地铁电传动打磨车车轴齿轮箱的研制

2016-06-27杨俊杰胡高华陈丽丽

轨道交通装备与技术 2016年6期

关键词：油孔车轴齿轮箱

杨俊杰胡高华陈丽丽

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

地铁电传动打磨车车轴齿轮箱的研制

杨俊杰胡高华陈丽丽

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

介绍了地铁电传动打磨车车轴齿轮箱的技术参数和关键设计，并阐述了其结构特点和试验情况。经台架试验和装车考核情况验证，齿轮箱密封可靠、散热良好、运行平稳，达到设计要求，满足整车各工况使用要求。关键词：地铁；电传动打磨车；齿轮箱；台架试验

地铁打磨车是城市轨道交通维护的重要技术装备，已越来越多地应用于城市地铁轨道的维护作业中，对地铁线路的轨面定期进行打磨维护、缺陷修复等，确保轨道技术状态良好及地铁车辆运行的安全可靠[1]。现有地铁打磨车均以液压传动为主，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司自主研发的地铁打磨车是国内首台采用电传动的地铁打磨车，具有低碳、环保、可实现低恒速控制等特点，在城轨地铁市场中应用前景广阔。车轴齿轮箱是该打磨车的核心部件之一，该车高速走行、低速作业均由它牵引驱动。因此，研制出匹配地铁电传动打磨车整车要求的车轴齿轮箱具有重要意义。

1 车轴齿轮箱的主要技术参数及要求

地铁电传动打磨车车轴齿轮箱主要技术参数及要求：(1)适用于1 435 mm标准轨距，轮径ø840 mm，轴径ø130 mm；(2)工作环境温度-25℃～45℃；(3)静态轴重14 t；(4)打磨作业速度：3～16 km/h；(5)额度功率105 kW，短路扭矩3 000 N·m；(6)主动端输入最高转速为3 526 r/min；满足最高运行90 km/h速度要求，适用于双向运转。

2 车轴齿轮箱的结构特点

牵引电机采用架悬方式，固定于转向架的横梁上(见图1)，电机与齿轮箱之间通过挠性浮动齿式联轴节相连接[2]，齿轮箱在电机与轮对之间起着传递电机输出扭矩、降低电机输出转速、驱动轮对使整车运动的作用。

车轴齿轮箱由一级圆柱斜齿轮传动组成，齿轮箱采用垂直吊装的结构，输出端通过2个轴承支承固定在车轴上，输入端通过相应吊挂装置紧固连接在转向架横梁上。吊挂装置由具有缓冲减振作用的橡胶球关节和吊杆体组成，并设计有调整垫片以调整输入轴高度。吊挂下端与上箱体的对应吊杆座连接，上端与转向架吊挂安装座连接，即可将齿轮箱安装紧固在所需要的高度位置。

车轴齿轮箱主要由箱体、牵引齿轮、车轴、润滑和密封系统、轴承等零部件构成，这些零部件的性能决定了齿轮箱的整体性能[3]。

1—轴箱轴承；2—车轮；3—电机；4—车轴；5—联轴节；6—齿轮箱；7—吊挂。图1 车轴齿轮箱轮对系统结构简图

3 车轴齿轮箱的关键技术

3.1 箱体设计

箱体采用上下剖分式设计，剖分面通过车轴中心线与水平面成30°夹角。箱体外观采用仿圆形设计，降低噪声辐射，利于齿轮溅油润滑。箱体两侧设置加强筋，增加散热效果，提高其强度和刚度[4]。为了满足齿轮箱运行作业的安全要求，在箱体的前端设计有防脱孔，能够防止吊杆断裂时齿轮箱掉落在轨道上。另外，箱体还设有观察窗、可视油标、润滑油注入和排放孔、透气帽接口、吊杆座及上下标记位置等结构(见图2)。

通过计算有限元强度、刚度可知，在最恶劣工况(电机短路)条件下，箱体最大等效应力为127.3 MPa，小于箱体材料屈服极限310 MPa；最大等效位移为0.022 mm，箱体变形较小，不会显著影响轴承寿命，箱体结构强度、刚度满足最恶劣工况要求，因此，也就满足箱体各工况的安全使用要求。

1—上标记；2—观察窗；3—铭牌；4—注油孔；5—下标记；6—可视油标；7—放油孔；8—大轴承座；9—吊挂座；10—防脱孔；11—小轴承座；12—透气帽孔；13—加强筋。图2 箱体外形结构图

