地鐵探傷機(jī)車輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)

王 林，羅曉龍

(四川眾能傳動(dòng)科技有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

地鐵探傷機(jī)車主要是用于地鐵線路鋼軌的探傷檢測(cè)，檢測(cè)鋼軌表面及內(nèi)部裂紋情況，排除隱患風(fēng)險(xiǎn)，確保地鐵行車安全。作為地鐵探傷機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部件，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和開發(fā)尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的地鐵探傷機(jī)車通常以柴油機(jī)作為動(dòng)力源，機(jī)車最高運(yùn)行速度為60 km/h，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置體積大、重量重，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置齒輪箱最底面距離鋼軌面較近，有一定的行車安全隱患。四川眾能傳動(dòng)科技有限公司為中車資陽機(jī)車有限公司研發(fā)了一款用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵探傷機(jī)車輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置，具有低碳、環(huán)保、速度快、體積小、重量輕、安全性能高等特點(diǎn)，在地鐵機(jī)車中應(yīng)用前景廣闊，本文對(duì)其研發(fā)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

地鐵探傷車傳統(tǒng)系統(tǒng)如圖1所示。二級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置(二級(jí)箱+輪對(duì))和一級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置(一級(jí)箱+輪對(duì))安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架上。電機(jī)通過輸入傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)二級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置，二級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置通過中間傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置，2種驅(qū)動(dòng)裝置的車軸各自與車輪相連，最終實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞至車輪，驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行。

1—二級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置(二級(jí)箱+輪對(duì))；2—一級(jí)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置(一級(jí)箱+輪對(duì))；3—輸入傳動(dòng)軸；4—中間傳動(dòng)軸；5—車軸；6—軌面。

2 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：軌距：1 435 mm；輪徑：840 mm(新輪)；軸重：14 t；啟動(dòng)牽引力：260 kN；持續(xù)牽引力：162 kN；持續(xù)速度：8 km/h；最高速度：100 km/h；二級(jí)箱傳動(dòng)比：3.38；一級(jí)箱傳動(dòng)比：2.07。

2.2 設(shè)計(jì)要求

1)傳動(dòng)方式：二級(jí)箱為圓柱齒輪傳動(dòng)+螺旋錐齒輪傳動(dòng)，一級(jí)箱為螺旋錐齒輪傳動(dòng)。

2)能適應(yīng)雙向運(yùn)行。

3)潤滑方式：為保證齒輪箱內(nèi)齒輪、軸承在8～100 km/h時(shí)速范圍內(nèi)均能充分潤滑，必須使用飛濺潤滑加強(qiáng)迫潤滑。

4)箱體限界：齒輪箱下箱體最低位置與車軸中心高差不得超過260 mm。

3 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 箱體設(shè)計(jì)

機(jī)車運(yùn)行時(shí)，車軸齒輪箱受到軌道的沖擊和振動(dòng)，對(duì)箱體的強(qiáng)度、韌性都有較高的要求[1]，根據(jù)材料綜合性能和經(jīng)濟(jì)性，選用ZG230-450材料能滿足需求。為降低箱體重量和噪音，箱體局部外觀采用仿圓形設(shè)計(jì)，箱體各軸承支撐座處設(shè)置加強(qiáng)筋，提高其強(qiáng)度和剛度。二級(jí)箱外形圖如圖2所示，一級(jí)箱外形圖如圖3所示。

1—上箱體；2—中箱體；3—下箱體；4—輸入軸組成；5—中間軸組成；6—車軸組成；7—透氣帽；8—注油口；9—可視油標(biāo)；10—放油口；11—拉臂座。

1—上箱體；2—下箱體；3—輸入軸組成；4—車軸組成；5—透氣帽；6—注油口；7—可視油標(biāo)；8—放油口；9—拉臂座。

為驗(yàn)證箱體強(qiáng)度及剛度，須對(duì)其進(jìn)行有限元分析。經(jīng)分析，在最惡劣工況(啟動(dòng))下，二級(jí)箱箱體最大等效應(yīng)力106 MPa，一級(jí)箱箱體最大等效應(yīng)力110 MPa，箱體最大等效應(yīng)力均小于箱體屈服強(qiáng)度230 MPa。箱體強(qiáng)度、剛度滿足最惡劣工況下的使用要求，可認(rèn)為箱體在各種工況下是安全可靠的。

3.2 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸入已給定傳動(dòng)比，二級(jí)箱和一級(jí)箱螺旋錐齒輪傳動(dòng)級(jí)的傳動(dòng)比相同，先對(duì)螺旋錐齒輪對(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)車運(yùn)行過程扭矩很大，對(duì)錐齒輪的強(qiáng)度要求很高，故選擇強(qiáng)度高、壽命長、嚙合平穩(wěn)，且設(shè)計(jì)和工藝均比較成熟的格林森制弧齒錐齒輪，材料選擇淬透性、韌性好的18CrNiMo7-6低碳合金鋼，齒部進(jìn)行碳淬火處理[2]。為提高齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，應(yīng)盡量使用大模數(shù)齒輪，根據(jù)傳動(dòng)比要求，最終確定齒數(shù)比為14/29，齒輪大端端面模數(shù)Mt為16.5 mm。

對(duì)于二級(jí)箱，還需要確定圓柱齒輪的參數(shù)。根據(jù)總傳動(dòng)比3.38，螺旋錐齒輪級(jí)傳動(dòng)比2.07，計(jì)算得圓柱齒輪級(jí)傳動(dòng)比i=3.38÷2.07≈1.63。圓柱齒輪的材料和熱處理方式與螺旋錐齒輪一致。為降低沖擊和噪音，選擇圓柱斜齒輪，最終確定圓柱斜齒輪齒數(shù)比為30/49，法向模數(shù)Mn為9，螺旋角β為16.5°。

