城軌車輛驅(qū)動齒輪箱技術和典型故障研究

城軌車輛驅(qū)動齒輪箱技術和典型故障研究摘要：傳動齒輪箱是城軌車輛動車轉(zhuǎn)向架上的關鍵零部件，它通過大、小齒輪間嚙合，將牽引電機牽引力傳遞給車軸，驅(qū)動車輛前進。本文針對齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)、箱體形式、軸承選型、潤滑密封和性能要求等設計關鍵技術展開介紹，對現(xiàn)存齒輪箱典型故障進行提升規(guī)避和新技術應用前瞻性討論，為城軌齒輪箱設計應用提供必要參考，推動本系統(tǒng)國產(chǎn)化提升和升級發(fā)展。

關鍵詞：城軌車輛；驅(qū)動齒輪箱；設計技術；故障提升；前瞻研究

1城軌車輛驅(qū)動齒輪箱概述

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，地鐵作為現(xiàn)代都市生活中重要的交通工具，已經(jīng)成為各個城市節(jié)約能源、減少污染、緩解交通的主要選擇，目前我國城軌車輛車型主要有Ａ型、Ｂ型和Ｃ型，主要采用動力分散形式，由電機驅(qū)動車輛前進。大部分地鐵車輛通過驅(qū)動齒輪箱來實現(xiàn)電機的動力傳遞，齒輪箱通過懸掛裝置安裝在轉(zhuǎn)向架上，齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)、箱體形式、軸承選擇、潤滑密封結(jié)構(gòu)和技術指標不僅要考慮齒輪箱的需要，同時還要滿足轉(zhuǎn)向架空間、電機特性和車軸尺寸的要求。

驅(qū)動齒輪箱即一套齒輪減速系統(tǒng)，包括齒輪箱箱體、齒輪、軸承、密封件、齒輪箱與構(gòu)架連接裝置（吊桿、C形支架等）、接地裝置及相關附件組成。

1.1技術基本要求

①齒輪箱動密封應采用雙向密封的密封結(jié)構(gòu)，所有密封處在正常試驗或使用過程中不應有潤滑油油滴及流掛的泄漏現(xiàn)象。

②齒輪箱應設有注油和潤滑油排出的注/排油孔，注/排油孔處應加裝有永久磁性螺堵，齒輪箱應設置防脫落安全結(jié)構(gòu)。

③齒輪箱與構(gòu)架連接宜采用彈性節(jié)點，應設有油量和內(nèi)部齒輪狀態(tài)觀察裝置。

④齒輪箱主動齒輪與聯(lián)軸節(jié)的連接宜采用錐度過盈連接方式，電機軸和主動齒輪軸連接錐面宜采用相同的設計。

⑤齒輪箱可根據(jù)需求預留溫度、振動等傳感器的安裝接口以及接地裝置的安裝接口。

⑥齒輪箱結(jié)構(gòu)應采用輕量化設計，允差不應大于±3%。

1.2性能要求

①齒輪箱應滿足列車最高設計速度要求，齒輪箱內(nèi)潤滑油的損耗量不應超過0.5L/15萬公里。

②正常使用條件下，

③齒輪箱軸承與潤滑油允許的最高溫度，各部位最高允許溫度不超過120℃。

④齒輪箱噪聲可以采用聲壓級或聲功率級進行評定，其噪聲聲壓級不應大于90dB（A）。齒輪箱振動應符合GB/T6075.1—1999中IV類C級要求。

⑤齒輪箱達到額定功率時，單級測試傳動效率η≥98％；兩級驅(qū)傳動效率η≥97%。

⑥齒輪箱箱體及吊桿體關鍵部位的應力不應超過材料屈服極限。

2城軌車輛驅(qū)動齒輪箱關鍵技術研究

２.1驅(qū)動齒輪箱傳動結(jié)構(gòu)和箱體形式

目前國內(nèi)城軌齒輪箱常用傳動結(jié)構(gòu)有一級和二級斜齒輪傳動，箱體常用結(jié)構(gòu)有斜剖分箱式結(jié)構(gòu)和整體式結(jié)構(gòu)，整體式箱體結(jié)構(gòu)又有箱蓋在上部和箱蓋在側(cè)面兩種常見結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1齒輪箱箱體形式和典型故障圖片

