地鐵車輛齒輪箱設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳宇向， 陳國(guó)勝， 姜宇飛， 潘喻， 劉世博

（1.株洲九方裝備股份有限公司，湖南 株洲412001；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲412001）

0 引言

國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)正處于高速發(fā)展期，特別是城市軌道交通呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，城市軌道交通已成為都市化的一張名片，為城市交通提供極強(qiáng)的旅客輸送能力，為人民生活帶來(lái)極大的便利性，從而拉動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。

齒輪箱作為車輛轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，用于傳遞載荷，將牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)一定傳動(dòng)比傳遞到輪對(duì)，為車輛提供前進(jìn)的動(dòng)力，對(duì)車輛運(yùn)行安全和可靠性有著至關(guān)重要的影響。齒輪箱安裝于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上，每個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架裝有2個(gè)齒輪箱，齒輪箱在轉(zhuǎn)向架上呈斜對(duì)稱布置。

本文根據(jù)地鐵車輛特性和應(yīng)用環(huán)境，對(duì)齒輪箱總體結(jié)構(gòu)、軸承配置、齒輪設(shè)計(jì)、密封結(jié)構(gòu)、油路及潤(rùn)滑系統(tǒng)、強(qiáng)度校核等齒輪箱設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，開(kāi)發(fā)出適用于地鐵車輛的齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1 齒輪箱主要技術(shù)參數(shù)

齒輪箱設(shè)計(jì)需要滿足車輛的要求，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 總體結(jié)構(gòu)

地鐵齒輪箱一般采用一級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪箱輸出端通過(guò)2個(gè)圓錐滾子軸承套裝在車軸上，小齒輪端設(shè)置吊掛安裝座，并通過(guò)吊桿彈性懸掛于構(gòu)架上，小齒輪軸通過(guò)軸承安裝在齒輪箱輸入端，與大齒輪形成齒輪副。

齒輪箱體作為軸承、齒輪、環(huán)類密封件等部件的安裝主體，并提供一個(gè)密閉環(huán)境，防止外界污物浸入，齒輪箱內(nèi)部可儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，用以保證齒輪和軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。箱體內(nèi)腔為仿渦輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利于潤(rùn)滑油的循環(huán)，并有效減小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)阻和攪油損失，箱體材料采用球墨鑄鐵，具有良好的鑄造性能，同時(shí)具備較高的力學(xué)強(qiáng)度和抗沖擊性能及高抗扭剛度，保證齒輪和軸承處于最佳位置狀態(tài)，利于齒輪箱平穩(wěn)運(yùn)行。為便于安裝和維護(hù)，箱體采用上下剖分式分箱結(jié)構(gòu)。齒輪箱上設(shè)置有放油孔、注油孔、齒輪觀察孔、油位指示器、防脫落裝置等，齒輪箱總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 齒輪箱總體結(jié)構(gòu)

3 軸承配置

軸承為旋轉(zhuǎn)部件提供支撐，保證齒輪處于良好的嚙合狀態(tài)，是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，軸承的正確安裝和合適的游隙是保證齒輪箱可靠性的關(guān)鍵因素。

主動(dòng)齒輪端軸承布置采用圓柱滾子軸承+四點(diǎn)接觸球軸承的形式，圓柱滾子軸承可承受徑向力，四點(diǎn)接觸球軸承可承受軸向力。從動(dòng)齒輪端軸承布置采用圓錐滾子軸承對(duì)置式，通過(guò)軸承襯套安裝在齒輪箱上，安裝時(shí)需調(diào)整游隙，使軸承處于最佳位置狀態(tài)。

根據(jù)車輛運(yùn)行工況，考慮線路沖擊，對(duì)軸承載荷進(jìn)行分析，按ISO 281-2007《滾動(dòng)軸承 動(dòng)載荷定額和額定壽命》計(jì)算軸承壽命，軸承設(shè)計(jì)壽命不小于200 萬(wàn)km，計(jì)算結(jié)果表明承載能力滿足車輛運(yùn)行載荷要求，如表2所示。

表2 軸承壽命計(jì)算結(jié)果

4 齒輪設(shè)計(jì)