關(guān)于齒輪螺旋角方向的確定，由于圓柱斜齒輪和螺旋錐齒輪在嚙合過程中會(huì)產(chǎn)生軸向力，其軸向力的方向跟齒輪旋向有關(guān)。選擇合適的螺旋角方向，使中間軸上圓柱大齒輪(齒數(shù)為49)與螺旋小齒輪(齒數(shù)為14)的軸向力相反，從而抵消一部分軸向力，降低該軸上軸承的軸向載荷，提高軸承的使用壽命。經(jīng)受力分析，最終確定齒輪螺旋角方向?yàn)椋簣A柱小齒輪(右旋)—圓柱大齒輪(左旋)—螺旋小齒輪(左旋)—螺旋大齒輪(右旋)。

齒輪參數(shù)確定后，須對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核。根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，齒輪箱存在啟動(dòng)、持續(xù)、高速3種工況，使用KISSsoft軟件按照IS0 6336-2006《直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算》以及IS0 10300-2001《錐齒輪承載能力計(jì)算方法》分別對(duì)圓柱斜齒輪和螺旋錐齒輪的3種工況進(jìn)行強(qiáng)度校核[3]，校核結(jié)果如表1和表2所示。

表1 圓柱斜齒輪強(qiáng)度校核結(jié)果(安全系數(shù))

表2 螺旋錐齒輪強(qiáng)度校核結(jié)果(安全系數(shù))

由計(jì)算結(jié)果可知：齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度均達(dá)到較高可靠度的安全系數(shù)，齒輪在啟動(dòng)工況下的靜安全系數(shù)大于4，齒輪強(qiáng)度滿足要求。

3.3 軸承布局設(shè)計(jì)

圓柱斜齒輪和螺旋錐齒輪在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生徑向和軸向2種負(fù)載，在軸承布局和選型方面須考慮徑向和軸向2個(gè)方向的承載能力，且便于安裝和調(diào)整。綜合軸承各方面的性能需要，各軸均采用雙圓柱滾子軸承加四點(diǎn)接觸球軸承的布局結(jié)構(gòu)，如圖4所示。2個(gè)NU型圓柱滾子軸承分別置于圓柱齒輪的兩端，僅用于承受徑向力，四點(diǎn)接觸球軸承置于其中一端，僅用于承受軸向力。

1—輸入軸；2—法蘭；3—圓柱滾子軸承；4—圓柱齒輪；5—圓柱滾子軸承；6—四點(diǎn)接觸球軸承；7—悶蓋；8—調(diào)整墊；9—擋油板；10—端蓋；11—油封。

3.4 潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使齒輪箱在低速至高速的運(yùn)行狀態(tài)下都能有良好的潤滑效果，齒輪箱潤滑系統(tǒng)采用了飛濺潤滑加強(qiáng)迫潤滑相結(jié)合的方式，如圖5所示。

1—油壓調(diào)節(jié)裝置；2—下箱體；3—油底殼；4—濾油器；5—齒輪油泵；6—小圓柱齒輪；7—大圓柱齒輪。

飛濺潤滑為大齒輪(圓柱大齒輪和螺旋大錐齒輪)浸入箱體內(nèi)部的油液中，通過旋轉(zhuǎn)攪拌，使油液飛濺至箱壁或各軸承部位。當(dāng)齒輪箱低速運(yùn)行時(shí)，飛濺潤滑無法滿足潤滑需求，故齒輪箱內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向齒輪油泵。齒輪箱運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)油泵工作，潤滑油通過各油道管路完成強(qiáng)迫潤滑。為避免機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)油壓過高，造成齒輪箱漏油或油泵過載損壞，在油路中還設(shè)置有油壓調(diào)節(jié)裝置。齒輪油泵通過油底殼安裝在箱體底面，無需拆箱便可取下，便于后期油泵的保養(yǎng)和維修。

4 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置試驗(yàn)

為驗(yàn)證輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的綜合性能，需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)(見圖6)。經(jīng)正、反轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到熱平衡后的最高溫升不超過40℃，各部位未出現(xiàn)泄漏，未出現(xiàn)明顯異音和振動(dòng)，最高噪音不超過85 dB(A)。

圖6 輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置臺(tái)架試驗(yàn)示意圖

5 應(yīng)用效果總結(jié)

2021年5月，四川眾能傳動(dòng)科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的探傷機(jī)車輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置順利交付貴陽地鐵公司使用，至今使用情況良好，滿足相關(guān)作業(yè)要求。

1)輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)合理，整體運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)車最高速度運(yùn)行時(shí)，噪音為83 dB(A)，滿足地鐵探傷機(jī)車作業(yè)要求。

2)潤滑系統(tǒng)運(yùn)行可靠，機(jī)車長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置整機(jī)溫度維持在55℃(工作環(huán)境溫度20℃)，各位置無漏油現(xiàn)象，密封性良好。

3)該款輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輪對(duì)裝置相比較，重量減少了20%，輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置齒輪箱最底面與鋼軌面距離比傳統(tǒng)機(jī)車提高了50 mm，機(jī)車運(yùn)行安全性大大提高。

4)該款輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的最高速度為100 km/h，傳統(tǒng)機(jī)車最高速度為60 km/h，機(jī)車作業(yè)效率大大提升。

5)該款輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的成功研發(fā)，提升了公司產(chǎn)品的競(jìng)爭力，為公司進(jìn)一步開發(fā)地鐵調(diào)車機(jī)車、鐵路工程機(jī)車等傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。