鄭州地鐵車輛齒輪箱典型故障分析及處理

程相勛

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，450046，鄭州∥工程師)

齒輪箱為車輛走行部的關(guān)鍵部件，其可靠性直接關(guān)系到列車能否安全運(yùn)行。近年來鄭州地鐵車輛維保中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)齒輪箱漏油、齒輪箱油發(fā)黑及齒輪箱內(nèi)有金屬異物等典型故障。本文對(duì)齒輪箱典型故障進(jìn)行分析研究并提出處理措施。

1 齒輪箱概況

轉(zhuǎn)向架上牽引電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩通過聯(lián)軸節(jié)和齒輪箱傳遞至驅(qū)動(dòng)輪。齒輪箱還可傳遞制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。鄭州地鐵列車車輛所用齒輪箱均采用軸懸式安裝，通過吊桿與轉(zhuǎn)向架固定。吊桿具有彈性支座，能滿足車輛系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)載荷。聯(lián)軸節(jié)可吸收電機(jī)和齒輪箱之間的軸向和徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)能量。

齒輪箱箱體由球墨鑄鐵加工而成，由上下兩部分組成。箱體內(nèi)有主動(dòng)、從動(dòng)螺旋斜齒輪。主動(dòng)齒輪通過固定軸承裝置安裝在箱體內(nèi)。固定軸承裝置由2個(gè)圓柱滾子軸承和1個(gè)角接觸球軸承組合而成。從動(dòng)齒輪通過熱縮固定在輪軸上。

齒輪箱內(nèi)的齒輪和全部軸承都使用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。齒輪箱運(yùn)行過程中，通過箱體內(nèi)的油槽收集上箱體油壁上甩落的潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油通過油槽和油孔流向軸承，從而起到潤(rùn)滑的作用;同時(shí),磁性油堵收集潤(rùn)滑油中的金屬顆粒和灰塵顆粒。主動(dòng)齒輪和齒輪箱箱體之間,以及輪軸和齒輪箱箱體之間的密封均采用非接觸性迷宮式密封，不僅可保證保留箱體內(nèi)潤(rùn)滑油，還可防止灰塵或其他污染物進(jìn)入[1]。

2 齒輪箱典型故障分析及處理措施

2.1 齒輪箱油發(fā)黑

日檢作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，某列車有一齒輪箱油發(fā)黑，而整列車其他齒輪箱油卻顏色正常，故檢修人員將該車扣停。

將齒輪箱放油發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油中有金屬碎屑。隨后拆解該齒輪箱發(fā)現(xiàn)，輸入軸系車輪側(cè)四點(diǎn)接觸球軸承定位銷槽處開裂(如圖1所示)，保持架發(fā)生磨損變形，定位銷磨損，箱體內(nèi)有大量銅屑。由此判斷，軸承故障為齒輪箱油發(fā)黑的直接原因。

圖1 軸承定位銷處開裂

分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱在組裝過程中，如定位銷過長(zhǎng)，則定位銷端面將于止動(dòng)槽底部壓緊，并引起此處軸承外圈產(chǎn)生變形。由于定位銷端面圓周為棱邊，且四點(diǎn)接觸球軸承滾子為球型，故當(dāng)輸入齒輪軸軸向力指向車輪側(cè)時(shí)，軸承定位銷槽處外圈在定位銷與滾子作用下存在交變應(yīng)力變形，進(jìn)而引起定位銷槽處開裂。其受力示意圖如圖2所示。

注：F1為定位銷對(duì)四點(diǎn)接觸球軸承外圈的力；F2為定位銷端面對(duì)于止動(dòng)槽底部的壓緊力。

為避免再次發(fā)生類似故障，對(duì)同批次齒輪箱進(jìn)行全面普查，并確保定位銷斜面與止動(dòng)槽底部之間均留有間隙。此后，齒輪箱制造廠家對(duì)定位銷長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的定位銷與悶蓋組裝后，能保證定位銷斜面與止動(dòng)槽底部之間的間隙大于0.3 mm。后續(xù)列車未再發(fā)生同種故障。

2.2 齒輪箱擋油塊脫落

某線路年檢中，在齒輪箱換油作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，1處齒輪箱排油堵上吸附了1塊約38 mm(長(zhǎng))×13 mm(寬)×4 mm(厚)的鐵塊。使用內(nèi)窺鏡對(duì)齒輪箱體內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)擋油板脫落。之后將該齒輪箱發(fā)往廠家進(jìn)行拆解分析。

齒隙及輸出軸軸承間隙的開箱前測(cè)量值均在正常范圍內(nèi)。開箱后，對(duì)輸入軸軸承間隙、大齒輪定位尺寸及跳動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果均在正常范圍內(nèi)，大小齒輪狀況良好，無明顯異常。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，下箱體油池有1塊鐵塊，其形貌與脫落的擋油板吻合，經(jīng)確認(rèn)是另1塊脫落的擋油板。

