地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱分油環(huán)異常磨損原因分析及改進(jìn)措施

浦春喜 李佳妮

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥第一作者，高級(jí)工程師)

蘇州軌道交通一臺(tái)轉(zhuǎn)向架齒輪箱在使用近4年(車輛運(yùn)行約40萬km)后，其潤滑油出現(xiàn)渾濁、發(fā)黑現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)該齒輪箱輸入軸系中的分油環(huán)發(fā)生較嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致輸入軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)了異常竄動(dòng)現(xiàn)象。本文通過對(duì)齒輪箱輸入軸系裝配工藝分析和輸入軸端蓋壓緊量建模計(jì)算，查明分油環(huán)非正常磨損的原因，并尋求解決方案。

1 轉(zhuǎn)向架齒輪箱輸入軸系結(jié)構(gòu)

該故障轉(zhuǎn)向架齒輪箱輸入軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入軸系配置2個(gè)圓柱滾子軸承和1個(gè)四點(diǎn)角接觸球軸承，圓柱滾子軸承承受徑向力，四點(diǎn)角接觸球軸承承受軸向力。分油環(huán)位于圓柱滾子軸承外圈與四點(diǎn)角接觸球軸承外圈之間，通過輸入軸端蓋壓緊，其功能是保證軸承得到更充分潤滑，同時(shí)起到軸向定位作用。這種結(jié)構(gòu)在軌道交通車輛的傳動(dòng)齒輪箱中廣泛應(yīng)用。

圖1 齒輪箱輸入軸系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of gearbox input shaft system

2 轉(zhuǎn)向架齒輪箱分油環(huán)異常磨耗原因分析

2.1 宏觀檢測及尺寸檢查

宏觀檢測顯示：分油環(huán)兩側(cè)表面厚度明顯減薄且有明顯磨損痕跡，磨損量平均值為0.45 mm；兩側(cè)的形貌特征相同(見圖2)。圓柱滾子軸承、四點(diǎn)角接觸球軸承與分油環(huán)的接觸面存在一些白斑(見圖3)。

圖2 分油環(huán)Fig.2 Oil distribution ring

圖3 圓柱滾子軸承Fig.3 Cylindrical roller bearing

輸入軸系尺寸檢測顯示：分油環(huán)的實(shí)際磨損量與軸向間隙的增大量測量結(jié)果一致；四點(diǎn)角接觸球軸承軸向游隙為0.13 mm，屬于正常磨損。輸入軸系軸向竄動(dòng)量檢測情況如表1所示。

表1 輸入軸系軸向竄動(dòng)量檢測表Tab.1 Inspection of axial displacement of input shaft system

2.2 微觀檢測及成分分析

圖4為分油環(huán)減薄區(qū)表面SEM(掃描電子顯微鏡)低倍形貌。圖5分油環(huán)金相組織。

圖4 分油環(huán)減薄區(qū)表面SEM低倍形貌

圖5 分油環(huán)金相組織Fig.5 Metallographic structure of oil distribution ring

顯微鏡觀察和能譜儀(EDS)分析顯示：分油環(huán)的減薄表面呈均勻的脈狀波形痕跡，由大小不一的鱗片組成，每個(gè)鱗片具有光滑表面的滑移特征；軸承表面的白斑具有表面凸起的形貌特征，為分油環(huán)上的金屬材料所形成，白斑區(qū)域表面有擠壓及摩擦變形的特征。

金相顯觀察和化學(xué)成分檢測顯示：分油環(huán)金相組織為鐵素體和少量珠光體的退火組織，與國標(biāo)中Q235A材料的特征相符合；軸承摩擦面金相組織為回火馬氏體，與國標(biāo)中GCr15材料的特征相符合。

