中國高速動車組齒輪箱的發(fā)展及展望

趙姣

摘要：齒輪箱作為動車組轉向架的重要組成部分，在動車行駛過程中扮演著重要的角色，發(fā)揮著重要的作用。齒輪箱的結構設計和質量標準直接影響動車在行駛過程中的穩(wěn)定性以及安全性。因此，做好高速動車組齒輪箱的結構設計和質量標準具有重要的意義。本文主要以齒輪箱研究的重要性為主，進一步介紹了齒輪箱的結構設計、設計過程中的數字參考。

關鍵詞：高速動車組;齒輪箱;展望

1齒輪箱研究的必要性

齒輪箱動力傳動裝置作為高速動車組重要的組成部分，質量的好壞、結構的設計等方面將直接影響到高速動車組的運行以及行駛過程中的安全性。CRH1、CRH2、CRH3、CRH5系列作為我國引進的重要產品，對高速列車運行具有重要的作用。目前，我國自主研發(fā)的CRH380B、CRH380D系列與國外引進的系列共同對高速動車的安全性和可靠性發(fā)揮著強大的作用，扮演著重要的角色。驅動裝置是高速動車運行的核心部分之一。然而，目前我國高速動車的驅動裝置仍需全部依靠對外進口，其來源商家主要有弗蘭德、福伊特、安捷達、住友等多個知名驅動裝置供應商。目前，高速動車組的齒輪箱主要依靠國外進口，由此一來使我國對國外技術產生了依賴，嚴重影響了我國高速列車組零件組成技術的發(fā)展。除此之外，我國以高額的價格購買齒輪箱，使高速動車組制作的成本上升。

2中國高速動車組齒輪箱的運用特點

中國高速鐵路具有運量大、運用環(huán)境多樣、運用工況復雜等特殊性，對齒輪箱溫度控制、振動控制、密封潤滑可靠性、壽命等提出了更多、更苛刻的要求。中國動車組齒輪箱面臨的問題更加復雜、困難。

運用環(huán)境的復雜性——跨區(qū)域運行

中國高速動車組跨越了高寒、高溫、高濕、多風沙等多氣候條件區(qū)域。齒輪箱既要適應嚴寒，又要適應高溫潮濕，風沙環(huán)境，在這樣條件下運用的齒輪箱世界上絕無僅有。

運用工況的特殊性

（1）長大交路持續(xù)運行。中國高速動車組單程連續(xù)運營距離長，最長達兩千多公里。例如北京至廣州高鐵單程最長2300公里，單程最短運行時間8小時。齒輪箱要有良好的溫控能力，有效的監(jiān)控措施、高可靠性來滿足長大交路持續(xù)運行。（2）運營速度高。中國時速300公里及以上高速鐵路里程世界最長，主要干線高速鐵路均按最高運營速度350km/h設計，復興號動車組在京滬高鐵、京津城際以世界最高運營速度350km/h運行。齒輪箱既要保證在高速運營下密封潤滑可靠、溫度正常，又要解決高速運營下線路沖擊振動大與產品輕量化間的矛盾等因素。（3）線路條件復雜。中國高速鐵路坡道、橋梁、隧道等比例高，主要干線高速鐵路均采用無砟軌道。據統(tǒng)計武廣高鐵全長1068.8公里，橋梁684座，隧道226座;西成高鐵全長658公里，穿越秦嶺山區(qū)地段總長135公里，隧道里程高達127公里，且有46公里25‰的長大坡度。橋隧、線路產生的氣動力和機械振動對齒輪箱零部件磨損、疲勞、密封潤滑等影響顯著。（4）運量大。據統(tǒng)計2017年，平均每天超過400萬名旅客乘坐高鐵出行。高速動車組普遍長時間、長距離、大載荷運行。長期承受高負荷、輪軌間的大沖擊對齒輪箱的強度、壽命、可靠性等提出了更高要求。

檢修維護的特殊性——周期長

為提高動車組利用率，降低動車組運用維護成本，中國對動車組齒輪箱的檢修維護周期提出了更高要求。齒輪箱需滿足長壽命、運用維護便利、全壽命周期成本低等要求。復興號等主型動車組齒輪箱分解檢修周期不短于240萬公里。

