地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱失效型式分析

吳四二

（合肥市軌道交通集團有限公司，安徽合肥 230001）

1 轉(zhuǎn)向架齒輪箱概述

1.1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

平行軸式結(jié)構(gòu)是地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱最典型的傳動結(jié)構(gòu)，主要分為上下殼體、輸入齒輪軸、輸出大齒輪等幾個部分。大齒輪熱套或冷壓至車軸，輸入齒輪軸通過小軸承支撐安裝在箱體內(nèi)，齒輪箱箱體通過大軸承支撐安裝在車軸上。齒輪箱采用架懸式安裝，通過吊桿的一端連接至吊桿連接座，吊桿的另一端與構(gòu)架相連。齒輪箱多采用靜、動密封相結(jié)合的密封方式，在輸入及輸出貫通部位采用非接觸迷宮式密封，如圖1 所示。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 齒輪箱工作特性

齒輪箱在地鐵車輛的使用過程中起到降速增扭的作用，其典型的工況特點為頻繁啟停，加速和減速時間短，速度快。按目前地鐵修制，日常只做目視檢測，齒輪箱的拆箱檢查只有在集中的大修期才會進行，因此齒輪、軸承必須具有高可靠度。為保證齒輪、軸承有較長的壽命，合適的潤滑是必要保障。

齒輪箱潤滑主要采用內(nèi)部油液飛濺的方式，輸出大齒輪旋轉(zhuǎn)時將潤滑油攪起并飛濺至箱體壁，箱體內(nèi)壁設(shè)置的擋油板和集油槽起到導(dǎo)油和集油的作用。潤滑油通過箱體油道流至潤滑點對軸承進行潤滑。潤滑性能的好壞主要取決于工作油膜形成的難易程度和有效性，這是齒輪箱是否能夠保證設(shè)計壽命的關(guān)鍵因素。

1.3 齒輪箱失效影響系數(shù)

根據(jù)齒輪箱零部件重要程度及其在齒輪箱系統(tǒng)中的不同表現(xiàn)，通過失效影響系數(shù)對齒輪箱進行失效影響分析，如表1 所示。

表1 齒輪箱主要零部件失效影響分析表

2 轉(zhuǎn)向架齒輪箱失效型式與分析

在齒輪箱的各種失效型式中，齒輪和軸承這2 個最關(guān)鍵傳動部件關(guān)注度最高，直接關(guān)系到齒輪箱的正常運行和行車安全，日常維護的主要手段是通過目視和油標(biāo)視孔窗觀察潤滑油狀態(tài)，對齒輪箱工作狀態(tài)進行粗略判斷。因此，本文主要對齒輪箱的傳動齒輪、軸承、密封及潤滑油失效型式進行分析和討論。

2.1 齒輪箱齒輪失效

齒輪是地鐵齒輪箱中的核心部件，直接影響到動力傳遞平穩(wěn)性、齒輪箱噪聲，齒輪的承載能力也決定了齒輪箱的使用壽命。齒輪采用圓柱斜齒輪，材料選用合金鋼，如G20CrNi2Mo，精度需達(dá)到6 級以上，主要從齒輪強度、膠合承載能力及嚙合性能等對齒輪進行失效分析，相應(yīng)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 齒輪參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 輪齒斷裂

輪齒斷裂是齒輪傳動中最普遍的失效型式，一種是由于嚙合過程中重復(fù)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力造成的疲勞折斷，另一種是由于偶發(fā)的瞬時過載引起的過載折斷。

（1）輪齒疲勞折斷。主要表現(xiàn)為參與嚙合的1 個輪齒在載荷作用下首先出現(xiàn)斷裂，在彎曲應(yīng)力的不斷作用下，該輪齒的齒根圓角處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著循環(huán)應(yīng)力的不斷作用，圓角處的裂紋不斷發(fā)展，逐漸擴展至整個輪齒，導(dǎo)致其斷裂。所以疲勞折斷的斷口區(qū)域一般由源區(qū)、擴展區(qū)和斷裂區(qū)組成。

（2）過載折斷。表現(xiàn)為瞬時過載致使載荷超過了齒輪材料彎曲強度而斷裂，如圖2 所示。一般發(fā)生在齒輪承受最大彎曲應(yīng)力的齒根部位，斷口平直且粗糙。由于材料脆性過大或運行過程中瞬時過載和沖擊，在齒根處產(chǎn)生脆性折斷，很多時候其他零件的失效也會造成偶發(fā)的過載現(xiàn)象，比如軸承失效后造成的卡滯或者傳動軸偏斜造成輪齒楔緊等。