硬度檢測顯示：軸承外圈和分油環(huán)硬度符合要求。

2.3 分油環(huán)磨損原因

上述檢測結(jié)果表明：在高速軸系的運(yùn)行過程中，分油環(huán)與軸承接觸面之間發(fā)生了粘著磨損，分油環(huán)表面凹穴內(nèi)的金屬轉(zhuǎn)移到了與之接觸的軸承表面，導(dǎo)致分油環(huán)產(chǎn)生磨損減薄，同時(shí)在軸承表面形成金屬覆蓋物(即白斑)。

車輛運(yùn)行過程中，其齒輪箱高速軸為啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁交替的工況，對(duì)分油環(huán)端面產(chǎn)生交變壓應(yīng)力。該軸系的分油環(huán)和軸承的端面設(shè)計(jì)壓緊量為0.03～0.05 mm，較小的壓緊量導(dǎo)致分油環(huán)和軸承之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)和沖擊，造成磨損。

3 轉(zhuǎn)向架齒輪箱輸入軸系裝配工藝驗(yàn)證

通過試驗(yàn)和分析，找出高速軸系裝配尺寸、密封膠膠膜厚度和各零件表面粗糙度對(duì)軸承與分油環(huán)之間裝配壓緊量的影響，然后制定合理的工藝要求，滿足軸承與分油環(huán)之間裝配的設(shè)計(jì)要求。

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3.1 裝配壓緊量

分別測量得到：箱體深度d=67.933 mm，分油環(huán)厚度t1=7.019 mm，圓柱滾子軸承厚度t2=27.982 mm，四點(diǎn)角接觸球軸承厚度t3=27.987 mm，悶蓋止口高度平均值h=4.950 mm。

則壓緊量Δ1=t1+t2+t3+h-d=0.005 mm。

根據(jù)實(shí)際測量數(shù)值計(jì)算的壓緊量與設(shè)計(jì)理論值一致。

3.2 密封膠膠膜厚度的測量

齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)，在箱體端面與壓蓋端面之間涂抹樂泰LOCTITE515進(jìn)行密封。對(duì)正常裝配后固化的膠膜進(jìn)行實(shí)物取樣測量，其平均厚度為0.01 mm。

3.3 粗糙度的分析

通過理論分析粗糙度對(duì)最終壓緊量的影響，圖紙中要求的粗糙度Ra為中心線平均粗糙度，與十點(diǎn)平均粗糙度Rz相對(duì)應(yīng)。表面光潔度與Ra和Rz數(shù)值對(duì)照換算表見表2。根據(jù)過盈配合計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，粗糙度對(duì)過盈的實(shí)際影響為1/(4Rz)。

表2 光潔度與Ra和Rz數(shù)值對(duì)照換算表

箱體端面粗糙度為3.2，分油環(huán)端面粗糙度(雙面)為1.6，端蓋端面粗糙度為3.2。經(jīng)綜合評(píng)估，高速軸系中粗糙度對(duì)壓緊量的減少量為0.009 mm。

經(jīng)綜合分析，膠膜厚度和零件表面粗糙度對(duì)壓緊量綜合影響累積最大為0.019 mm。為此，需在設(shè)計(jì)壓緊量的基礎(chǔ)上對(duì)裝配壓緊量增加工藝補(bǔ)償0.020 mm。

4 輸入軸端蓋壓緊量分析計(jì)算

齒輪箱輸入軸軸承分油環(huán)受力情況如圖6所示。其中：圓柱滾子軸承內(nèi)圈可在軸向上自由滑動(dòng)，僅在徑向起支撐作用；四點(diǎn)角接觸球軸承承受軸向力，不承受徑向力，起軸向限位作用。模型計(jì)算只考慮輸入軸系的軸向力及悶蓋的壓緊力，輸入軸軸向力包括斜齒輪工作分力、聯(lián)軸節(jié)附加軸向力和振動(dòng)加速度的軸系慣性力。高速軸軸系徑向力由圓柱滾子軸承承擔(dān)，在本文的計(jì)算中不予考慮。

