上海軌道交通2號(hào)線車輛齒輪箱國產(chǎn)化研制和試驗(yàn)

沈 豪 吳 剛

（1.上海軌道交通維護(hù)保障中心車輛公司，200233，上海；2.中國南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，213011，常州∥第一作者，工程師）

齒輪箱是地鐵車輛中將牽引電機(jī)的輸出扭矩傳遞給動(dòng)車輪對(duì)的傳動(dòng)裝置，是地鐵車輛牽引傳動(dòng)裝置中重要的傳動(dòng)部件，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀況直接關(guān)系到車輛的運(yùn)行安全。目前，上海地鐵所有車輛齒輪箱的備件供應(yīng)均采用原裝進(jìn)口或國外技術(shù)國內(nèi)組裝，因此采購及維修的周期較長(zhǎng)，成本較高。為有效降低齒輪箱采購及維修成本，縮短采購周期，上海地鐵聯(lián)合南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司對(duì)上海軌道交通2號(hào)線列車進(jìn)口齒輪箱進(jìn)行國產(chǎn)化開發(fā)和研制。

1 上海軌道交通2號(hào)線現(xiàn)有齒輪箱概況

上海軌道交通2號(hào)線列車于1998年從德國引進(jìn)，其傳動(dòng)裝置采用德國VOITH公司提供的SE16－1型齒輪箱。齒輪箱箱體及箱蓋由球墨鑄鐵制成，采用垂直分箱形式。小齒輪軸采用鉻鎳合金鋼制成。大小齒輪都采用螺旋齒形，由鉻鎳合金鋼制成，齒面淬火。大小齒輪兩側(cè)都采用圓錐滾子軸承。齒輪箱內(nèi)的齒輪采用油浴潤滑，飛濺起來的潤滑油通過集油槽流入軸承，對(duì)軸承進(jìn)行潤滑，最后再流回齒輪箱。

由于該齒輪箱采用垂直分箱形式，給齒輪箱開箱檢查及維修帶來諸多不便，必須進(jìn)行退輪，使工作量陡增，也增加了車軸因維修齒輪箱需要而退輪拉傷及報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)概率，使整個(gè)維修成本大大提高。

2 國產(chǎn)齒輪箱的研制

2.1 國產(chǎn)齒輪箱的基本技術(shù)參數(shù)

1）對(duì)全磨耗輪的齒輪箱下部距軌面的允許最小尺寸為60mm；

2）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 800r／min；

3）電機(jī)額定扭矩為1 008Nm；

4）電機(jī)額定功率為190kW；

5）電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 641r／min；

6）傳動(dòng)型式為鼓型齒聯(lián)軸節(jié)＋單級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)；

7）中心距為355mm；

8）傳動(dòng)比為108／17＝6.35；

9）每套傳動(dòng)裝置質(zhì)量≤340kg。

2.2 國產(chǎn)齒輪箱的設(shè)計(jì)方案

圖1（a）為采用垂直分箱型式的上海軌道交通2號(hào)線進(jìn)口齒輪箱，圖1（b）為采用上下箱體組合型式的國產(chǎn)齒輪箱。

圖1 上海軌道交通2號(hào)線進(jìn)口齒輪箱與國產(chǎn)齒輪箱結(jié)構(gòu)比較

2.2.1 箱體設(shè)計(jì)

箱體型式采用剖分式，上下箱體均采用仿圓形設(shè)計(jì)，既可減少箱體體積，又減小了箱體噪聲的輻射面積、降低了噪聲，同時(shí)也減輕了箱體重，提高了泵油效果，有利于潤滑。

根據(jù)國內(nèi)外齒輪箱箱體材料應(yīng)用情況來看，球墨鑄鐵箱體完全能夠滿足地鐵車輛的使用要求。進(jìn)口齒輪箱箱體一般采用德國標(biāo)準(zhǔn)球墨鑄鐵GGG－40，對(duì)應(yīng)我國標(biāo)準(zhǔn)為球墨鑄鐵QT 400，故國產(chǎn)齒輪箱也采用了相同材料。

按三種工況（額定，起動(dòng)，短路）分別對(duì)箱體進(jìn)行有限元分析，詳見表1、圖2、圖3所示。從表1中可知：三種工況下箱體的最大應(yīng)力都小于球墨鑄鐵QT 400的屈服強(qiáng)度250MPa。故箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全運(yùn)用要求，且箱體變形很小，不會(huì)對(duì)軸承使用壽命造成影響。

