gè)安裝孔的劃線(xiàn)工藝：以回油孔中心軸線(xiàn)所處高度位置為基準(zhǔn)在箱體外側(cè)油量調(diào)節(jié)裝置安裝座上劃安裝孔中心線(xiàn)，并確定安裝孔位置。該劃線(xiàn)工藝使安裝孔中心線(xiàn)與回油孔中心軸線(xiàn)處于同一垂直平面內(nèi)。如圖6和圖7。

圖6 劃線(xiàn)示意圖

圖7 箱體中心線(xiàn)

3.3 優(yōu)化貼合狀態(tài)檢驗(yàn)方法

優(yōu)化貼合狀態(tài)檢驗(yàn)方法，要求在頭部涂抹紅油或類(lèi)似品，手動(dòng)使橡膠頭與回油孔貼合后松開(kāi)，檢查回油孔孔口部位的貼合印跡，以更準(zhǔn)確的判斷貼合狀態(tài)。

4 優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證，以2018年7月為界限，對(duì)2018年1月～6月和7月～10月兩個(gè)時(shí)間段的齒輪箱例行試驗(yàn)溫度進(jìn)行比對(duì)，以?xún)?yōu)化措施實(shí)施以來(lái)的效果。重點(diǎn)是跟蹤對(duì)比例行試驗(yàn)GW（大端輪側(cè)）側(cè)溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析情況見(jiàn)表2。

表2 2018年1-6月和7-10月例行試驗(yàn)GW側(cè)溫度對(duì)比分析表

表2中，將例行試驗(yàn)溫度進(jìn)行了區(qū)間劃分，對(duì)比各溫度區(qū)間齒輪箱的比例。數(shù)據(jù)分析如下：

（1）從最直觀(guān)的例行試驗(yàn)GW最高溫度和最低溫度比較，自2018年7月實(shí)施優(yōu)化措施以來(lái)，GW最高溫度未達(dá)到技術(shù)要求的上限值120℃；GW最低溫度為89.8℃，比之前的95.6℃下降了5.8℃。

（2）以110℃為界限分析，自2018年7月實(shí)施優(yōu)化措施以來(lái)，GW最高溫度落于110℃～115℃和115℃～120℃兩個(gè)區(qū)間的比例有明顯下降；表明優(yōu)化措施起到了明顯的效果。

（3）自2018年7月實(shí)施優(yōu)化措施以來(lái)，GW最高溫度落于≤110℃和100℃～105℃兩個(gè)區(qū)間的比例有明顯上升；表明優(yōu)化措施起到了明顯的效果。

（4）GW最高溫度在105℃～110℃區(qū)間的比例，相差3.7%，考慮齒輪箱零件個(gè)體差異及裝配后的個(gè)體差異，應(yīng)屬于正常的波動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

跟蹤驗(yàn)證結(jié)論：自對(duì)該型號(hào)動(dòng)車(chē)齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置的功能優(yōu)化以來(lái)，該型號(hào)齒輪箱的例行試驗(yàn)溫度得到了明顯的改善，動(dòng)車(chē)齒輪箱軸承溫監(jiān)測(cè)溫度報(bào)警機(jī)率得到很大程度的降低。