高速動車組齒輪箱系統(tǒng)持續(xù)高溫下的可靠性研究

許東日,王澤飛,戴曉超,吳成攀，高揚(yáng)

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062，2.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213001)

列車提速運(yùn)營是社會發(fā)展的必然趨勢，隨著列車運(yùn)營速度的提升，齒輪箱系統(tǒng)的溫度也隨之升高.齒輪箱系統(tǒng)作為高速動車組安全運(yùn)用的重要傳動部件，持續(xù)高溫情況下，其熱穩(wěn)定性和可靠性將直接影響列車的正常運(yùn)營.因此，高速動車組的齒輪箱溫度控制在設(shè)計(jì)中受到高度關(guān)注[1-6].目前高速動車組齒輪箱軸承溫度既有監(jiān)控邏輯為：軸承溫度大于等于125 ℃時(shí)預(yù)警，車組限速200 km/h運(yùn)行；軸承溫度大于等于140 ℃時(shí)報(bào)警，車組限速40 km/h運(yùn)行.

本文對于高速動車組齒輪箱溫度場進(jìn)行了計(jì)算分析，進(jìn)而對高溫且散熱效率慢的零部件進(jìn)行熱穩(wěn)定性和可靠性的研究分析，從而對齒輪箱系統(tǒng)所能承受的最高溫度進(jìn)行評估，并通過臺架試驗(yàn)對研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)簡介

某高速動車組齒輪箱通過兩個(gè)齒輪實(shí)現(xiàn)一級減速，輸入軸承采用“圓柱軸承(3號軸承)+圓柱軸承(4號軸承)+球軸承(5號軸承)”的方式排列，輸出軸兩端各采用一個(gè)圓錐滾子軸承(1、2號軸承).齒輪箱及內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布如圖1所示.

圖1 齒輪箱及內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布

2 齒輪箱溫度場計(jì)算分析

齒輪箱在動力傳遞過程中產(chǎn)生的熱主要來自各種摩擦副的功率損失，分別是軸承高速重載旋轉(zhuǎn)過程摩擦發(fā)熱、大齒輪攪油發(fā)熱及齒輪嚙合過程的滑動和滾動摩擦發(fā)熱.

通過計(jì)算得出將各種類型熱源發(fā)熱功率的計(jì)算值作為箱體熱平衡仿真計(jì)算的初始值.

2.1 發(fā)熱功率計(jì)算

2.1.1 軸承發(fā)熱功率計(jì)算

主從齒輪之間的圓周力Ft、徑向力Fr、軸向力Fα計(jì)算公式如下：

⑴

軸承摩擦產(chǎn)生的損失在軸承內(nèi)部幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)而使軸承溫度上升，軸承單位時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量可用下式計(jì)算：

Q=1.05×10-4Mn

(2)

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量；M為摩擦力矩；n為軸承轉(zhuǎn)速.

其中關(guān)于軸承摩擦力矩的計(jì)算公式為：

M=μFd/2

(3)

2.1.2 大齒輪攪油發(fā)熱計(jì)算

攪油發(fā)熱計(jì)算公式：

Q=347.5bhv1.5

(4)

式中：b為大齒輪寬度；v為大齒輪節(jié)圓線速度；h為齒輪浸油高度.

2.1.3 齒輪嚙合的滑動及滾動摩擦功率損失計(jì)算

齒輪嚙合處摩擦功率的損失主要是由于齒輪在嚙合時(shí)，嚙合點(diǎn)處相互接觸的齒面運(yùn)行速度不同，齒面間相對滑動造成的一種損失，計(jì)算齒輪滑動及滾動摩擦的功率損失.

齒輪滑動摩擦損失計(jì)算公式如下：

Ps=μFnVs×10-3

(5)

式中：μ為摩擦系數(shù)(0.045)；Vs為嚙合處平均滑移速度；Fn為齒面法向載荷.

齒面法向載荷計(jì)算公式如下：

Fn=T1/(r1cosαcosβ)

(6)

式中：T1為主動齒輪輸入轉(zhuǎn)矩；r1為主動齒輪副分度圓半徑；α為壓力角；β為齒輪基圓螺旋角.

