城铁列车转向架齿轮箱轴承故障分析及改进

刘海涛，舒友,薛世海,刘志远,沈洪娟

(中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062)

齿轮箱轴承是城铁列车转向架的重要部件，其性能将直接影响列车的安全运行。某列车检车时发现齿轮箱中多套轴承发生故障，现对轴承故障原因进行分析。

1 故障特征

某列车齿轮箱采用分体式箱体(图1)，齿轮箱润滑油采用美孚合成齿轮油75W-90(Mobil Synthetic Gear Oil 75W-90)，输入端及输出端均安装33115/Q圆锥滚子轴承。列车在冬季低温(-30 ℃以下)、车辆最高转速80 km/h工况下运行11×104km时输出轴电动机侧有渗油现象，对该项目齿轮箱进行普查，多套齿轮箱油发黑，拆解齿轮箱及故障轴承发现轴承保持架断裂，如图2所示。故障轴承主要结构参数为：内径75 mm，外径125 mm，宽度37 mm，滚子直径13.1 mm，滚子数量23，滚子组节圆直径99.949 mm。保持架材料为Q235B，滚子和内外圈材料为GCr15。美孚合成齿轮油75W-90在-30 ℃以上流动性较好，建议使用温度不低于-30 ℃。

图1 齿轮箱结构图Fig.1 Structure diagram of gearbox

图2 33115/Q轴承保持架断裂示意图Fig.2 Fracture diagram of 33115/Q bearing cage

2 故障原因分析

观察断裂保持架发现保持架窗孔小端比大端磨损严重，保持架断裂起点位于保持架窗孔小端横梁圆角处，经电镜扫描(图3)发现断口呈疲劳形貌，主要原因为轴承存在异常运转，导致保持架横梁受滚子挤压，横梁与端面框体连接处产生裂纹，最终导致保持架开裂。

图3 保持架窗孔横梁小端断裂电镜扫描Fig.3 Scanning electron microscopy of fracture of small end of beam of cage window

分析轴承异常运转导致保持架断裂的原因可能与游隙、润滑及线路载荷等因素有关。

2.1 游隙

以往类似项目中轴承轴向游隙为0.12～0.16 mm，但该列车轴承游隙为0.20～0.25 mm，游隙较大。当冲击或速度变化时，齿轮轴会产生较大的轴向窜动，从而冲击轴承，造成轴承异常运转，最终导致保持架断裂[1]。

2.2 润滑油

在低温环境下运行，润滑油黏度会升高，润滑油流动性变差而导致润滑油飞溅，供油量不足，齿轮箱热量不能及时被带走，温升过高，轴承运转异常，进而造成保持架断裂[2]。模拟齿轮箱实际工况，将该齿轮箱分别在-25，-35 ℃工况下进行试验，发现在-35 ℃时温升较高，拆解发现轴承保持架断裂。

2.3 线路振动加速度

参考文献[3-4]检测齿轮箱实际振动，如图4所示，输入轴电动机侧轴承的振动加速度峰值远高于IEC 61373：2010 Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests的要求10g(g取10 m/s2)。基于有限元软件分析得到保持架等效应力最大值为250 MPa，高于材料Q235B的屈服强度(235 MPa)[5]。

图4 输入轴振动加速度Fig.4 Vibration acceleration of input shaft

3 改进措施

1)将轴承轴向游隙调整为0.12～0.16 mm。

2)选取在低温环境下(-30 ℃以下)仍具有较好流动性的美孚齿轮箱油75W-80(Mobil Delvac 1 Gear Oil 75W-90)[2]。

3)选用加强型轴承33115/VG237，轴承结构参数不变，保持架材料改为S355MC(屈服强度355 MPa，疲劳强度230 MPa)。基于有限元分析得到保持架等效应力最大值为150 MPa，满足要求。

4 试验验证

搭建试验台模拟实际运行工况，对改进后的轴承进行试验验证，满功率250 kW加载，试验原理如图5所示，分别进行低温启动和低温低速试验。

图5 试验原理图Fig.5 Principle diagram of test

低温启动试验：设置试验温度为-35 ℃,按车辆设计的启动加速度加速至最高转速持续运转60 min(图6)。试验过程中齿轮箱各位置温度变化曲线如图7所示。

图6 启动阶段速度变化Fig.6 Speed change during startup

图7 低温启动试验时齿轮箱各位置温度变化曲线Fig.7 Temperature change curve of each position of gearbox during low temperature startup test

因齿轮箱轴承润滑方式为飞溅润滑，速度越高，润滑越好。在低速工况下，存在润滑不充分的可能性，需进行低温低速试验：试验温度为-35 ℃，以车速5 km/h低速运行15 min。试验过程中齿轮箱各位置温度变化曲线如图8所示。

图8 低温低速试验时齿轮箱各位置温度变化曲线Fig.8 Temperature change curve of each position of gearbox during low temperature and low speed test

由图7和图8可知:齿轮箱各轴承最高温度为-10.2 ℃，最大温升速率为9.1 ℃/min，满足TB/T 3134—2013《动车组用驱动齿轮箱》中要求的轴承最高温度120 ℃和最大温升速率15 ℃/min要求，且齿轮箱无渗油，低温下运转正常。

试验结束后拆解齿轮箱轴承(图9)，无异常。将新结构齿轮箱装车考核，最长运行100×104km，无异常。

图9 试验后拆解的33115/VG237轴承Fig.9 Disassembled 33115/VG237 bearing after test

5 结束语

对某列车齿轮箱轴承故障的原因进行分析，并提出相应的改进措施，搭建试验台对改进后的轴承进行试验验证，无异常。将改进后轴承装车考核，运行100×104km，无异常，说明了改进方案的可行性。此外，后续有待进一步开展齿轮箱油量对轴承温升的影响研究。