軌道交通車輛齒輪箱常見(jiàn)失效模式分析及對(duì)策

徐佳寧

(上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 201100)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，軌道交通以便捷、安全、準(zhǔn)時(shí)的特性，逐漸成為人們首選的出行方式。齒輪箱是軌道交通車輛的關(guān)鍵零部件，其可靠性對(duì)車輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。隨著車輛運(yùn)行里程不斷增加，越來(lái)越多的齒輪箱出現(xiàn)了齒輪及軸承損壞等常見(jiàn)的失效模式。因此，有必要結(jié)合常見(jiàn)的齒輪箱失效模式，重點(diǎn)分析齒輪及軸承失效模式及原因，并針對(duì)性地給出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，從而進(jìn)一步降低齒輪箱的失效率。

1 齒輪箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及失效概率分析

軌道交通車輛齒輪箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要根據(jù)車輛的運(yùn)行速度和承載能力的需要來(lái)進(jìn)行選擇，其結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足轉(zhuǎn)向架空間和結(jié)構(gòu)的需要，強(qiáng)度應(yīng)滿足電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速及扭矩的特性需要[1]。從目前軌道交通車輛所選用的齒輪箱結(jié)構(gòu)來(lái)看，其傳動(dòng)系統(tǒng)目前常用的方案是二級(jí)平行軸斜齒輪的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 二級(jí)傳動(dòng)軌道交通齒輪箱剖面圖

在運(yùn)行過(guò)程中，齒輪箱須承受牽引電機(jī)傳遞的扭矩及運(yùn)行過(guò)程中的線路振動(dòng)沖擊，是車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中故障率較高的零部件之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱內(nèi)齒輪的失效百分比為57%，軸承的失效百分比為20%，傳動(dòng)軸的失效百分比為10%，箱體的失效百分比為5%，緊固件的失效百分比為4%，密封件的失效百分比為4%。

2 齒輪箱典型失效模式、原因及對(duì)策

2.1 齒面膠合產(chǎn)生的原因及對(duì)策

齒面膠合一般發(fā)生在齒輪箱高速重載的情況下，齒面嚙合區(qū)產(chǎn)生了相對(duì)滑動(dòng)，從而導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜破裂，在摩擦力和壓力的雙重作用下導(dǎo)致齒面溫度快速升高，使得金屬表面直接接觸并互相黏連，而后在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，齒面金屬發(fā)生局部熔焊黏著和材料轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。

根據(jù)以上對(duì)齒面膠合產(chǎn)生過(guò)程的描述，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致齒面膠合失效的直接原因有載荷的大小、嚙合過(guò)程中齒面的相對(duì)滑動(dòng)速度、嚙合過(guò)程中的潤(rùn)滑狀態(tài)、齒面粗糙度、潤(rùn)滑油黏度、齒輪的幾何參數(shù)等。下文從以下兩個(gè)主要影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析論證。

2.1.1提高潤(rùn)滑油性能

如果潤(rùn)滑油膜能將兩個(gè)接觸的齒面分隔開，齒面膠合現(xiàn)象便不會(huì)產(chǎn)生，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者將潤(rùn)滑油膜作為防止齒面膠合現(xiàn)象的重要研究方向。查閱了近年來(lái)關(guān)于齒面膠合的研究資料，通常情況下，以潤(rùn)滑油膜厚度作為判斷齒面膠合能否發(fā)生的直接判斷條件[2]，其公式為：

λ=h/s≤λc

(1)

式中：λc為最小油膜厚度條件；s為輪齒表面粗糙度；h為油膜厚度；λ為實(shí)際油膜厚度條件。

當(dāng)實(shí)際油膜厚度條件不能滿足嚙合所需的最小油膜厚度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生齒面膠合失效。因此，根據(jù)齒輪箱載荷工況等外部條件，選擇黏度較大的潤(rùn)滑油，或者通過(guò)提高極壓添加劑的含量，來(lái)增強(qiáng)油膜的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而降低膠合失效情況的發(fā)生。