表1 國產(chǎn)齒輪箱箱體有限元分析結(jié)果

圖2 額定工況下電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)國產(chǎn)齒輪箱箱體應(yīng)力與位移云圖

2.2.2 齒輪設(shè)計(jì)

齒輪基本參數(shù)如表2所示，選用20CrMnMo作為齒輪的材料，輪齒部分采用滲碳淬火工藝，齒形參數(shù)與原進(jìn)口齒輪箱的齒輪相同。

圖3 額定工況下電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)國產(chǎn)齒輪箱箱體應(yīng)力與位移云圖

表2 牽引齒輪基本參數(shù)表

按起動(dòng)、額定、高速三種工況進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，分別計(jì)算齒輪在承受起動(dòng)扭矩、常規(guī)運(yùn)行工況和承受沖擊載荷時(shí)的疲勞強(qiáng)度。齒輪承載能力校核按GB 3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》進(jìn)行。

由表3和表4數(shù)據(jù)可知，齒輪在各工況的接觸安全系數(shù)SH都達(dá)到一般可靠度甚至超過較高可靠度的SH，min，故齒輪的接觸強(qiáng)度是足夠的。而齒輪在各工況下的彎曲安全系數(shù)SF都達(dá)到一般可靠度甚至超過較高可靠度的SF，min，可見輪齒的彎曲強(qiáng)度也是足夠的。

表3 GB3480—1997推薦的最小安全系數(shù)

表4 齒輪承載能力計(jì)算

2.2.3 軸承選用

本齒輪箱選用國外進(jìn)口的圓錐滾子軸承，主動(dòng)齒輪兩端的小軸承采用2號(hào)線原齒輪箱相同型號(hào)與品 牌 （TIMKEN663／653），安 裝 尺 寸 為 φ82.55 mm×φ146.05mm×41.275mm（軸承內(nèi)徑×軸承外徑×軸承寬度）。由于新設(shè)計(jì)齒輪箱所安裝的車軸尺寸增大，故從動(dòng)齒輪兩端選用的大軸承型號(hào)為FAG573160，不同于2號(hào)線原齒輪箱，其安裝尺寸為φ210mm×φ285mm×41mm。齒輪箱上的圓錐滾子軸承采用面對(duì)面的安裝方式，從而使得拆卸軸承和調(diào)整軸向游隙較為方便。選用的大小軸承的計(jì)算壽命均超過了120萬km，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 潤滑和密封系統(tǒng)

考慮到上海軌道交通2號(hào)線齒輪箱的使用及維護(hù)要求，齒輪箱潤滑油采用與原齒輪箱相同，牌號(hào)為SHELL Spirax A90。齒輪箱密封系統(tǒng)采用接觸式密封和非接觸式密封。在軸承座與箱體之間的密封均采用“O”形圈與樂泰587密封膠聯(lián)合密封。磁性油堵和注油螺塞處則采用組合密封墊圈密封。對(duì)于齒輪箱中貫通部位的密封，均采用非接觸式密封，即貫通部位的密封為間隙密封和帶有甩油環(huán)的機(jī)械式迷宮密封的聯(lián)合密封方式。

2.3 齒輪箱的試制

2.3.1 箱體的試制

箱體鑄造采用多道內(nèi)澆口分散進(jìn)鐵，防止箱體背面型砂局部過熱，保證進(jìn)鐵的箱體背面不會(huì)形成表面縮凹缺陷。鑄件厚壁部位，使用了發(fā)熱冒口和冷鐵并用的方式，在合箱面上貼冷鐵，最大限度利用發(fā)熱冒口的補(bǔ)縮鐵液，防止合箱面縮松缺陷。由于箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，增加了砂心的數(shù)量，以保證鑄件尺寸和外觀合格。箱體鑄造后進(jìn)行拋丸、打磨、磁粉探傷、射線探傷，并取樣進(jìn)行各項(xiàng)理化性能分析。分析結(jié)果均符合技術(shù)要求。

2.3.2 齒輪的試制

對(duì)主動(dòng)齒輪按如下工藝進(jìn)行加工：備料—鍛造—正火—粗車—超聲波探傷—半精車—滾齒—齒廓倒角—滲碳、淬火—噴丸—車端面、打中心孔—打鋼印—精車—?jiǎng)澗€—鉆孔—粗磨—磨齒—磁探—精磨—檢查驗(yàn)收—清洗包裝。