齒輪平均滑動、滾動速度計(jì)算公式為：

(7)

(9)

式中:gs為嚙合線長度；Z1、Z2為主動輪、從動輪數(shù)量；ra1、ra2為主、 從動齒輪齒頂圓半徑；rb1、rb2為主、從動齒輪基圓徑.

齒輪滾動摩擦損失計(jì)算公式如下：

(10)

式中：b為齒寬；h為平均油膜厚度；ε為重合度；Vr為平均滾動速度；β為螺旋角.

平均油膜厚度計(jì)算公式：

(11)

接觸線長度：

(12)

橫向接觸線長度：

Zt=Zcosβ

(13)

平均滾動速度：

(14)

(15)

曲率半徑：

(16)

式中：D為分度圓直徑；T為轉(zhuǎn)矩；α為壓力角；β為齒輪基圓螺旋角；P為齒輪基圓螺旋角；μ為潤滑劑絕對黏度；

齒輪嚙合的總功率損失為：

Ps+Pr

(17)

2.2 齒輪箱溫度場分析

按照350 km/h速度等級對齒輪箱進(jìn)行溫度場分析，其中注油量為5.5 L(齒輪箱中油位)，風(fēng)速為5 m/s(根據(jù)實(shí)際工況評估)，溫度場計(jì)算工況見表1.

表1 計(jì)算工況匯總表

根據(jù)表1中的工況計(jì)算齒輪箱的發(fā)熱功率，結(jié)果見表2.

表2 各工況下齒輪箱關(guān)鍵部位的發(fā)熱功率 kW

對齒輪箱進(jìn)行溫度場分析，2個(gè)工況的分析結(jié)果趨勢基本一致，現(xiàn)列舉工況1齒輪箱關(guān)鍵零部件溫度場分布云圖如圖2所示.

(a)箱體 (b)箱體

(c)齒輪 (d)軸承圖2 齒輪箱關(guān)鍵部件溫度場分布云圖

3個(gè)工況下齒輪箱各關(guān)鍵部位最高溫度如表3.

表3 齒輪箱各關(guān)鍵部位的最高溫度 ℃

分析結(jié)果顯示：在同等速度級別下的齒輪箱系統(tǒng)中，齒輪和軸承的散熱相對較慢，且兩者的熱穩(wěn)定溫度相對較高.

3 持續(xù)高溫對齒輪箱零部件的可靠性分析

根據(jù)齒輪箱溫度場計(jì)算和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)可以表明，齒輪副和軸承作為齒輪傳動系統(tǒng)的主要發(fā)熱源且熱穩(wěn)定溫度較高，潤滑油作為主要冷卻源，三者是溫升變化的直接承載對象，因此在齒輪箱持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，對三者進(jìn)行可靠性分析.

3.1 持續(xù)高溫對齒輪的影響

3.1.1 對齒輪材料和熱處理的影響

根據(jù)材料性能要求，高速動車組齒輪箱齒輪一般由低碳合金鋼制成，熱處理工藝采用滲碳淬火，需經(jīng)過正火(不低于900 ℃)+高溫回火(不低于600 ℃)→滲碳(不低于900 ℃)、高溫回火(不低于600 ℃)→淬火(不低于700 ℃)、回火(不低于200 ℃)等熱處理過程.

根據(jù)齒輪箱熱處理工藝可以得出，200 ℃以下的持續(xù)高溫對齒輪材料和熱處理均無影響.

3.1.2 對齒輪漸開線齒形的影響

溫度對齒輪的熱變形主要是對齒輪的輪齒齒向產(chǎn)生影響，原因?yàn)楫?dāng)齒輪節(jié)圓線速度超過100 m/s時(shí)，齒輪嚙入端和嚙出端存在較大的溫度差，但對于節(jié)圓線速度小于100 m/s的齒輪，其齒向溫度差異很小，可忽略不計(jì).另外高速動車組齒輪箱齒輪在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)對其齒廓和齒向進(jìn)行精確修形處理，能夠進(jìn)一步避免溫度對齒輪齒形精度的影響.