3.2 牵引齿轮的设计

由于牵引电机输出转速较高，而列车打磨作业速度较低，因此齿轮箱的传动比较大，约为6.7。为了满足地铁车辆相关标准限界要求，齿轮的模数要尽量小；同时，齿轮箱需要承受来自轨道启动、制动的冲击、振动，除了需保证足够的接触强度和弯曲强度外，还应确保齿轮传动平稳、啮合噪声小。因此，选用20CrNiMo合金钢作为主、从动齿轮材料，对轮齿部位进行渗碳淬火处理。另外，对轮齿进行修形，以提高轮齿的啮合性能。齿轮的主要技术参数为：法向模数Mn=5.5，齿数比Z1/Z2为16/77，压力角αn和螺旋角β分别为20°和15°，齿宽b为96 mm，齿顶高系数和顶隙系数分别为1.0和0.25。

根据整车启动、额定、电机短路3种工况，按照GB/T 3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》进行强度校核。校核结果：这3种工况下主、从动齿轮的接触安全系数SH依次为：1.59/1.65、1.85/1.97、1.31/1.31；弯曲安全系数SF依次为：2.76/2.83、3.23/3.31、2.18/2.25。

由此可知，在各工况下的接触安全系数均大于较高可靠度的安全系数1.25，弯曲安全系数均大于较高可靠度的安全系数1.6，因此，轮齿的疲劳强度满足整车各工况要求。

3.3 车轴的设计

车轴承受载荷工况复杂，要求较高的强度和刚度，同时需要满足构架的空间要求，综合考虑车轴材料采用LZ50钢，轴颈ø130 mm，轮座ø185 mm，光轴轴身ø165 mm，轴承座ø212 mm。车轴加工完后经过滚压处理，获得更好的强度和表面质量。

为了验证车轴的结构强度是否满足整车各工况要求，根据EN 13104—2009《铁路应用轮对和转向架动轴设计方法》和GB/T 2395—2008《铁道机车车辆动力车轴设计方法》对车轴的疲劳强度进行校核计算。车轴强度分析的危险截面出现在截面弯矩最大、截面尺寸较小、截面突然(或应力集中)和过盈配合等区域[4]，确定的危险计算截面如图3所示。

图3 车轴危险截面位置示意图

根据上述2个标准，计算得到各载荷联合作用下截面疲劳应力分析结果，如表1所示(列出部分截面应力结果，未列出的安全裕度[σ]/σ均大于2)。车轴各危险截面最小安全裕度为1.52，因此，该车轴疲劳强度满足整车设计要求。

表1 车轴各危险截面疲劳应力计算结果

3.4 润滑及密封的设计

整车走行时最高速度为90 km/h，输出车轴端旋转密封处的节线速度达到22 m/s，因此齿轮箱中齿轮和轴承采用飞溅润滑。由于低速作业时间长，为保证轴承充分润滑，在箱体壁面设有集油槽、导油孔，齿轮转动溅起的油液通过集油槽和导油孔流入轴承内部，使轴承得到足够润滑。同时，轴承座下部设有回油孔，油液可从回油孔流回箱体，从而实现齿轮油的循环流道润滑。回油孔的高度略高于轴承，可以储存部分油液，确保低速作业时轴承不会出现干磨现象。

为了有效防止泄漏，齿轮箱采用接触式密封和非接触式密封结合的方式，各轴承座与箱体等接触面采用O形橡胶圈和密封胶进行密封，箱体分型面处也采用密封胶密封[3]。而对于箱体内旋转贯通部位，采用非接触式双面迷宫密封，既减少摩擦功率损耗，又能有效避免沙尘、雨水进入密封圈内部[2]。

3.5 轴承的选用

牵引齿轮为斜齿轮，传动时产生径向和轴向载荷，主动齿轮轴和输出车轴两端轴承均需要采用能同时承受径向力和轴向力的圆锥滚子轴承进行支撑。另外，主动齿轮轴两侧的小轴承应具有较高的极限转速，从动齿轮两侧的大轴承需要承受来自钢轨的冲击和振动，再综合考虑安装、调整方便的要求，主动齿轮轴两端选用轴承型号为 31316J1/QCL7CS1，输出端两侧选用轴承型号为T2DC 220/213/VE679。为了便于拆卸轴承和调整轴向游隙，2种轴承均采用面对面的安装方式，轴向游隙通过轴承座与箱体侧面间的系列化调整垫片来调整[3]。