圖2 齒輪過載導(dǎo)致齒根斷裂示意圖

2.1.2 齒面點蝕

齒輪點蝕是閉式齒輪傳動的主要失效形式，失效機理為在脈動循環(huán)的齒面接觸應(yīng)力不斷作用下，在一定深度的輪齒內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋逐漸發(fā)展并擴展至輪齒表面，從而在齒面造成金屬脫落形成麻點狀的凹坑，如圖3 所示。同時，齒面發(fā)生點蝕后，齒廓形狀發(fā)生變化，傳遞誤差增大，振動和噪聲隨之增加。一般齒面節(jié)線附近的齒根部分首先發(fā)生點蝕，原因在于節(jié)線附近齒面相對滑動速度低，油膜形成困難，較少的輪齒嚙合對數(shù)也使得節(jié)線處的接觸應(yīng)力較大。一般評價輪齒是否點蝕失效的標(biāo)準(zhǔn)為點蝕面積不超過齒輪工作面積占比的50%，點蝕坑最大尺寸不超過齒輪模數(shù)的15%。

圖3 齒輪齒面點蝕示意圖

2.1.3 齒面膠合

齒面膠合多見于低速重載的應(yīng)用工況，是一種嚴(yán)重的黏著磨損形式，由于傳遞載荷較大，不易形成有效油膜，使相互嚙合輪齒在嚙合過程中瞬時溫度過高，金屬尖點直接接觸并發(fā)生粘連，造成熱膠合，或由于傳動過程中出現(xiàn)偏載，致使有效油膜遭到破壞，形成冷膠合。由此可見潤滑不良，齒面間無法形成有效的工作油膜是產(chǎn)生膠合的重要原因，尤其是發(fā)生膠合后兩齒面繼續(xù)相對運動時，較硬的齒面將會沿滑動方向?qū)⑤^軟齒面上的部分材料撕下并形成溝紋，如圖4 所示，而且膠合后不但齒面溫度升高，振動和噪聲也會隨之增大。

圖4 齒輪齒面膠合示意圖

2.1.4 齒面磨損

在齒輪傳動中，齒面磨損的型式較多，磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損是4 種典型的磨損型式，如圖5 所示。尤其在粉塵環(huán)境中，灰塵、砂粒及非金屬物磨粒性顆粒進入齒輪箱內(nèi)，極易形成磨粒磨損。齒面磨損將引起振動和噪聲增加，嚴(yán)重時，由于過度磨損，齒厚變薄從而引起輪齒折斷。在齒輪箱運轉(zhuǎn)初期，都會有較高的磨損速度和磨損量，通過一段時間的跑合磨損后，輪齒結(jié)合面漸漸光滑，磨損速度減緩，因此，齒輪箱在輕載下進行跑合可為正常磨損創(chuàng)造良好的前提條件。

圖5 齒輪齒面磨損示意圖

2.2 齒輪箱軸承失效

齒輪箱中較為常用的是圓錐滾子軸承，有的也在輸入齒輪端采用圓柱滾子軸承+球軸承的配置方式。對于地鐵齒輪箱軸承的要求為在200 萬km 或一個大修期內(nèi)不需要進行額外的維修，因此需要軸承具有較好的抗疲勞性能，能承受地鐵中的振動沖擊及高溫等影響，因此地鐵齒輪箱失效型式中，軸承的疲勞剝落、燒損極其常見。

2.2.1 疲勞剝落

疲勞剝落是軸承失效型式中比較典型的一種，也是比較嚴(yán)重的失效型式，這與齒輪的點蝕剝落有相似之處，主要變現(xiàn)為滾道和滾動體在交變載荷的不斷作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷發(fā)展至滾動體或者滾道表面，造成金屬剝落形成凹坑，如圖6 所示。引起地鐵齒輪箱軸承故障的主要原因包括裝配不當(dāng)、潤滑不良、水份或異物侵入等，此外也有因過度運轉(zhuǎn)導(dǎo)致的載荷超標(biāo)等造成的損壞。

圖6 軸承剝落示意圖

2.2.2 燒傷及磨損

軸承燒傷是軸承失效常見的型式，其失效機理是滾動體及保持架的急劇發(fā)熱導(dǎo)致軸承工作表面硬度降低，從而使磨損加劇，出現(xiàn)失效。地鐵齒輪箱工況多為粉塵、高溫輻射等，因此軸承極易受到粉塵、水和其他異物的污染和高溫環(huán)境的影響，造成滾道和滾動體間有效油膜受到破壞或者潤滑油變質(zhì)，導(dǎo)致潤滑不良，形成磨損或燒傷，如圖7 所示。一旦磨損不斷加劇，軸承的正常工作游隙遭到破壞，異響和振動也會隨之加劇，此時需及時對齒輪箱進行排查并處理，防止出現(xiàn)對其他傳動件造成更大的破壞性后果。