3.1.3 對齒輪嚙合側(cè)隙的影響

齒輪間的嚙合側(cè)隙隨著溫度升高而減小，但高速動車組齒輪箱齒輪設(shè)計(jì)齒側(cè)間隙較大，目的是避免出現(xiàn)齒輪“咬死”現(xiàn)象.高速動車組齒輪箱在設(shè)計(jì)齒輪副時(shí)，均考慮了制造組裝誤差的影響，通過設(shè)計(jì)保證齒輪副組裝后側(cè)隙不小于0.1 mm.

高速動車組齒輪箱的中心距一般為382 mm，齒輪箱溫度從20 ℃(常溫)升高到最高溫度X℃，溫度差值為(X-20) ℃，鋼質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)約為1.2×10-6/℃，綜合以上，計(jì)算齒輪副最大允許熱膨脹量為：

382×1.2×10-6×(X-20)=0.1

計(jì)算得出，在最高溫度達(dá)到X=238 ℃時(shí)，齒輪才會出現(xiàn)“咬死”現(xiàn)象.

3.1.4 對齒輪膠合強(qiáng)度的影響

潤滑油粘度隨著溫度的升高而下降，不利于齒輪表面形成油膜，因此隨著溫度的升高齒輪的膠合強(qiáng)度會逐漸降低.高速動車組齒輪箱齒輪副精度等級為ISO 5級，根據(jù)ISO 6336-2006 b方法對齒面抗膠合承載能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4.

表4 膠合承載能力計(jì)算

在高速工況下齒面的膠合溫度為363.22 ℃，膠合安全系數(shù)大于2.5(GB/T 6413推薦高可靠度要求下最小安全系數(shù)為2～2.5)，不影響齒輪性能.

3.2 持續(xù)高溫對齒輪箱軸承的影響

高速動車組齒輪箱輸入端和輸出端軸承均采用適用于高速動車組運(yùn)用的鐵路特制軸承，其滾子、滾道經(jīng)過特殊修形及特殊熱穩(wěn)定處理，保證軸承在高溫下的尺寸穩(wěn)定性和熱處理硬度.根據(jù)高速動車組齒輪箱用軸承設(shè)計(jì)要求，齒輪箱軸承熱穩(wěn)定溫度均滿足大于等于150 ℃，在此溫度下保持長時(shí)間工作時(shí)，不會因軸承尺寸變化而產(chǎn)生對軸承性能不利的影響.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO281(滾動軸承的動力荷載值和額定壽命)及動車組齒輪箱相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，在滿足軸承使用壽命240萬km的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論計(jì)算可得：在時(shí)速350 km工況下，軸承所需潤滑油最小粘度為6.0 mm2/s,齒輪箱所選用的潤滑油在140 ℃的最低粘度為7.39 mm2/s，滿足軸承潤滑要求.

高速動車組齒輪箱用軸承安裝游隙均經(jīng)過精確計(jì)算，考慮了齒輪箱運(yùn)行過程中溫升造成的游隙損失，確保軸承運(yùn)行游隙保持在合理范圍內(nèi).

3.3 持續(xù)高溫對潤滑油的影響[7-10]

高速動車組齒輪箱用潤滑油的粘度等級為75W-90，該產(chǎn)品具有優(yōu)異的粘溫特性，其正常工作溫度范圍為-40～150 ℃.

3.3.1 溫度對潤滑油特性參數(shù)的影響

在高速動車組齒輪箱潤滑油的各項(xiàng)特性參數(shù)中，粘度和密度是隨溫度變化的主要指標(biāo).測量潤滑油在不同溫度下的粘度和密度，結(jié)果見表5.

表5 不同溫度下潤滑油的粘度和密度

結(jié)果顯示：潤滑油粘度隨溫度升高而下降，在130 ℃時(shí)運(yùn)動粘度為8.694 mm2/s,滿足齒輪及軸承在高可靠度的條件下所需潤滑油最低粘度要求(最低粘度要求：8.09 mm2/s)，潤滑油密度變化不明顯.