3中國高速動車組齒輪箱發(fā)展展望

產品和技術的發(fā)展都有其目的性，如獲得市場訂單，滿足客戶對產品性能、全壽命周期成本、使用方便性的需求，新技術的應用等，高鐵齒輪箱技術后續(xù)將從更高性能提升、健康管理（PHM）、智能化，設計水平和手段提升，結合綠色、環(huán)保、經濟的發(fā)展理念等方向發(fā)展。

對于高速動車組齒輪箱，高速是一個永恒的主題。目前動車組齒輪箱世界最高運營速度為350km/h，要想實現時速400km及以上的運營速度，勢必要改變軸承型式、更精確合理控制潤滑等來提升軸承工作轉速，提高輪齒精度、優(yōu)化修形等提升嚙合平穩(wěn)性，設計剛性更好的材料和結構來提升整體剛性，研究齒輪箱振動響應特性，并從設計源頭降低外部振動載荷對傳動平穩(wěn)性的影響。

另外，針對特定線路、環(huán)境的項目也是今后一個時期的研發(fā)重點，比如說-50℃極高寒，高風沙，高海拔等環(huán)境下，就需要對齒輪箱的潤滑密封，可靠性，以及特定條件的磨損受力件的失效情況著重研究，隨著一帶一路的需求增加，適應自動變軌距轉向架的齒輪箱也是一個研發(fā)方向。

健康管理（PHM）對于齒輪箱來說也是一個必須開展的課題。雖然很多人都在做，但是真正具備條件的就是中國高鐵，因為我們有足夠的樣本，不同齒輪箱、不同里程、不同線路、不同運用環(huán)境，足夠多的在線數據和拆解數據等等。與此同時，隨著各種傳感技術的發(fā)展，將研究在適應目前運用、安裝、列車控制等模式下，采用除溫度外，增加振動、應力應變、油品在線監(jiān)測等手段以得到更有效在線運用信息。大量的在線數據和有效的仿真、試驗結合，將有助于建立更科學準確的健康模型。

未來我們有理由相信齒輪箱將是具備自檢測、自診斷、自決策的智能產品，同時動車組輪對的運維方式也將發(fā)生變革，齒輪箱可以從現在的定期檢修變?yōu)闋顟B(tài)檢修，這有利于延長檢修周期，降低全壽命周期成本。

此外，可靠性設計水平也是重點研究方向。目前，齒輪箱試驗過程包括線路試驗和臺架試驗，線路試驗時間長成本高，且受現場諸多因素限制，不一定與預期設定的要素完全吻合，而臺架試驗目前還有些局限，還不能很好的與現車狀態(tài)吻合。仿真分析同樣有類似的問題。針對高鐵齒輪箱這種特殊運行條件的產品，在取得大量線路數據的同時，還應該研究實驗裝備和試驗方法，如激振試驗臺來研究齒輪箱的振動響應規(guī)律;如軸承、齒輪等零部件試驗臺，來研究主要部件疲勞特性，磨損演變過程和不同階段的表征。

與此同時，對仿真計算模型做進一步優(yōu)化并匹配相關參數，真正做到臺架試驗完全代替線路試驗，甚至通過仿真分析來代替臺架試驗，將大大降低設計周期和成本并提升產品可靠性。

綠色、環(huán)保、經濟的發(fā)展理念同樣是指導技術提升的準則，齒輪箱產品和技術的發(fā)展同樣需要貫穿這些理念，如研究新的齒輪修形，提升精度，采用新的箱體涂層等方式降低噪音，采用更輕的、造價更低的材料替代現有材料，如鎂合金箱體，采用更環(huán)保的涂裝，更環(huán)保鑄造熱處理等工藝技術，如采用金屬型代替砂型鑄造等。

結論

綜上所述，本文通過進一步分析高速動車組齒輪箱的結構設計特點以及材料需求等方面，設計出合理的低壓鑄造藝術。對齒輪箱出現的縮孔、縮松以及針孔等缺陷進行分析與判定，再利用MAGMAsoft軟件等進行模擬處理，深入挖掘這些缺陷性的原因以及改善的措施。我國成功研制的CRH380A、CRH380B、350km/h中國標準動車組齒輪箱對我國高速動車組的發(fā)展產生重要的影響，目前已經實現批量的生產，具有穩(wěn)定的質量。

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（作者單位：中車北京南口機械有限公司）