主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪嚙合形成齒輪副，經(jīng)一定傳動(dòng)比將牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞到輪對(duì)，起著減速增力的作用。齒輪主要失效形式有齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合、塑性變形、齒根斷裂等[1]。地鐵車輛具有頻繁啟動(dòng)-制動(dòng)的特點(diǎn)，并且牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高，對(duì)齒輪強(qiáng)度提出了較高要求。結(jié)合當(dāng)前軌道交通齒輪箱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和齒輪制造工藝水平，齒輪材料采用高強(qiáng)度合金鋼18CrNiMo7-6，符合EN10084《表面硬化鋼交貨技術(shù)條件》要求，該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，齒面經(jīng)滲碳淬火處理，硬度可達(dá)60 HRC。齒輪中心距為355 mm，傳動(dòng)比為6.68，齒形為螺旋漸開(kāi)線齒形，齒輪精度滿足GB/T 10095中6級(jí)精度要求。對(duì)齒輪齒向修鼓形，齒頂修緣，使齒輪接觸斑處于最佳區(qū)域[2]，保證齒輪良好的嚙合平穩(wěn)性和低噪聲，提高齒輪可靠性。

按GB/T 3480《漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》，校核齒輪承載能力，要求齒輪接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)SH＞1.2，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度SF＞1.6，齒面接觸靜強(qiáng)度SH＞1，齒根彎曲靜強(qiáng)度SF＞1，校核結(jié)果如表3所示。

表3 齒輪強(qiáng)度校核結(jié)果

5 密封結(jié)構(gòu)

齒輪箱密封可分為靜密封和動(dòng)密封，接觸部件配合部分采用靜密封，旋轉(zhuǎn)部件之間采用動(dòng)密封，齒輪箱在應(yīng)用過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象[3]。

1）靜密封。齒輪箱上、下箱體合箱面使用平面密封膠，由于合箱面加工時(shí)對(duì)平面度要求高，密封膠需涂抹較薄一層，并涂抹均勻；軸承襯套、迷宮蓋、齒輪箱體之間結(jié)合部位采用O形密封圈密封，O形密封圈及溝槽尺寸根據(jù)GB/T 3452進(jìn)行設(shè)計(jì)，安裝時(shí)O形密封圈周向應(yīng)有一定拉伸量、截面應(yīng)有一定壓縮量，以保證密封效果。

2）動(dòng)密封。小齒輪軸和車軸為旋轉(zhuǎn)件，因此與齒輪箱之間的密封采用動(dòng)密封，由于地鐵齒輪箱維護(hù)周期長(zhǎng)，對(duì)可靠性要求高，動(dòng)密封采用非接觸式迷宮密封，內(nèi)側(cè)擋油環(huán)將密封空間分成2個(gè)油腔，迷宮槽交錯(cuò)咬合，增加了密封性能。潤(rùn)滑油進(jìn)入第一道油腔，在第一動(dòng)密封作用下，大部分油通過(guò)軸承滾子或第一回油通道回到齒輪箱底部油池進(jìn)行循環(huán)，小部分油可能通過(guò)第一道密封進(jìn)入第二油腔，第二油腔設(shè)計(jì)有足夠的空間容納進(jìn)入的潤(rùn)滑油，并將之導(dǎo)向第二回油通道。如果潤(rùn)滑油外泄，需要經(jīng)過(guò)曲折狹小的迷宮間隙，附著在迷宮環(huán)的潤(rùn)滑油在離心力作用下被甩向齒輪箱內(nèi)，因此在第二動(dòng)密封雙向密封作用下，保證了齒輪箱密封效果。為阻止外界污物浸入齒輪箱，在密封外側(cè)設(shè)計(jì)了導(dǎo)水槽，可收集雨水和污物，并將其從底部的出水孔排出。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，迷宮密封密封性能好、可靠性高、無(wú)磨耗，大修周期內(nèi)不需要維護(hù)。

6 油路及潤(rùn)滑系統(tǒng)

如圖2所示，齒輪采用油浴潤(rùn)滑，齒輪箱底部?jī)?chǔ)存有適量的潤(rùn)滑油，大齒輪輪齒浸入到油面之下，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶著潤(rùn)滑油在齒輪箱內(nèi)循環(huán)，齒輪可得到充分潤(rùn)滑。

如圖3所示，軸承采用飛濺潤(rùn)滑，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油附著在齒輪上，由于離心力的作用飛濺到齒輪箱體內(nèi)壁，箱體上設(shè)置有油槽，可收集潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油再通過(guò)進(jìn)油孔進(jìn)入軸承室，為軸承提供潤(rùn)滑。為加強(qiáng)集油效果，在油槽上方設(shè)置了擋油筋板，使軸承在任何工況下都能得到良好潤(rùn)滑。

