楊俊杰 胡高華 陳麗麗

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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地鐵電傳動打磨車車軸齒輪箱的研制

楊俊杰 胡高華 陳麗麗

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

介紹了地鐵電傳動打磨車車軸齒輪箱的技術參數(shù)和關鍵設計，并闡述了其結構特點和試驗情況。經臺架試驗和裝車考核情況驗證，齒輪箱密封可靠、散熱良好、運行平穩(wěn)，達到設計要求，滿足整車各工況使用要求。關鍵詞：地鐵；電傳動打磨車；齒輪箱；臺架試驗

地鐵打磨車是城市軌道交通維護的重要技術裝備，已越來越多地應用于城市地鐵軌道的維護作業(yè)中，對地鐵線路的軌面定期進行打磨維護、缺陷修復等，確保軌道技術狀態(tài)良好及地鐵車輛運行的安全可靠[1]?，F(xiàn)有地鐵打磨車均以液壓傳動為主，中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司自主研發(fā)的地鐵打磨車是國內首臺采用電傳動的地鐵打磨車，具有低碳、環(huán)保、可實現(xiàn)低恒速控制等特點，在城軌地鐵市場中應用前景廣闊。車軸齒輪箱是該打磨車的核心部件之一，該車高速走行、低速作業(yè)均由它牽引驅動。因此，研制出匹配地鐵電傳動打磨車整車要求的車軸齒輪箱具有重要意義。

1 車軸齒輪箱的主要技術參數(shù)及要求

地鐵電傳動打磨車車軸齒輪箱主要技術參數(shù)及要求：(1)適用于1 435 mm標準軌距，輪徑?840 mm，軸徑?130 mm；(2)工作環(huán)境溫度-25℃～45℃；(3)靜態(tài)軸重14 t；(4)打磨作業(yè)速度：3～16 km/h；(5)額度功率105 kW，短路扭矩3 000 N·m；(6)主動端輸入最高轉速為3 526 r/min；滿足最高運行90 km/h速度要求，適用于雙向運轉。

2 車軸齒輪箱的結構特點

牽引電機采用架懸方式，固定于轉向架的橫梁上(見圖1)，電機與齒輪箱之間通過撓性浮動齒式聯(lián)軸節(jié)相連接[2]，齒輪箱在電機與輪對之間起著傳遞電機輸出扭矩、降低電機輸出轉速、驅動輪對使整車運動的作用。

車軸齒輪箱由一級圓柱斜齒輪傳動組成，齒輪箱采用垂直吊裝的結構，輸出端通過2個軸承支承固定在車軸上，輸入端通過相應吊掛裝置緊固連接在轉向架橫梁上。吊掛裝置由具有緩沖減振作用的橡膠球關節(jié)和吊桿體組成，并設計有調整墊片以調整輸入軸高度。吊掛下端與上箱體的對應吊桿座連接，上端與轉向架吊掛安裝座連接，即可將齒輪箱安裝緊固在所需要的高度位置。

車軸齒輪箱主要由箱體、牽引齒輪、車軸、潤滑和密封系統(tǒng)、軸承等零部件構成，這些零部件的性能決定了齒輪箱的整體性能[3]。

1—軸箱軸承；2—車輪；3—電機；4—車軸；5—聯(lián)軸節(jié)；6—齒輪箱；7—吊掛。圖1 車軸齒輪箱輪對系統(tǒng)結構簡圖

3 車軸齒輪箱的關鍵技術

3.1 箱體設計

箱體采用上下剖分式設計，剖分面通過車軸中心線與水平面成30°夾角。箱體外觀采用仿圓形設計，降低噪聲輻射，利于齒輪濺油潤滑。箱體兩側設置加強筋，增加散熱效果，提高其強度和剛度[4]。為了滿足齒輪箱運行作業(yè)的安全要求，在箱體的前端設計有防脫孔，能夠防止吊桿斷裂時齒輪箱掉落在軌道上。另外，箱體還設有觀察窗、可視油標、潤滑油注入和排放孔、透氣帽接口、吊桿座及上下標記位置等結構(見圖2)。

通過計算有限元強度、剛度可知，在最惡劣工況(電機短路)條件下，箱體最大等效應力為127.3 MPa，小于箱體材料屈服極限310 MPa；最大等效位移為0.022 mm，箱體變形較小，不會顯著影響軸承壽命，箱體結構強度、剛度滿足最惡劣工況要求，因此，也就滿足箱體各工況的安全使用要求。

1—上標記；2—觀察窗；3—銘牌；4—注油孔；5—下標記；6—可視油標；7—放油孔；8—大軸承座；9—吊掛座；10—防脫孔；11—小軸承座；12—透氣帽孔；13—加強筋。圖2 箱體外形結構圖

3.2 牽引齒輪的設計

由于牽引電機輸出轉速較高，而列車打磨作業(yè)速度較低，因此齒輪箱的傳動比較大，約為6.7。為了滿足地鐵車輛相關標準限界要求，齒輪的模數(shù)要盡量?。煌瑫r，齒輪箱需要承受來自軌道啟動、制動的沖擊、振動，除了需保證足夠的接觸強度和彎曲強度外，還應確保齒輪傳動平穩(wěn)、嚙合噪聲小。因此，選用20CrNiMo合金鋼作為主、從動齒輪材料，對輪齒部位進行滲碳淬火處理。另外，對輪齒進行修形，以提高輪齒的嚙合性能。齒輪的主要技術參數(shù)為：法向模數(shù)Mn=5.5，齒數(shù)比Z1/Z2為16/77，壓力角αn和螺旋角β分別為20°和15°，齒寬b為96 mm，齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)分別為1.0和0.25。

