100%低地板轻轨车辆齿轮箱输出轴密封设计及试验验证

侯建文, 张会杰

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266111；2.重庆凯瑞车辆传动制造有限公司，重庆401122）

0 引 言

100%低地板轻轨车辆由于受地板高度的限制，传动系统通常都布置在构架两侧，多采用架悬方式[1]。由于齿轮箱置于车轮外侧，安装空间受到车轮和裙板的严格限制，且齿轮箱结构紧凑、复杂，迷宫密封的设计成为齿轮箱中的难点，文中介绍了一种独立轮100%低地板齿轮箱输出端密封结构设计和试验验证。

1 齿轮箱输出轴结构

对于独立轮结构的低地板转向架，通常采用橡胶柔性联轴节连接齿轮箱输出轴和车轮，橡胶柔性联轴节左、右两组橡胶盘分布在齿轮箱两侧，此外在车轴端部设置有接地装置。在有限空间内沿车轴轴向上安装了齿轮箱侧半联轴节、齿轮箱、车轮侧半联轴节、接地装置和车轮，结构非常紧凑，如图1所示。

图1 100%低地板齿轮箱安装位置及输出轴结构

2 输出轴密封结构设计影响因素

2.1 径向尺寸

由于低地板齿轮箱采用架悬安装方式，转向架与车轴之间位置不固定，两者之间相对运动由联轴节浮动变位进行协调。联轴节浮动变位空间可根据转向架设计的垂向、横向、纵向和侧滚量，以及联轴节结构和刚度计算获得，在联轴节浮动变位空间内不得有零件干涉。

而对于独立轮低地板转向架，其通常在车轴端部设置有接地装置，此时联轴节须做成喇叭形，齿轮箱输出轴为空心结构。这种结构造成输出空心轴直径较大，远大于普通轨道交通齿轮箱，缩短了密封口与齿轮箱箱体底部距离，如图2所示。

图2 联轴节水平状态和浮动变位状态

2.2 润滑油液面

轨道交通齿轮箱多采用非接触式密封，密封口应高于齿轮箱润滑液面，避免润滑油浸泡密封结构造成泄漏。由于低地板车辆距离轨道面高度的限制，齿轮箱底部不能降低，齿轮箱密封口距离油面较近。此外，齿轮箱倾斜状态和离心力会使润滑油向齿轮箱一侧流动，造成局部润滑油液面抬升，在极限情况下润滑油不能漫过密封口。

2.3 涉水行车

100%低地板车辆路况特殊，其轨道高度基本与路面齐平，在路面局部出现积水时，车辆需要涉水运行，如图3所示。对于积水深度，各主机厂提出的要求略有不同，但通常都要求达到积水淹没轨面20～50 mm左右，车辆能够低速运行。

图3 车辆涉水运行示意图

在积水较深时，齿轮箱底部基本被积水浸没，联轴节与车轮也局部浸入积水。车辆运行过程中，联轴节和车轮的旋转会将积水沿圆周方向甩出。涉水运行工况下齿轮箱会经历苛刻的淋水过程，因此要求齿轮箱具有一定的防水性能，避免齿轮箱进水造成润滑油乳化。

3 密封结构设计

基于上述分析，设计了图4所示的密封结构，该密封结构包含小间隙密封、甩油环密封和迷宫密封三部分，以及外部的防水侵入结构。

其中小间隙密封主要作用是阻挡高动能润滑油，同时通过小间隙增大润滑油及油雾的流出阻力。在小间隙密封外侧设置了甩油环密封。甩油环密封的主要作用是通过离心作用将润滑油甩出，阻止润滑油沿输出轴向外浸润和流动。润滑油沿甩油环切向甩出后附着在密封腔腔壁上，沿腔壁向下流动至回油口内。在甩油环外侧设置有迷宫密封结构，进一步增加油雾流出阻力，并防止外部水汽反向进入齿轮箱内。在齿轮箱外侧，设置有导流槽，用于阻挡齿轮箱表面附着的水滴沿重力方向向下流动至迷宫密封口。

4 试验验证

目前国内已经有很多学者采用CFD方法对齿轮箱密封进行了大量研究[2]，但对密封效果仍然需要采用模拟试验验证。倾斜试验、淋喷水试验等试验方法已经成为齿轮箱密封系统是否可靠的验证手段[3]。

4.1 倾斜试验

通过线路的坡度、超高、转向架垂向浮动、侧滚等参数可计算出齿轮箱绕X轴和Y轴的极限倾斜角度。此外对于低地板齿轮箱，还应考虑润滑油在离心力作用下向齿轮箱一侧聚集。

倾斜试验采用空载方式，试验台布置如图5所示，试验模式如表1所示，试验油位设置为高油位，油量4.5 L，倾斜角度为：X轴±5.0°，Y轴±3.5°，每种倾斜角度均按照表1工况正反转连续运行。

试验过程中采用温度传感器采集各轴承温升和润滑油温升曲线，最高温升出现在沿X轴倾斜-5.0°输入轴轴承处，最高温升23.44 ℃，最高油温温升18.12 ℃。每一工况试验后通过显影方式检查齿轮箱各动密封和静密封位置，未见渗油。

图5 坐标定义及试验台布置

4.2 防水试验

将齿轮箱静止放置于平台上，用淋水喷头在齿轮箱上方向齿轮箱淋水，喷水量3 L/min，喷头至齿轮箱表面的距离1 m，每处动密封淋水时间10 min，在淋水完成后拆解检查齿轮箱和润滑油含水量。经拆解检查和润滑油含水量分析，未发现有水进入齿轮箱内部情况。

表1 倾斜试验工况

表2 倾斜试验结果

图6 输入轴承处温升曲线

图7 油温温升曲线

图8 淋水试验

图9 涉水模拟试验

4.3 涉水模拟试验

为模拟车辆涉水行驶，设计了涉水模拟试验，模拟齿轮箱低速通过积水路段。将齿轮箱、联轴节和虚拟车轮安装后放置至水箱内，如图9所示，从低速逐级加速，每种工况运转时间30 min。

在每种工况试验后，从齿轮箱中抽取润滑油进行含水量检测，并拆解密结构外侧零件，观察密封进水情况。润滑油含水量情况如表4所示，齿轮箱含水量未增加，密封零件拆解没有水迹显示，说明该密封结构能够满足中低速通过一定距离的积水路段。

表3 涉水试验工况

表4 涉水试验结果

5 结 论

独立轮100%低地板轻轨车齿轮箱输出端迷宫密封结构对齿轮箱油量、密封性能、防水性能都非常重要，通过采用小间隙密封、甩油环密封和迷宫密封组合方式，在有限的空间内实现密封效果。通过倾斜试验、淋水试验和涉水模拟试验对密封效果进行验证，该密封结构能够有效防止润滑油渗漏并防止外部水汽浸入齿轮箱内。