圖3 軸承潤(rùn)滑

7 齒輪箱強(qiáng)度校核

建立齒輪箱三維模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)齒輪箱靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。為降低計(jì)算量并保證劃分網(wǎng)格質(zhì)量，在不影響計(jì)算準(zhǔn)確性的情況下，略去了模型非主要受力部位的小孔、倒圓和倒角等特征。吊桿橡膠關(guān)節(jié)視為各向同性彈性材料，泊松比取0.47，剛度80 kN/mm，根據(jù)其剛度和有限元模型，可計(jì)算出橡膠關(guān)節(jié)彈性模量為93 MPa。

根據(jù)齒輪箱實(shí)際運(yùn)行時(shí)受力分析，對(duì)齒輪箱大齒輪軸承座施加支撐約束，對(duì)吊桿上部的芯軸施加固定約束；齒輪箱吊掛座、吊桿、芯軸、橡膠關(guān)節(jié)之間接觸部位建立接觸對(duì)。對(duì)齒輪箱小齒輪軸承座施加軸承載荷，對(duì)車輪側(cè)端面施加軸向載荷，同時(shí)考慮重力和線路沖擊載荷。

在持續(xù)工況下，考慮垂向沖擊±25g， 橫 向 沖擊±5g， 縱 向 沖擊±5g，對(duì)齒輪箱疲勞應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

疲勞強(qiáng)度根據(jù)Smith圖形式的Goodman曲線進(jìn)行評(píng)估[4]，確定齒輪箱每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同受力工況下的第一主應(yīng)力δ1和第三主應(yīng)力δ3，并求出δ1最大值和δ3最小值。繪制Smith圖形式的Goodman曲線，安全系數(shù)取1.5，如圖5所示，結(jié)果表明，各部件應(yīng)力點(diǎn)均位于封閉折線內(nèi)，滿足材料疲勞強(qiáng)度要求。

圖4 齒輪箱應(yīng)力圖

在極限工況下校核材料靜強(qiáng)度，牽引電動(dòng)機(jī)短路轉(zhuǎn)矩，考慮垂 向 沖 擊±70g，橫 向 沖 擊±10g，縱 向 沖 擊±10g，齒輪箱材料屈服極限240 MPa，靜強(qiáng)度安全系數(shù)取1，齒輪箱許用應(yīng)力為240 MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，齒輪箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊掛部位，最大應(yīng)力為156.7 MPa，小于許用應(yīng)力，齒輪箱靜強(qiáng)度滿足要求。

圖5 齒輪箱Smith-Goodman曲線圖

8 試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證齒輪箱的安全性，上線應(yīng)用前需驗(yàn)證齒輪箱性能，分別對(duì)齒輪箱進(jìn)行了研究性試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的齒輪箱運(yùn)行平穩(wěn)、潤(rùn)滑良好，密封無(wú)漏油現(xiàn)象，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足TB/T 3134標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

1）研究性試驗(yàn)。在極限工況下驗(yàn)證齒輪箱性能，試驗(yàn)工況：在正常油位（3.5 L）、超高油位（4.6 L）、超低油位（2.5 L），超高油位和超低油位為非正常油位，正反轉(zhuǎn)各持續(xù)運(yùn)行8 h，試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為7000 r/min。在超高油位，轉(zhuǎn)速加到7000 r/min時(shí)，齒輪箱溫度偏高，試驗(yàn)過(guò)程中齒輪箱無(wú)漏油現(xiàn)象,齒輪箱解體檢查，軸承、齒輪、箱體等狀態(tài)良好，無(wú)異常，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

2）型式試驗(yàn)。按TB/T 3134標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求進(jìn)行型式試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)包括：跑合試驗(yàn)、油量試驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)、加載試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、傳動(dòng)效率試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、-40 ℃低溫試驗(yàn)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)、防水試驗(yàn)等。試驗(yàn)過(guò)程中齒輪箱最高溫度為81.1 ℃、最大振動(dòng)值為4.8 mm/s，均在規(guī)定范圍內(nèi)，齒輪箱無(wú)漏油現(xiàn)象，油樣化驗(yàn)水含量為0。齒輪箱解體檢查，軸承、齒輪、箱體等狀態(tài)良好，無(wú)異常。

表4 研究性試驗(yàn)結(jié)果

9 結(jié)語(yǔ)

地鐵車輛齒輪箱對(duì)可靠性、安全性要求較高，本文對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)、軸承配置、密封、潤(rùn)滑系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，型式試驗(yàn)滿足TB/T 3134標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，齒輪箱整體性能表現(xiàn)良好，滿足高可靠性、安全性要求。