FXN5C內(nèi)燃機(jī)車齒輪箱結(jié)構(gòu)研究*

□ 劉 晴 □ 魏春陽 □ 張曉峰

中車戚墅堰機(jī)車有限公司 江蘇常州 213011

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鐵路機(jī)車牽引力不斷增大，速度不斷提高,對(duì)機(jī)車齒輪箱性能的要求也越來越高。齒輪箱作為機(jī)車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件,不僅要承受驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞的扭矩及機(jī)車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的沖擊載荷,而且要為牽引齒輪及軸承提供一個(gè)密封性能良好的工作環(huán)境,以滿足潤滑需求?？梢?齒輪箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封性能對(duì)機(jī)車安全運(yùn)行而言至關(guān)重要。

FXN5C內(nèi)燃機(jī)車齒輪箱是全新的承載式鑄鋁齒輪箱。齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，有助于改善箱體應(yīng)力集中的情況。齒輪箱試制完成后對(duì)其密封性能進(jìn)行試驗(yàn),可以有效驗(yàn)證潤滑油的泄漏情況,以便采取相應(yīng)的措施。

2 齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

FXN5C內(nèi)燃機(jī)車齒輪箱由上箱體、下箱體、大領(lǐng)圈、小領(lǐng)圈及附件等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

齒輪箱一端通過螺栓與抱軸箱連接,另一端通過螺栓與牽引電機(jī)連接,由齒輪箱小領(lǐng)圈支撐裝有電機(jī)軸承的牽引電機(jī)端蓋。齒輪箱安裝方式如圖2所示。可見,齒輪箱需要承受牽引齒輪嚙合時(shí)通過電機(jī)軸承傳遞至齒輪箱箱體上的力。

齒輪箱靠近車輪側(cè)大領(lǐng)圈處裝有密封圈,與從動(dòng)齒輪形成動(dòng)密封,其它大領(lǐng)圈和小領(lǐng)圈分別與抱軸箱及牽引電機(jī)端蓋形成靜密封,從而為牽引齒輪及電機(jī)軸承提供密封的工作環(huán)境。

▲圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)▲圖2 齒輪箱安裝方式

設(shè)計(jì)中，筆者加大了齒輪箱下箱體底部,增大了齒輪箱底部的空間,從而增加了儲(chǔ)油量。齒輪箱上箱體設(shè)置集油槽和進(jìn)油孔,保證牽引齒輪在齒輪箱內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飛濺的潤滑油既可以為牽引齒輪提供潤滑，又可以為電機(jī)輸出端軸承提供潤滑[1-2]。

3 強(qiáng)度分析

3.1 受力分析

為提高齒輪箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在箱體頂部、側(cè)面及各領(lǐng)圈處均設(shè)置了加強(qiáng)筋,這樣不僅可以提高齒輪箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,還可以減小箱體的變形,從而保證齒輪箱的密封性能。

機(jī)車運(yùn)行時(shí)，牽引齒輪嚙合產(chǎn)生的相互反作用力隨機(jī)車運(yùn)行工況的變化而產(chǎn)生大幅變化,并且通過軸承傳遞至齒輪箱體上。牽引齒輪嚙合參數(shù)見表1。

表1 牽引齒輪嚙合參數(shù)

根據(jù)牽引齒輪嚙合參數(shù)，可以得到不同工況下牽引電機(jī)的輸出扭矩,由此計(jì)算出主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪之間的作用力,并可以分解為徑向力和切向力[3-4]。

機(jī)車運(yùn)行過程中,軌道的沖擊、振動(dòng)，以及線路的不平順會(huì)引起作用力，通過軸承及牽引齒輪傳遞至齒輪箱體上。

3.2 計(jì)算模型

將齒輪箱及電機(jī)簡化為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并選取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，其有限元模型如圖3所示。

▲圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限元模型

3.3 載荷工況

根據(jù)TJ/JW 064—2015《交流傳動(dòng)機(jī)車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術(shù)條件》，齒輪箱體在超常載荷工況下的慣性沖擊及短路扭矩載荷見表2,齒輪箱體在常用載荷工況下的慣性沖擊及持續(xù)扭矩載荷見表3。

3.4 靜強(qiáng)度分析

根據(jù)表2中的超常載荷工況在ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行計(jì)算,得出齒輪箱體靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，見表4。齒輪箱體超常載荷工況1和工況16應(yīng)力云圖分別如圖4、圖5所示。

表2 齒輪箱體超常載荷工況

表3 齒輪箱體常用載荷工況

表4 齒輪箱體超常載荷工況1靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由表4可知,齒輪箱體在超常載荷工況下的應(yīng)力均小于材料的抗拉強(qiáng)度(270 MPa),因此,齒輪箱靜強(qiáng)度滿足要求。