2.1.2提高齒面硬度

可以通過(guò)提高齒面硬度，降低齒面粗糙度等方式，增強(qiáng)齒面的耐磨性，減小齒面接觸應(yīng)力，能夠最大程度地避免齒面金屬剝落等原因?qū)е碌哪z合現(xiàn)象的發(fā)生。齒面膠合強(qiáng)度條件[3]公式為：

Sint=θsint/θint≥SBmin

(2)

式中：SBmin為最小安全系數(shù)；Sint為計(jì)算安全系數(shù)；θsint為臨界膠合溫度；θint為齒面溫度均值。

所以，提高齒輪本體的齒面強(qiáng)度，降低齒面粗糙度，也是避免齒輪膠合失效的重要措施。

2.2 斷齒產(chǎn)生的原因和對(duì)策

斷齒是軌道交通齒輪箱最常見(jiàn)，也是最嚴(yán)重的失效形式，通常會(huì)導(dǎo)致齒輪箱振動(dòng)和噪音異常。一般分為疲勞斷裂和過(guò)載斷裂兩種情況，通常發(fā)生在齒根部位。

2.2.1疲勞斷裂

疲勞斷裂發(fā)生的根本原因通常是齒輪在較高的循環(huán)應(yīng)力作用下，從齒輪部位的疲勞源起始位置不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致齒輪還沒(méi)有斷裂的橫截面上的受力超過(guò)其能夠承受的最大載荷，最終輪齒瞬時(shí)斷裂。通常是因?yàn)閷?duì)齒輪箱載荷估計(jì)不足，齒輪熱處理裂紋導(dǎo)致了齒根局部應(yīng)力集中。所以在齒輪箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)載荷譜計(jì)算正確的齒輪箱額定載荷，并根據(jù)設(shè)計(jì)壽命確定合理的安全系數(shù)，同時(shí)還需要選擇適當(dāng)?shù)凝X輪材料和加工精度，可以通過(guò)齒根噴丸強(qiáng)化等形式提高齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。

2.2.2過(guò)載斷裂

過(guò)載斷裂一般是由于作用在齒輪上的應(yīng)力超過(guò)了齒輪所能承受的極限載荷，常見(jiàn)原因有超載、軸承損壞、異物進(jìn)入嚙合區(qū)等原因。因此，在齒輪箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須留有一定的安全余量，預(yù)防過(guò)載問(wèn)題的發(fā)生，同時(shí)，提高齒輪箱的密封效果，防止外部硬物進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部。

2.3 齒面點(diǎn)蝕產(chǎn)生的原因和對(duì)策

齒面點(diǎn)蝕也是軌道交通車輛齒輪箱常見(jiàn)的失效形式之一，其產(chǎn)生原因是因?yàn)閮蓢Ш淆X面之間產(chǎn)生的交變應(yīng)力超過(guò)了齒輪材料的接觸疲勞極限，一段時(shí)間后，齒輪表面就會(huì)出現(xiàn)微裂紋，隨著微裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，齒面產(chǎn)生了許多嚴(yán)重程度不同的麻點(diǎn)，一般發(fā)生在靠近節(jié)圓的齒根表面。

產(chǎn)生早期齒面點(diǎn)蝕主要是由于加工誤差過(guò)大和裝配精度低導(dǎo)致齒輪接觸面積減小，局部應(yīng)力超過(guò)材料本身的許用接觸應(yīng)力，可以通過(guò)提高齒輪箱箱體齒輪嚙合的中心線平行度來(lái)緩解齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

在齒輪嚙合過(guò)程中，齒輪軸會(huì)產(chǎn)生一定的撓性變形，導(dǎo)致齒面接觸面積不能完全達(dá)到理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)，因此在齒輪箱設(shè)計(jì)階段和試驗(yàn)驗(yàn)證階段，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證等方法來(lái)增加齒輪的嚙合接觸面積，這種方法也能夠有效提高齒面的疲勞壽命，從而提高齒輪箱的使用壽命。

