100%低地板輕軌車輛齒輪箱輸出軸密封設(shè)計及試驗(yàn)驗(yàn)證

侯建文, 張會杰

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2.重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司，重慶401122）

0 引 言

100%低地板輕軌車輛由于受地板高度的限制，傳動系統(tǒng)通常都布置在構(gòu)架兩側(cè)，多采用架懸方式[1]。由于齒輪箱置于車輪外側(cè)，安裝空間受到車輪和裙板的嚴(yán)格限制，且齒輪箱結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，迷宮密封的設(shè)計成為齒輪箱中的難點(diǎn)，文中介紹了一種獨(dú)立輪100%低地板齒輪箱輸出端密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 齒輪箱輸出軸結(jié)構(gòu)

對于獨(dú)立輪結(jié)構(gòu)的低地板轉(zhuǎn)向架，通常采用橡膠柔性聯(lián)軸節(jié)連接齒輪箱輸出軸和車輪，橡膠柔性聯(lián)軸節(jié)左、右兩組橡膠盤分布在齒輪箱兩側(cè)，此外在車軸端部設(shè)置有接地裝置。在有限空間內(nèi)沿車軸軸向上安裝了齒輪箱側(cè)半聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、車輪側(cè)半聯(lián)軸節(jié)、接地裝置和車輪，結(jié)構(gòu)非常緊湊，如圖1所示。

圖1 100%低地板齒輪箱安裝位置及輸出軸結(jié)構(gòu)

2 輸出軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計影響因素

2.1 徑向尺寸

由于低地板齒輪箱采用架懸安裝方式，轉(zhuǎn)向架與車軸之間位置不固定，兩者之間相對運(yùn)動由聯(lián)軸節(jié)浮動變位進(jìn)行協(xié)調(diào)。聯(lián)軸節(jié)浮動變位空間可根據(jù)轉(zhuǎn)向架設(shè)計的垂向、橫向、縱向和側(cè)滾量，以及聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)和剛度計算獲得，在聯(lián)軸節(jié)浮動變位空間內(nèi)不得有零件干涉。

而對于獨(dú)立輪低地板轉(zhuǎn)向架，其通常在車軸端部設(shè)置有接地裝置，此時聯(lián)軸節(jié)須做成喇叭形，齒輪箱輸出軸為空心結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)造成輸出空心軸直徑較大，遠(yuǎn)大于普通軌道交通齒輪箱，縮短了密封口與齒輪箱箱體底部距離，如圖2所示。

圖2 聯(lián)軸節(jié)水平狀態(tài)和浮動變位狀態(tài)

2.2 潤滑油液面

軌道交通齒輪箱多采用非接觸式密封，密封口應(yīng)高于齒輪箱潤滑液面，避免潤滑油浸泡密封結(jié)構(gòu)造成泄漏。由于低地板車輛距離軌道面高度的限制，齒輪箱底部不能降低，齒輪箱密封口距離油面較近。此外，齒輪箱傾斜狀態(tài)和離心力會使?jié)櫥拖螨X輪箱一側(cè)流動，造成局部潤滑油液面抬升，在極限情況下潤滑油不能漫過密封口。

2.3 涉水行車

100%低地板車輛路況特殊，其軌道高度基本與路面齊平，在路面局部出現(xiàn)積水時，車輛需要涉水運(yùn)行，如圖3所示。對于積水深度，各主機(jī)廠提出的要求略有不同，但通常都要求達(dá)到積水淹沒軌面20～50 mm左右，車輛能夠低速運(yùn)行。

圖3 車輛涉水運(yùn)行示意圖

在積水較深時，齒輪箱底部基本被積水浸沒，聯(lián)軸節(jié)與車輪也局部浸入積水。車輛運(yùn)行過程中，聯(lián)軸節(jié)和車輪的旋轉(zhuǎn)會將積水沿圓周方向甩出。涉水運(yùn)行工況下齒輪箱會經(jīng)歷苛刻的淋水過程，因此要求齒輪箱具有一定的防水性能，避免齒輪箱進(jìn)水造成潤滑油乳化。

3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述分析，設(shè)計了圖4所示的密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)包含小間隙密封、甩油環(huán)密封和迷宮密封三部分，以及外部的防水侵入結(jié)構(gòu)。