圖6 輸入軸軸承分油環(huán)受力分析

通過Solidedge軟件建立齒輪箱輸入軸3D分析模型(見圖7)。該分析模型包含下箱體、圓柱滾子軸承、分油環(huán)、四點(diǎn)角接觸球軸承及悶蓋。該模型計(jì)算分析采用的邊界條件為：各部件采用帶摩擦接觸連接；端蓋壓緊量在三維模型中實(shí)現(xiàn)；約束輸出軸承座端；在四點(diǎn)角接觸球軸承外圈加載軸向力，加速度載荷轉(zhuǎn)換為軸系慣性力加載于軸承坐上，軸承的摩擦力矩加載于軸承座上。各部件材料特性如表3所示。

圖7 輸入軸分析模型Fig.7 Input shaft analysis model

表3 輸入軸各部件材料特性Tab.3 Material characteristics of input shaft components

在考慮油潤滑的情況下，分油環(huán)與軸承之間的摩擦系數(shù)取0.1。根據(jù)三維模型計(jì)算的輸入軸的軸系質(zhì)量為23.2 kg。

對(duì)于分析模型，僅計(jì)算軸承分油環(huán)的軸向力情況，所以在啟動(dòng)工況和最大運(yùn)行速度工況下，僅考慮軸系的軸向加速度；對(duì)于短路工況，不考慮振動(dòng)加速度。根據(jù)技術(shù)規(guī)范軸向的振動(dòng)加速度為±5g。不同壓緊量、不同載荷工況下分析模型的計(jì)算工況如表4所示。

表4 不同壓緊量、不同載荷工況下分析模型的計(jì)算工況Tab.4 Working conditions calculation of analysis model under different pressing amount and different load conditions

根據(jù)表5的計(jì)算工況得到如下計(jì)算結(jié)果：

1) 壓緊量為0.05 mm時(shí)，軸承分油環(huán)的最大壓應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，分油環(huán)與軸承之間無分離，安全裕度為1.93；分油環(huán)與軸承之間無滑移，安全裕度為1.25。

2) 壓緊量為0.2 mm時(shí)，軸承分油環(huán)的最大壓應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，分油環(huán)與軸承之間無分離，安全裕度為1.04；分油環(huán)與軸承之間無滑移，安全裕度為2.85。

綜上所述，該模型壓緊量在0.05 mm和0.20 mm時(shí)，分油環(huán)與軸承之間無分離、無滑移現(xiàn)象，分油環(huán)和悶蓋均無壓潰現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 改進(jìn)措施

1) 變更分油環(huán)材質(zhì)為42CrMo，并采用氮化處理，提高分油環(huán)硬度。

2) 變更齒輪箱裝配圖紙，增加分油環(huán)軸向壓緊量技術(shù)要求0.12～0.20 mm。

對(duì)于新造齒輪箱，在裝配過程中，實(shí)配輸入軸端蓋止口尺寸實(shí)現(xiàn)0.12～0.20 mm的壓緊量；對(duì)于已裝車齒輪箱，通過更換新分油環(huán)實(shí)現(xiàn)0.12～0.20 mm的裝配壓緊量。

6 結(jié)語

地鐵車輛運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)向架齒輪箱的高速軸一直處于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)交替的工況，從而對(duì)分油環(huán)端面產(chǎn)生交變壓應(yīng)力。在這種復(fù)雜工況下，分油環(huán)和軸承之間可能由于微量的相對(duì)滑動(dòng)和沖擊產(chǎn)生磨損。本文分析的裝配軸承和分油環(huán)的端面設(shè)計(jì)壓緊量僅為0.03～0.05 mm，由于裝配和檢測精度的關(guān)系，較小的壓緊量很難保證高速軸系運(yùn)行時(shí)軸承和分油環(huán)之間能夠保持足夠的壓緊力，從而導(dǎo)致了分油環(huán)異常磨耗問題的發(fā)生。通過科學(xué)的檢測分析，制定了合理的整改措施，有效地解決了該問題，后續(xù)未再出現(xiàn)同樣的故障。