秦 軍

(重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司 重慶 401122)

0 引言

目前我國的懸掛式列車研發(fā)進入了高峰期，各整車廠不斷有新的懸掛式列車進行整車試驗。懸掛式列車齒輪箱相對于傳統(tǒng)軌道交通(比如地鐵、有軌電車)用齒輪箱增加了垂向、縱向和橫向承載的功能[1]，加上軌道限界的限制，齒輪箱的輸入軸通常被設(shè)計成很大的仰角，高達35°。齒輪箱輸入軸上仰的結(jié)構(gòu)對輸入端軸承的潤滑提出了極大的挑戰(zhàn)，下文介紹一種大仰角懸掛式單軌齒輪箱輸入軸承的潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗驗證。

1 齒輪箱總體及輸入軸承布置

齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1所示：箱體作為齒輪箱的安裝主體，輸出軸通過2個圓錐滾子軸承水平安裝在齒輪箱箱體上，輸入軸通過3個軸承(圓柱滾子軸承1+四點接觸球軸承+圓柱滾子軸承2)傾斜安裝在齒輪箱箱體上(見圖2)，輸入軸與水平面成35°夾角。

圖1 齒輪箱總體結(jié)構(gòu)布置

圖2 輸入軸軸承布置

2 大仰角軸承潤滑的難點分析

軸承潤滑的關(guān)鍵要素之一是軸承位置的油量，過多或者過少都不利于潤滑。潤滑油量過多會導致軸承滾子攪油功率增加，從而導致軸承發(fā)熱量增加，過多的潤滑油也可能導致迷宮密封出現(xiàn)滲油；潤滑油量過少會因為軸承滾子缺乏足夠的潤滑，導致軸承異常發(fā)熱。

此項目中由于外部結(jié)構(gòu)的需要，齒輪箱輸入軸被設(shè)計成35°的大仰角。大仰角使得遠端軸承的最高位置高于攪油大齒輪的頂部，為使油池中的潤滑油能夠進入軸承位置(至少進入軸承中部位置)，油池必須設(shè)計在攪油齒輪的頂部附近，較高的油池收集到的飛濺潤滑油量就會大量減少。此項目中如果使用常規(guī)攪油潤滑方案，遠離齒輪的四點接觸球軸承、圓柱滾子軸承2的潤滑油量可能會很少，甚至不能滿足潤滑要求。

3 齒輪箱輸入軸承潤滑設(shè)計

基于上述分析，此項目針對輸入軸承的潤滑設(shè)計了兩種不同的方案。

方案一的輸入軸承潤滑設(shè)計：在齒輪箱運行中，通過被動大齒輪的轉(zhuǎn)動進行攪油，擋油筋將飛濺的潤滑油進行阻擋，被阻擋的潤滑油和附著在箱體壁上的潤滑油在重力的作用下流入設(shè)置在箱體壁上的油池內(nèi)，然后通過油道將潤滑油引導進入軸承內(nèi)部，實現(xiàn)軸承的潤滑，詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輸入軸軸承潤滑方案一

方案二的輸入軸承潤滑設(shè)計：在齒輪箱內(nèi)部設(shè)置油泵，進行泵油潤滑。油泵的動力來自于齒輪工作時動力的一個分支，齒輪箱的輸出軸上設(shè)計一個取力主動圓柱齒輪，取力從動圓柱齒輪設(shè)置在一個支架上，支架與底部蓋板做成一個整體安裝在箱體底部。取力從動齒輪通過兩個深溝球軸承與支架進行定位安裝，深溝球軸承通過飛濺的潤滑油實現(xiàn)潤滑。油泵通過螺釘連接在支架上，油泵的動力路徑：輸入軸→輸出軸→取力主動齒輪→取力從動齒輪→油泵，潤滑油的路徑：油池→油泵進油口→油泵→油泵出油口→管道1→管道2→管道3→軸承位置→回到油池，詳細結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸入軸軸承潤滑方案二

4 試驗驗證

軸承是否得到良好潤滑，通常通過監(jiān)控軸承在運行中的溫度來判斷，而軸承安裝在軸承座、箱體內(nèi)部，不易直接檢測其表面溫度，通過間接測量軸承座的表面溫度來評價軸承的運行溫度是比較簡單且經(jīng)濟的。軸承的潤滑設(shè)計是否滿足要求，通過模擬臺架試驗驗證是一種簡單且經(jīng)濟的方式。

4.1 空載試驗

試驗主要根據(jù)車輛在平直軌道、坡度軌道(上、下坡)、軌道超高的情況下來設(shè)計不同的模擬工況。齒輪箱坐標系定義如圖5所示，試驗臺布置如圖6所示，試驗工況模式如表1所示，試驗油位設(shè)置為低油位，油量約4.5 L，傾斜角度為：X軸±0.5°，Y軸±5.7°，每種傾斜角度均按照表1各工況正反轉(zhuǎn)連續(xù)運行。對兩種潤滑設(shè)計方案分別進行試驗。

圖5 齒輪箱坐標系定義

圖6 齒輪箱空載試驗臺布置

表1 齒輪箱空載試驗工況

試驗中使用紅外線測溫儀進行檢測，每5 min記錄一次。試驗結(jié)果表明：兩種潤滑方案設(shè)計，密封都滿足要求。方案一的潤滑效果明顯低于方案二，其中，方案一的最高溫度比方案二高23.2 ℃，潤滑油溫升高18.1 ℃，詳細結(jié)果如表2所示。

4.2 加載試驗

基于加載試驗的成本考慮，加載只進行了潤滑效果更好的方案二齒輪箱試驗。齒輪箱加載試驗臺布置如圖7所示，加載試驗在齒輪箱水平狀態(tài)、潤滑油中油位(約4.85 L)、風速5 m/s的條件下進行。加載各工況按表3單獨進行，各工況下正反轉(zhuǎn)連續(xù)運行。

表2 兩種潤滑方案的試驗結(jié)果

圖7 齒輪箱加載試驗臺布置

表3 齒輪箱加載試驗工況

試驗過程使用溫度傳感器采集軸承座表面溫度和潤滑油溫度，試驗結(jié)果表明：潤滑方案二的設(shè)計，密封滿足要求，且能夠滿足齒輪箱的溫度設(shè)計要求，說明潤滑方案二的設(shè)計是有效的。試驗結(jié)果如下：在工況1下，軸承座的最高溫度為84.4 ℃，潤滑油最大溫升為34.0 ℃；在工況2下，軸承座的最高溫度為88.2 ℃，潤滑油最大溫升為40.1 ℃；在工況3下，軸承座的最高溫度為71.3 ℃，潤滑油最大溫升為20.7 ℃。

通過空載試驗下兩種潤滑方案的溫度差異值可以推測出，在加載工況下，方案一的軸承座最高溫度可能達到111.4 ℃，不能滿足齒輪箱的溫度設(shè)計要求(齒輪箱設(shè)計溫度限值不大于100 ℃)。

5 結(jié)論

軸承潤滑設(shè)計是齒輪箱設(shè)計的重要項點，通過對懸掛式單軌齒輪箱大仰角輸入軸承的兩種不同潤滑設(shè)計方案的驗證，可以說明：

(1)傳統(tǒng)軌道交通齒輪箱的攪油潤滑設(shè)計方案可能不滿足大仰角軸承潤滑的需求。

(2)大仰角的懸掛式單軌齒輪箱輸入軸承的潤滑設(shè)計通過泵油強制潤滑是可以滿足設(shè)計要求的。

(3)強制潤滑油泵通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以與齒輪箱集成在一起，而無須通過外部泵站及動力進行泵油潤滑。