其中小間隙密封主要作用是阻擋高動能潤滑油，同時通過小間隙增大潤滑油及油霧的流出阻力。在小間隙密封外側(cè)設(shè)置了甩油環(huán)密封。甩油環(huán)密封的主要作用是通過離心作用將潤滑油甩出，阻止?jié)櫥脱剌敵鲚S向外浸潤和流動。潤滑油沿甩油環(huán)切向甩出后附著在密封腔腔壁上，沿腔壁向下流動至回油口內(nèi)。在甩油環(huán)外側(cè)設(shè)置有迷宮密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加油霧流出阻力，并防止外部水汽反向進(jìn)入齒輪箱內(nèi)。在齒輪箱外側(cè)，設(shè)置有導(dǎo)流槽，用于阻擋齒輪箱表面附著的水滴沿重力方向向下流動至迷宮密封口。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

目前國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者采用CFD方法對齒輪箱密封進(jìn)行了大量研究[2]，但對密封效果仍然需要采用模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。傾斜試驗(yàn)、淋噴水試驗(yàn)等試驗(yàn)方法已經(jīng)成為齒輪箱密封系統(tǒng)是否可靠的驗(yàn)證手段[3]。

4.1 傾斜試驗(yàn)

通過線路的坡度、超高、轉(zhuǎn)向架垂向浮動、側(cè)滾等參數(shù)可計算出齒輪箱繞X軸和Y軸的極限傾斜角度。此外對于低地板齒輪箱，還應(yīng)考慮潤滑油在離心力作用下向齒輪箱一側(cè)聚集。

傾斜試驗(yàn)采用空載方式，試驗(yàn)臺布置如圖5所示，試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺绫?所示，試驗(yàn)油位設(shè)置為高油位，油量4.5 L，傾斜角度為：X軸±5.0°，Y軸±3.5°，每種傾斜角度均按照表1工況正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行。

試驗(yàn)過程中采用溫度傳感器采集各軸承溫升和潤滑油溫升曲線，最高溫升出現(xiàn)在沿X軸傾斜-5.0°輸入軸軸承處，最高溫升23.44 ℃，最高油溫溫升18.12 ℃。每一工況試驗(yàn)后通過顯影方式檢查齒輪箱各動密封和靜密封位置，未見滲油。

圖5 坐標(biāo)定義及試驗(yàn)臺布置

4.2 防水試驗(yàn)

將齒輪箱靜止放置于平臺上，用淋水噴頭在齒輪箱上方向齒輪箱淋水，噴水量3 L/min，噴頭至齒輪箱表面的距離1 m，每處動密封淋水時間10 min，在淋水完成后拆解檢查齒輪箱和潤滑油含水量。經(jīng)拆解檢查和潤滑油含水量分析，未發(fā)現(xiàn)有水進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部情況。

表1 傾斜試驗(yàn)工況

表2 傾斜試驗(yàn)結(jié)果

圖6 輸入軸承處溫升曲線

圖7 油溫溫升曲線

圖8 淋水試驗(yàn)

圖9 涉水模擬試驗(yàn)

4.3 涉水模擬試驗(yàn)

為模擬車輛涉水行駛，設(shè)計了涉水模擬試驗(yàn)，模擬齒輪箱低速通過積水路段。將齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和虛擬車輪安裝后放置至水箱內(nèi)，如圖9所示，從低速逐級加速，每種工況運(yùn)轉(zhuǎn)時間30 min。

在每種工況試驗(yàn)后，從齒輪箱中抽取潤滑油進(jìn)行含水量檢測，并拆解密結(jié)構(gòu)外側(cè)零件，觀察密封進(jìn)水情況。潤滑油含水量情況如表4所示，齒輪箱含水量未增加，密封零件拆解沒有水跡顯示，說明該密封結(jié)構(gòu)能夠滿足中低速通過一定距離的積水路段。

表3 涉水試驗(yàn)工況

表4 涉水試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

獨(dú)立輪100%低地板輕軌車齒輪箱輸出端迷宮密封結(jié)構(gòu)對齒輪箱油量、密封性能、防水性能都非常重要，通過采用小間隙密封、甩油環(huán)密封和迷宮密封組合方式，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)密封效果。通過傾斜試驗(yàn)、淋水試驗(yàn)和涉水模擬試驗(yàn)對密封效果進(jìn)行驗(yàn)證，該密封結(jié)構(gòu)能夠有效防止?jié)櫥蜐B漏并防止外部水汽浸入齒輪箱內(nèi)。