2.4 軸承失效的原因和對(duì)策

滾動(dòng)軸承作為軌道交通齒輪箱中高速旋轉(zhuǎn)的零部件，其尺寸受到齒輪箱結(jié)構(gòu)等諸多因素的限制[4]。其常見(jiàn)失效模式主要有疲勞點(diǎn)蝕、塑性變形以及磨損。疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承失效的主要形式，由于受循環(huán)應(yīng)力影響，軸承外表面內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，然后在應(yīng)力集中的部位會(huì)形成微小裂紋，最終發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕；而塑性變形主要是因?yàn)闈L動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速較低時(shí)，滾子和內(nèi)外圈之間產(chǎn)生了較大的靜載荷，導(dǎo)致滾子或軸承內(nèi)外圈局部產(chǎn)生塑性變形，形成不均勻的凹坑；滾動(dòng)軸承的磨損通常是由于使用操作、維護(hù)保養(yǎng)，或者潤(rùn)滑不良等原因引起的。

通過(guò)對(duì)以上3種常見(jiàn)的軸承失效模式進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)、加工、裝配、使用過(guò)程中均可以采取有針對(duì)性的保護(hù)措施，來(lái)減少軸承失效情況的產(chǎn)生。例如，確保軸承座的尺寸在軸承供應(yīng)商推薦的尺寸范圍內(nèi)；采取三坐標(biāo)檢查等方法，確保同一根軸兩端的軸承座同軸度在規(guī)定的范圍內(nèi)；通過(guò)有限元分析計(jì)算確保軸的撓度變形在合理范圍內(nèi)；確保齒輪箱密封性能良好，在使用過(guò)程中，能夠盡量避免水或者其他腐蝕性物質(zhì)侵入齒輪箱內(nèi)部；確保齒輪箱軸承潤(rùn)滑充分，能夠及時(shí)帶走軸承的熱量，確保齒輪箱回油孔排油順暢，能夠及時(shí)帶走軸承磨損微粒。

2.5 其他形式失效的原因和對(duì)策

在走訪用戶現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中，軌道交通齒輪箱還經(jīng)常出現(xiàn)潤(rùn)滑油失效的情況，一般可以通過(guò)潤(rùn)滑油的顏色判斷失效原因，例如，潤(rùn)滑油變白，則說(shuō)明潤(rùn)滑油出現(xiàn)了乳化失效，意味著有水進(jìn)入了齒輪箱，這種情況一般出現(xiàn)在車輛遇到積水很深的軌道時(shí)；潤(rùn)滑油變黑時(shí)，應(yīng)通過(guò)齒輪箱上的磁性螺堵吸附的金屬顆粒來(lái)判斷造成潤(rùn)滑油發(fā)黑的原因，通常是由于裝配過(guò)程零件清潔度沒(méi)有達(dá)到要求，齒輪箱內(nèi)部產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，這種情況下，應(yīng)該加強(qiáng)換油后的跟蹤檢查。

傳動(dòng)軸受到?jīng)_擊載荷后會(huì)增加齒輪傳動(dòng)誤差，也有可能導(dǎo)致軸承工作狀況的惡化，嚴(yán)重情況下，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸折斷。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該嚴(yán)格按照DIN 743等標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算傳動(dòng)軸的強(qiáng)度，并通過(guò)仿真分析等方法進(jìn)行校核確認(rèn)。

螺栓斷裂情況在軌道交通車輛齒輪箱中較為少見(jiàn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要注意螺栓材料的選擇，對(duì)螺栓進(jìn)行磁粉探傷，按照標(biāo)準(zhǔn)力矩緊固等即可。如果出現(xiàn)螺栓斷裂失效的情況，應(yīng)當(dāng)首先分析螺栓本身的質(zhì)量問(wèn)題，然后再?gòu)脑O(shè)計(jì)或者運(yùn)行角度進(jìn)行分析。

3 結(jié)論

綜上所述，導(dǎo)致軌道交通齒輪箱失效的因素有很多，通過(guò)對(duì)軌道交通車輛齒輪箱常見(jiàn)的失效模式進(jìn)行總結(jié)及分析，結(jié)合多年的齒輪箱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了諸多齒輪箱設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)，有助于設(shè)計(jì)人員提高齒輪箱的設(shè)計(jì)水平；同時(shí)，還能夠幫助售后服務(wù)人員快速準(zhǔn)確地判斷失效的原因，迅速解決問(wèn)題。