圖7 軸承燒損示意圖

圖8 軸承座與箱體的貼合面漏油示意圖

2.3 齒輪箱密封及潤滑油失效

齒輪箱密封通常采用靜密封與動密封相結(jié)合的方式，其中在車軸貫通部位采用非接觸式動密封（迷宮密封），在合箱面、軸承座端等無相對運動的接觸面采用密封墊或涂抹密封膠等靜密封方式。

2.3.1 密封失效

（1）輸出軸側(cè)漏油。齒輪箱常見的漏油表現(xiàn)為輸出軸側(cè)漏油，漏出的油吸附大量的灰塵覆蓋在輸出軸端面，潛在的漏油點主要是2 處：①軸承座與箱體的貼合面處，如圖8 所示；②迷宮密封處，如圖9 所示。為徹底查找泄漏點，應(yīng)對輸出軸端面油污清理干凈后持續(xù)跟蹤，確定漏點位置。

（2）箱體結(jié)合面漏油。地鐵齒輪箱箱體結(jié)合面一般采用密封膠進行密封，箱體結(jié)合面漏油如圖10 所示。造成漏油的原因主要包括：①齒輪箱箱體合箱面平面度或粗糙度不符合技術(shù)要求；②密封膠涂抹操作不規(guī)范，安裝過程中涂抹量不夠，結(jié)合面未涂滿，有斷點，合箱后結(jié)合面不能完全密封，長時間運行后，隨著齒輪箱的振動，油霧不斷滲入到密封膠的間隙，導(dǎo)致潤滑油從縫隙中慢慢滲出，隨著運行時間的延長，最終出現(xiàn)漏油現(xiàn)象；③緊固螺栓扭矩未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或未按對角緊固的方式緊固，齒輪箱結(jié)合面緊固螺栓未涂螺紋緊固膠，運行過程中振動較大時緊固件松動導(dǎo)致緊固失效，緊固時未按對角緊固的方式進行，后緊固的螺栓達(dá)到規(guī)定扭矩后仍會存在結(jié)合面未貼緊現(xiàn)象；④密封膠未固化，過早進行跑合試驗，齒輪箱內(nèi)高壓油氣的沖擊使密封膠形成雪花狀印記，導(dǎo)致合箱面密封膠失效，出現(xiàn)漏油。

2.3.2 潤滑油失效

齒輪箱一般選用合成潤滑油，潤滑油有較好的粘溫特性，1 年或15 萬 km 才進行換油。日常使用中，潤滑油幫助齒輪箱帶走熱量，也在齒輪、軸承等部件中形成油膜，降低齒輪、軸承的機械磨損。日常維護中，多通過觀察潤滑油顏色的變化來間接了解齒輪箱工作正常與否。

（1）潤滑油發(fā)黑。潤滑油發(fā)黑多數(shù)是由于齒輪箱維修更換新軸承造成的，一般新軸承涂有一層防銹油，裝配時如未對軸承防銹油進行清洗，就會導(dǎo)致潤滑油與軸承防銹油混合，從而使?jié)櫥妥兒冢? 種油混在一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，潤滑油的潤滑性能更會大打折扣。還有一種情況是由于齒輪箱廠內(nèi)例行試驗所用潤滑油多次重復(fù)使用造成的，例行試驗用油對箱體內(nèi)部的沖刷清洗作用會導(dǎo)致潤滑油逐漸變臟，若將變臟的跑合油加入其他齒輪箱進行試驗，則會對箱體造成污染，使正常的潤滑油出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖11 所示。

圖9 車軸迷宮密封處漏油示意圖

圖10 箱體結(jié)合面漏油示意圖

圖11 潤滑油發(fā)黑示意圖

（2）潤滑油乳化。潤滑油乳化多數(shù)因為齒輪箱內(nèi)部進水造成的，在暴雨天氣、軌行區(qū)有較深積水或洗車作業(yè)時，水有可能通過迷宮密封和透氣孔進入齒輪箱內(nèi)部，進水后通過液位鏡觀察齒輪箱油位會有明顯地升高，油的顏色呈乳白色，如圖12 所示。乳化直接導(dǎo)致潤滑油性能下降，潤滑油膜形成困難，造成齒輪軸承等零部件急劇磨損，最終導(dǎo)致軸承損壞、齒面剝落等失效情況的發(fā)生。

3 結(jié)語

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱是一個綜合系統(tǒng)，齒輪、軸承以及密封和潤滑彼此間又相互影響，這是齒輪箱常見的失效型式特點。本文通過對地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱常見失效型式進行總結(jié)，對齒輪、軸承、密封及潤滑等主要失效型式及產(chǎn)生機理和原因進行分析，為地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱的維護和失效預(yù)防提供了有效技術(shù)支撐，對齒輪箱故障診斷和預(yù)防具有借鑒意義。

圖12 潤滑油乳化示意圖