根據(jù)整車啟動、額定、電機短路3種工況，按照GB/T 3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》進行強度校核。校核結果：這3種工況下主、從動齒輪的接觸安全系數(shù)SH依次為：1.59/1.65、1.85/1.97、1.31/1.31；彎曲安全系數(shù)SF依次為：2.76/2.83、3.23/3.31、2.18/2.25。

由此可知，在各工況下的接觸安全系數(shù)均大于較高可靠度的安全系數(shù)1.25，彎曲安全系數(shù)均大于較高可靠度的安全系數(shù)1.6，因此，輪齒的疲勞強度滿足整車各工況要求。

3.3 車軸的設計

車軸承受載荷工況復雜，要求較高的強度和剛度，同時需要滿足構架的空間要求，綜合考慮車軸材料采用LZ50鋼，軸頸?130 mm，輪座?185 mm，光軸軸身?165 mm，軸承座?212 mm。車軸加工完后經過滾壓處理，獲得更好的強度和表面質量。

為了驗證車軸的結構強度是否滿足整車各工況要求，根據(jù)EN 13104—2009《鐵路應用輪對和轉向架動軸設計方法》和GB/T 2395—2008《鐵道機車車輛動力車軸設計方法》對車軸的疲勞強度進行校核計算。車軸強度分析的危險截面出現(xiàn)在截面彎矩最大、截面尺寸較小、截面突然(或應力集中)和過盈配合等區(qū)域[4]，確定的危險計算截面如圖3所示。

圖3 車軸危險截面位置示意圖

根據(jù)上述2個標準，計算得到各載荷聯(lián)合作用下截面疲勞應力分析結果，如表1所示(列出部分截面應力結果，未列出的安全裕度[σ]/σ均大于2)。車軸各危險截面最小安全裕度為1.52，因此，該車軸疲勞強度滿足整車設計要求。

表1 車軸各危險截面疲勞應力計算結果

3.4 潤滑及密封的設計

整車走行時最高速度為90 km/h，輸出車軸端旋轉密封處的節(jié)線速度達到22 m/s，因此齒輪箱中齒輪和軸承采用飛濺潤滑。由于低速作業(yè)時間長，為保證軸承充分潤滑，在箱體壁面設有集油槽、導油孔，齒輪轉動濺起的油液通過集油槽和導油孔流入軸承內部，使軸承得到足夠潤滑。同時，軸承座下部設有回油孔，油液可從回油孔流回箱體，從而實現(xiàn)齒輪油的循環(huán)流道潤滑?；赜涂椎母叨嚷愿哂谳S承，可以儲存部分油液，確保低速作業(yè)時軸承不會出現(xiàn)干磨現(xiàn)象。

為了有效防止泄漏，齒輪箱采用接觸式密封和非接觸式密封結合的方式，各軸承座與箱體等接觸面采用O形橡膠圈和密封膠進行密封，箱體分型面處也采用密封膠密封[3]。而對于箱體內旋轉貫通部位，采用非接觸式雙面迷宮密封，既減少摩擦功率損耗，又能有效避免沙塵、雨水進入密封圈內部[2]。

3.5 軸承的選用

牽引齒輪為斜齒輪，傳動時產生徑向和軸向載荷，主動齒輪軸和輸出車軸兩端軸承均需要采用能同時承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承進行支撐。另外，主動齒輪軸兩側的小軸承應具有較高的極限轉速，從動齒輪兩側的大軸承需要承受來自鋼軌的沖擊和振動，再綜合考慮安裝、調整方便的要求，主動齒輪軸兩端選用軸承型號為 31316J1/QCL7CS1，輸出端兩側選用軸承型號為T2DC 220/213/VE679。為了便于拆卸軸承和調整軸向游隙，2種軸承均采用面對面的安裝方式，軸向游隙通過軸承座與箱體側面間的系列化調整墊片來調整[3]。

4 臺架試驗

為了驗證齒輪箱的綜合性能，根據(jù)整車運行工況，對齒輪箱進行臺架試驗(見圖4)，試驗結果表明：無論正、反轉，高速時齒輪箱各部位熱平衡后的最高溫度均小于92 ℃，低速時最高溫度均小于36 ℃；試驗過程中，潤滑密封良好，也未出現(xiàn)異響和振動。

圖4 齒輪箱試驗過程示意圖

5 結束語

結合臺架試驗和裝車考核情況可知：(1)采用集油槽、導油孔和高位回油孔等結構的潤滑系統(tǒng)，使各工況下軸承潤滑效果良好；(2)車軸貫通部位及主動齒輪軸貫通部位無漏油現(xiàn)象，密封可靠；(3)車軸齒輪箱整體運行平穩(wěn)，滿足地鐵電傳動打磨車整車使用要求；(4)對類似工況下的齒輪箱研制具有借鑒和參考意義。

[1] 顧友華.地鐵軌道打磨車動力及牽引系統(tǒng)的可靠性保證[J].都市快軌交通，2009(5):81-83.

[2] 胡高華，陳亞東，張志強.160 km/h快速軌道車走行齒輪箱的研制[J].機車車輛工藝，2012(3):28-30.

[3] 關云輝，林新海，吳國慶.上海軌道交通1號線“增擴編”車輛用齒輪箱的研制[J].城市軌道交通研究，2012(9):105-107.

[4] 邱彥杰，陳亞東，許濤濤.DWL-48型連續(xù)走行搗固穩(wěn)定車泵驅動齒輪箱的研制[J].軌道交通裝備與技術，2016(4):10-11.□

(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)06-0025-03

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2016-03-10

楊俊杰(1985- )，男，碩士研究生學歷，工程師，從事齒輪傳動系統(tǒng)及走行齒輪箱產品研發(fā)工作。