將箱體擋油板失效樣塊及掉落的鐵塊送往檢測(cè)中心進(jìn)行失效分析。

使用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，擋油板樣塊斷口存在片狀石墨及片狀石墨撕脫后的方形印痕。對(duì)掉塊斷口進(jìn)行電鏡掃描，確認(rèn)斷口存在片狀石墨。掃描電鏡檢查結(jié)果如圖3所示。

a)擋油板斷口1 000倍形貌

將擋油板斷口截面進(jìn)行金相檢查，發(fā)現(xiàn)試樣斷口處整個(gè)截面均為片狀石墨。對(duì)掉塊斷口截面進(jìn)行金相檢查，發(fā)現(xiàn)片狀石墨已貫穿整個(gè)拐角截面，與擋油板吻合。金相檢查結(jié)果如圖4所示。

a)擋油板斷口截面微觀形貌

由檢查結(jié)果可知：送檢擋油板斷口具有脆性斷裂特征；斷口處存在的片狀石墨，屬于球化衰退惡化層缺陷，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域脆性急劇增加，使擋油板位置的強(qiáng)度受到影響；因片狀石墨具有切口效應(yīng)，致使擋油板疲勞壽命也會(huì)大幅降低。經(jīng)進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在箱體鑄造過程中，人工涂刷涂料時(shí)未對(duì)擋油板拐角處有效涂抹，導(dǎo)致砂型中硫元素進(jìn)入箱體，進(jìn)而造成拐角截面處整體球化衰退。在箱體加工鏜孔時(shí)，擋油板區(qū)域受到切削力和振動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生初始裂紋；由于材料存在缺陷，隨著列車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，原始裂紋因振動(dòng)延展，導(dǎo)致?lián)跤蛪K脫落[2]。

針對(duì)此問題，制造廠家將之前對(duì)擋油板外觀目視檢查，改為箱體擋油板處100%無損探傷，確認(rèn)擋油板區(qū)域無裂紋。

2.3 齒輪箱滲油

在某新開通線路，齒輪箱小軸電機(jī)側(cè)端蓋處陸續(xù)批量出現(xiàn)滲油現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 齒輪箱電機(jī)側(cè)滲油

經(jīng)分析,造成齒輪箱滲油的因素為：齒輪箱密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、端蓋組裝工藝、零部件制造質(zhì)量及組裝操作過程。

經(jīng)確認(rèn)，該型號(hào)齒輪箱已在其他線路應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，未出現(xiàn)類似問題，說明端蓋密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和組裝工藝可靠。經(jīng)核實(shí)，該批次齒輪箱的箱體、套杯及端蓋的零部件尺寸檢查記錄均符合要求。由此初步推測(cè)該故障由組裝操作過程導(dǎo)致。齒輪箱輸入端結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 齒輪箱輸入端結(jié)構(gòu)

根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)分析，若箱體斷面與套杯端面、端蓋與套杯端面密封不良，將會(huì)出現(xiàn)端蓋滲油現(xiàn)象[3]。

對(duì)端蓋滲油齒輪箱進(jìn)行拆解檢查發(fā)現(xiàn)，箱體與套杯端面密封膠涂抹連續(xù)完整，未有滲油現(xiàn)象，符合工藝要求。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，端蓋與套杯端面密封膠不連續(xù)，套杯端面下部光孔處密封膠相對(duì)薄弱，并有油漬(如圖7所示)。潤(rùn)滑油通過此薄弱處滲入光孔，造成齒輪箱輸入端電機(jī)側(cè)從螺紋孔滲油。

圖7 端蓋密封缺陷情況

針對(duì)此故障采取以下措施：在端蓋緊固螺栓端部密封處、端蓋與套杯密封處、套杯與箱體密封處涂抹密封膠；日常跟蹤齒輪箱油位變化；在列車架修時(shí)，對(duì)齒輪箱進(jìn)行拆解和清洗，并按工藝重新進(jìn)行組裝。之后該問題得以徹底解決。

2.4 齒輪箱油有銅屑

在雙日檢時(shí)，檢修人員通過油鏡觀察發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油中有銅屑微粒。將齒輪箱油放出后，在齒輪箱油中發(fā)現(xiàn)銅屑微粒(見圖8)。

圖8 齒輪箱內(nèi)銅屑微粒

齒輪箱箱體內(nèi)含有銅材質(zhì)的零件有：圓柱滾子軸承保持架和四點(diǎn)接觸球軸承保持架。這兩種銅保持架的材料一樣。對(duì)保持架局部和銅屑各放大10倍觀察，發(fā)現(xiàn)顏色差異較大，說明銅屑不是來自于保持架。

在檢查工器具時(shí)發(fā)現(xiàn)，在軸承套杯與齒輪箱箱體裝配過程中使用的紫銅棒含有銅材質(zhì)。從紫銅棒上取出銅屑，放大10倍發(fā)現(xiàn)，紫銅棒銅屑和齒輪箱油中的異物銅屑外觀顏色一致。

紫銅是一種純凈度較高的銅，塑性較好、硬度較低，即使隨齒輪箱油進(jìn)入軸承或齒輪嚙合區(qū)域，也不會(huì)對(duì)硬度較高的軸承或齒輪齒面造成影響,但銅屑堆積仍存在造成齒輪箱油路堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)此，要求生產(chǎn)廠家在齒輪箱加工及裝配后加強(qiáng)箱體內(nèi)部殘留金屬材質(zhì)的吹塵和清潔，確保箱體內(nèi)無金屬異物，以避免類似銅屑造成軸承損傷及油路堵塞。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鄭州地鐵齒輪箱出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析，確認(rèn)故障原因和解決措施，對(duì)齒輪箱的維護(hù)保養(yǎng)具有指導(dǎo)意義。齒輪箱日常維護(hù)簡(jiǎn)單，但運(yùn)行過程中問題繁雜，故障造成影響較大，制造廠商應(yīng)嚴(yán)控生產(chǎn)質(zhì)量，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，確保齒輪箱安全可靠。