一級傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高，可以有效降低維護成本，占用空間小、重量輕，減小轉(zhuǎn)向架簧下重量。二級傳動結(jié)構(gòu)相對復雜，但可以有效地提高齒輪箱承載能力，中心距和速比變化范圍大，可以更好適應地鐵車輛提速和承載能力需求。

分箱式齒輪箱結(jié)構(gòu)便于拆裝和維護，從使用性和維護性考慮地鐵齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)選擇斜剖分式更為合適。整體式結(jié)構(gòu)加工性好，容易保證形位公差，但拆裝麻煩，必須將輸出齒輪與車軸分解后才能將齒輪箱拆開，特別是箱蓋在側(cè)面的結(jié)構(gòu)，對箱蓋安裝的密封性要求高，易發(fā)生漏油故障，宜避免該結(jié)構(gòu)。

2.2齒輪、軸承選擇、滑潤與密封

大/小齒輪材料宜選用滲碳合金鋼，常用牌號有20CrMnMo、18CrNiMo7-6等，輪形應采用漸開線圓柱齒輪，齒輪精度應不低于GB/T10095.1/2—2008中的6級要求。齒輪接觸承載能力計算應符合ISO6336-2的要求，瞬時超載齒輪承載能力按ISO6336-2/3中推薦值進行計算。

軸承設計主要選用圓錐滾子軸承，有單支撐和雙側(cè)支持兩種方式，軸承選用有面對面布置，兩個圓柱滾子軸承加一個四點角接觸軸承、圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承加四點角接觸軸承等形式。軸承應按照ISO281和ISO/TS16281進行壽命計算和修正，修正后的計算壽命應不小于240萬公里。

潤滑和密封可靠性要求較高，主要采用飛濺潤滑方式，大齒輪浸入油池中，齒輪旋轉(zhuǎn)將潤滑油帶到嚙合齒面上，通過在箱體內(nèi)壁中合適位置增加擋油板和集油槽，使油脂流入軸承對其潤滑。密封采用非接觸式機械迷宮、橡膠圈及紙墊等密封方式，同時增設正壓通氣裝置。潤滑油選用時應考慮潤滑油的使用溫度、極壓性能、抗乳化、抗老化、通脹比等性能，換油周期不應小于1年。

2.3現(xiàn)存產(chǎn)品典型故障研究與提升

1.排油堵底板裂紋：下箱體裂紋位于排油口附近，裂紋長約25mm，裂紋已穿透整個壁厚，屬于一次脆性開裂，裂源位于第一牙螺紋處。該斷口基本呈解理斷裂，與鑄造工藝不當導致組織存在較多的碳化物所致。

2.齒輪箱滲油：不同齒輪箱滲油點不一，分箱式主要存在于各分箱面，整體式主要發(fā)生于迷宮裝置和緊固件處，主要通過提高裝配工藝和滲油點監(jiān)控方式解決。

3.齒輪箱油質(zhì)變色：主要有綠色、黑色和白色幾種，多發(fā)生于換裝潤滑油的初期，需定期對油堵磁堵和內(nèi)部各部件狀態(tài)檢查。

3新技術方案發(fā)展趨勢前瞻

1.箱體整體設計采用小型化、輕量化方式，材料選擇高強度鋁合金，兼具輕、小和優(yōu)良散熱性能。

2.城軌車輛“下一代地鐵的”研發(fā)，標準化齒輪箱產(chǎn)品將成為趨勢，牽引系統(tǒng)和永磁電機的成熟應用，“直驅(qū)時代”即將到來。

3.城軌車輛信息化，齒輪箱設計應考慮配置和預留智能化設備及接口。

4.新材料、新工藝、新技術的發(fā)展，齒輪箱關鍵部件強度、壽命和可靠性將得到長足優(yōu)化。

參考文獻

[1]《地鐵車輛用驅(qū)動齒輪箱技術規(guī)范》