3.3.2 溫度對潤滑油使用壽命的影響

根據(jù)現(xiàn)行潤滑油更換標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)潤滑油粘度變化大于30%以上時(shí)，需對齒輪箱內(nèi)潤滑油進(jìn)行更換，對齒輪箱所選用的潤滑油(牌號：RW-B 75W-90)進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，其粘度變化及變化率情況如表6和圖3所示.

表6 熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 潤滑油熱老化試驗(yàn)粘度變化率曲線

熱老化試驗(yàn)結(jié)果顯示，潤滑油在150 ℃熱老化試驗(yàn)后的粘度變化率為25.88%(變化率小于30%)，滿足運(yùn)用要求.

4 高溫耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述理論分析，高速動車組齒輪箱滿足最高持續(xù)溫度130 ℃的安全運(yùn)用要求.為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算分析結(jié)果，通過臺架試驗(yàn)分析齒輪箱軸承持續(xù)高溫(130 ℃左右)且額定工況長期運(yùn)行下的運(yùn)行品質(zhì).

試驗(yàn)?zāi)M齒輪箱時(shí)速350 km/h全磨耗輪狀態(tài)滿功率運(yùn)行，試驗(yàn)臺由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動陪試齒輪箱的大齒輪軸，陪試齒輪箱和試驗(yàn)齒輪箱通過聯(lián)軸節(jié)傳遞扭矩，通過負(fù)載電機(jī)實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)齒輪箱的大齒輪軸處施加扭矩，試驗(yàn)過程中通過調(diào)整試驗(yàn)齒輪箱的冷卻風(fēng)速及加熱器控制環(huán)境溫度，從而將齒輪箱軸承溫度維持在130 ℃左右(該溫度通過溫度傳感器監(jiān)控)，并開展200 h以上的試驗(yàn)驗(yàn)證.試驗(yàn)臺布置如圖4所示，試驗(yàn)工況如表7所示.其中PW為小軸車輪側(cè)，PM為小軸電機(jī)側(cè)，GW為大軸車輪側(cè)，GM為大軸電機(jī)側(cè).

圖4 試驗(yàn)臺布置

表7 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中通過溫度傳感器時(shí)刻監(jiān)控軸承溫度(130 ℃左右)，試驗(yàn)過程中軸承最高溫度記錄見表8.

表8 試驗(yàn)中軸承持續(xù)最高溫度記錄表

試驗(yàn)過程中，齒輪箱運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常振動，試驗(yàn)完成后拆解齒輪箱，齒輪箱總體狀態(tài)良好，軸承、齒輪等零部件無異常.齒輪和軸承狀態(tài)檢查如圖5所示.

圖5 軸承、齒輪狀態(tài)

試驗(yàn)后取潤滑油油樣進(jìn)行化學(xué)分析，指標(biāo)參數(shù)見表9.

表9 潤滑油性能參數(shù)表

結(jié)果顯示齒輪箱持續(xù)130 ℃高溫耐久臺架試驗(yàn)后，潤滑油性能參數(shù)變化在正常范圍內(nèi)，且變化不大.齒輪箱在經(jīng)過持續(xù)高溫(軸承溫度維持在130 ℃左右)且200 h以上的臺架試驗(yàn)后，齒輪箱總體狀態(tài)良好，齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件無異常，潤滑油無異常.

5 結(jié)論

本文通過對高速動車組齒輪箱進(jìn)行溫度場分析，得出在同等速度級別下的齒輪箱系統(tǒng)中散熱相對較慢且熱穩(wěn)定溫度相對較高部件，并對該零部件從原始設(shè)計(jì)及加工制造等方面對其進(jìn)行分析，得出滿足高速動車組齒輪箱長期安全運(yùn)用的最高溫度，并通過臺架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下：在130 ℃的持續(xù)高溫下，高速動車組齒輪箱系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和可靠性均具有較大的安全余量，滿足運(yùn)營要求.該論點(diǎn)可作為后續(xù)高速動車組提速時(shí)齒輪箱軸承溫度監(jiān)控邏輯限值的參考，為將來的動車組提速打下了夯實(shí)的技術(shù)儲備.