3.5 疲勞強(qiáng)度分析

根據(jù)表3中的常用載荷工況在ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行計(jì)算,由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。選取齒輪箱整個(gè)表面的全部節(jié)點(diǎn),將每個(gè)節(jié)點(diǎn)在16種常用載荷工況下的應(yīng)力矩陣分量導(dǎo)入MATLAB軟件,將每個(gè)節(jié)點(diǎn)在16種常用載荷工況下的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力描點(diǎn)至TJ/JW 064—2015標(biāo)準(zhǔn)中齒輪箱體應(yīng)力允許區(qū)域,結(jié)果如圖6所示。可以看出,齒輪箱體在常用載荷工況下的所有表面應(yīng)力均在應(yīng)力允許區(qū)域內(nèi),因此,齒輪箱疲勞強(qiáng)度滿足要求。

▲圖4 齒輪箱體超常載荷工況1應(yīng)力云圖▲圖5 齒輪箱體超常載荷工況16應(yīng)力云圖

▲圖6 齒輪箱體常用載荷工況應(yīng)力描點(diǎn)

4 密封性能分析

4.1 密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

齒輪箱密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成潤滑油泄漏,潤滑油減少會(huì)引起齒輪及軸承潤滑不良,從而縮短齒輪和軸承的使用壽命。潤滑油的持續(xù)泄漏還會(huì)引起原材料浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此,需要對(duì)齒輪箱密封結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行充分研究。

FXN5C內(nèi)燃機(jī)車齒輪箱的大小領(lǐng)圈處均設(shè)有密封結(jié)構(gòu),如圖7所示。齒輪箱與牽引電機(jī)及抱軸箱配合處沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),屬于靜密封,可使用O形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)。齒輪箱與從動(dòng)齒輪配合處有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，屬于動(dòng)密封,可使用迷宮密封結(jié)構(gòu)[5-7]。

▲圖7 齒輪箱密封結(jié)構(gòu)

迷宮密封采用階梯式密封結(jié)構(gòu),并且由軸向密封及徑向密封組合作用。當(dāng)潤滑油通過軸向密封的間隙時(shí)，由于通流面積突然變小形成阻力,潤滑油流量隨之減小,之后潤滑油突然進(jìn)入一個(gè)較大的空腔,流速急劇下降,一部分潤滑油流回齒輪箱內(nèi),另一部分繼續(xù)流向軸向密封間隙和空腔,最后有少量潤滑油流向徑向密封。在徑向密封的高速旋轉(zhuǎn)甩動(dòng)下,潤滑油被甩回軸向密封空腔,進(jìn)而流回到齒輪箱內(nèi)[8-9]。

4.2 密封性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證齒輪箱密封結(jié)構(gòu)的合理性，以及進(jìn)油、回油油路的通暢性,輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組裝完成后需要進(jìn)行跑合試驗(yàn)[10]。在第六位輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跑合試驗(yàn)時(shí)，迷宮密封結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。跑合試驗(yàn)正反轉(zhuǎn)結(jié)束后，地面上已有明顯積油現(xiàn)象。

第六位輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跑合試驗(yàn)之前,前五位輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均已完成跑合試驗(yàn),并且未出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。因此,初步判斷引起密封結(jié)構(gòu)滲油的原因可能包括:① 齒輪箱潤滑油加入量過多,導(dǎo)致滲油;② 迷宮密封齒槽尺寸超差,密封失效,導(dǎo)致滲油;③ 齒輪箱迷宮密封處有異物,致使?jié)櫥突赜筒粫?導(dǎo)致滲油。

對(duì)跑合試驗(yàn)滲油的第六位輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆解。拆解前觀察油位在上下刻線之間,證明加油量正常。拆解后對(duì)密封圈及密封槽等結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行了測(cè)量,尺寸均正常,無超差現(xiàn)象。拆解后發(fā)現(xiàn)迷宮密封結(jié)構(gòu)齒槽充滿密封膠，如圖8所示。

由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知,從動(dòng)齒輪及密封圈齒槽處充滿密封膠。由此判斷由于組裝時(shí)密封膠過多產(chǎn)生溢出，堵住了迷宮密封結(jié)構(gòu),導(dǎo)致回油不暢，引起滲油。對(duì)此,在組裝時(shí)需規(guī)定涂膠量不得超出卡槽深度的1/3,以避免密封膠溢出至迷宮密封結(jié)構(gòu)處。

▲圖8 齒槽處密封膠

對(duì)重新組裝后的輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)再次進(jìn)行跑合試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后未出現(xiàn)滲油現(xiàn)象,如圖9所示。試驗(yàn)中軸承溫度、溫升均正常,說明齒輪箱結(jié)構(gòu)的密封性能良好,齒輪及軸承的潤滑良好。

▲圖9 重新組裝后跑合試驗(yàn)狀態(tài)

5 結(jié)束語

通過研究表明，F(xiàn)XN5C內(nèi)燃機(jī)車齒輪箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及密封性能良好,齒輪箱試制完成后各項(xiàng)試驗(yàn)均滿足要求。

通過對(duì)齒輪箱受力分析及仿真計(jì)算，研究了齒輪箱的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度,解決了齒輪箱應(yīng)力集中的問題,為齒輪箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析提供了參考。

跑合試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度、溫升均正常,說明齒輪箱外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,為牽引齒輪及軸承提供了充分的潤滑。

通過試驗(yàn)證明了齒輪箱采用迷宮密封,所取得的密封性能良好,為牽引齒輪及軸承提供了密封良好的工作環(huán)境。