對(duì)從動(dòng)齒輪按如下工藝進(jìn)行加工：備料—鍛造—正火—半精車—超聲波探傷—滾齒—倒角、打鋼印—滲碳—?jiǎng)澗€—鉆孔—?jiǎng)兲肌慊稹獓娡琛嚒獎(jiǎng)澗€二—鉆油孔—精車油槽—磨內(nèi)孔及平面—磨齒—磁粉探傷—檢查驗(yàn)收—清洗包裝。

2.3.3 齒輪箱稱重檢查

對(duì)組裝后齒輪箱進(jìn)行了稱重，齒輪箱質(zhì)量（包括從動(dòng)齒輪，不含聯(lián)軸節(jié)、吊桿及車軸質(zhì)量）約306kg。

3 國產(chǎn)齒輪箱的試驗(yàn)

國產(chǎn)齒輪箱樣品研制后，為驗(yàn)證其性能是否滿足地鐵列車使用的要求，進(jìn)行了空載跑合試驗(yàn)、型式試驗(yàn)及裝車考核試驗(yàn)。

3.1 空載跑合試驗(yàn)

齒輪箱的空載跑合試驗(yàn)按照?qǐng)D4所示的跑合試驗(yàn)曲線要求的轉(zhuǎn)速及時(shí)間進(jìn)行。齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖見圖5所示。

圖4 跑合試驗(yàn)曲線

圖5 齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖

齒輪箱在跑合過程中，各密封處未出現(xiàn)潤滑油泄漏，齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)聲音正常。齒輪箱的跑合試驗(yàn)時(shí)間為1h，期間齒輪箱各處溫升正常，并未超過試驗(yàn)大綱要求的最高溫度90℃。旋開磁性油堵，發(fā)現(xiàn)油堵上吸附有泥狀鐵屑，沒有出現(xiàn)大顆粒鐵屑，說明齒輪箱各零部件處于正常的磨合期。

3.2 型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)按表5的參數(shù)進(jìn)行。每次加載試驗(yàn)正反向各一次，試驗(yàn)時(shí)間為6h。試驗(yàn)過程中用風(fēng)機(jī)對(duì)齒輪箱以10m／s的風(fēng)速進(jìn)行了冷卻。

表5 型式試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

齒輪箱在整個(gè)型式試驗(yàn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，無異常噪聲及振動(dòng)；齒輪箱溫升正常，各處最高溫升未超過60℃，最高溫度未超過110℃；齒輪箱密封性能良好，在運(yùn)行過程中，各密封處未出現(xiàn)泄漏情況，能夠滿足地鐵車輛的使用要求。齒輪箱型式試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖見圖6所示。

圖6 齒輪箱型式試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖

3.3 裝車考核試驗(yàn)

齒輪箱經(jīng)過型式試驗(yàn)后，即開始裝車試運(yùn)行。裝車考核期間，在上海軌道交通2號(hào)線列車上安裝了2臺(tái)國產(chǎn)齒輪箱。裝車試運(yùn)行期為3萬km。在裝車試運(yùn)行期內(nèi)，在大小齒輪軸承處的箱體上貼了溫度試紙。每天檢查溫度試紙上的溫度及齒輪箱是否有滲油現(xiàn)象，同時(shí)將國產(chǎn)齒輪箱與進(jìn)口齒輪箱的溫度進(jìn)行對(duì)比。

經(jīng)過3萬km的運(yùn)行考核后，2臺(tái)國產(chǎn)齒輪箱均未發(fā)生滲油，大小齒輪軸承處的溫度未超過70℃，與進(jìn)口齒輪箱溫度對(duì)比均在5℃之內(nèi)。裝車后的國產(chǎn)齒輪箱見圖7。

圖7 裝車后的國產(chǎn)齒輪箱

4 結(jié)語

經(jīng)過各項(xiàng)試驗(yàn)后表明，上海軌道交通2號(hào)線車輛國產(chǎn)齒輪箱密封可靠、潤滑性能良好、運(yùn)行平穩(wěn)、總體性能良好，滿足了上海軌道交通2號(hào)線地鐵車輛的運(yùn)行要求。也有效降低了車輛維護(hù)成本，縮短了同類備件的采購周期。

［1］吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第3卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］GB 3480—1997漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法［S］.