吳臻易　趙浩杰　劉斌普

摘 要：通過(guò)對(duì)某型和諧號(hào)動(dòng)車組齒輪箱軸承故障原因及結(jié)構(gòu)機(jī)理分析，針對(duì)特定工況下齒輪箱軸承潤(rùn)滑不良問(wèn)題制定了齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，從而提升齒輪箱的受油量，降低軸承干磨的概率。同時(shí)該方案通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)、模擬仿真、型式試驗(yàn)等一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明在保證原有結(jié)構(gòu)可靠性基礎(chǔ)上，對(duì)于改善軸承潤(rùn)滑不良的問(wèn)題效果明顯，現(xiàn)方案已經(jīng)進(jìn)入批量改造實(shí)施階段，改造完成后動(dòng)車組經(jīng)跟蹤應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：齒輪箱 油路 軸承 仿真 溫度

1 引言

2022年1月，某型和諧號(hào)高速動(dòng)車組接連報(bào)出多起齒輪箱小軸溫度報(bào)警故障，故障件拆解后發(fā)現(xiàn)齒輪箱PW側(cè)軸承內(nèi)圈擋邊磨損。

進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，故障均發(fā)生在 0℃左右低溫環(huán)境和特定速度區(qū)間（140km/h-240km/h），分析因齒輪箱磨合不充分，在低溫環(huán)境、特定速度區(qū)間、齒輪箱正轉(zhuǎn)、潤(rùn)滑油量偏少等特定條件下，齒輪箱車輪側(cè)小軸承受油量減少，導(dǎo)致軸承瞬時(shí)潤(rùn)滑不良，內(nèi)圈大擋邊與滾子干摩擦，造成軸承溫升突變。

2 齒輪箱結(jié)構(gòu)機(jī)理

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該型動(dòng)車組裝用的齒輪箱為整體式鋁合金箱體，一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，大小軸均采用圓錐滾子軸承，小軸軸承型號(hào)R70-25g3QWAP6B。齒輪箱采用飛濺式油潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑油型號(hào)JRK65/KRG 75W-80/VT 75W-80，黏度等級(jí)75W-80，油量3.1L（中刻度線）。

2.2 受油路徑

正轉(zhuǎn)：大齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（由電機(jī)側(cè)看向齒輪箱），潤(rùn)滑油從大油池?cái)嚻穑卮簖X輪旋轉(zhuǎn)方向甩向小齒輪側(cè)軸承，經(jīng)兩側(cè)軸承及PM側(cè)回油孔后落入小油腔。

反轉(zhuǎn)：大齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將潤(rùn)滑油從大油池?cái)嚻鸷笾苯铀ο蛐↓X輪側(cè)軸承，經(jīng)過(guò)兩側(cè)軸承及PM側(cè)回油孔后落入小油腔。

3 優(yōu)化方案

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為改善PW側(cè)軸承潤(rùn)滑條件，增加其受油量，對(duì)箱體、PW 軸承座和箱蓋密封墊進(jìn)行改造。在維持齒輪箱主體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)箱體、軸承座增加Φ5mm的聯(lián)通孔，同時(shí)箱蓋密封墊設(shè)置缺口，利用上箱蓋斜度將潤(rùn)滑油經(jīng)密封墊缺口→箱體孔→PW軸承座孔→PW側(cè)軸承，形成新增油路。

具體方案如下：

（1）箱體：在箱體上箱蓋安裝面的PW側(cè)軸承上方處增設(shè)傾斜角度約63.7°、直徑Φ5mm通孔，上孔口倒角處理。

（2）PW軸承座：在PW軸承座上方與箱體通孔對(duì)應(yīng)處增設(shè)傾斜角度約15°、直徑Φ5mm 通孔，上孔口倒角處理。

（3）密封墊：箱體通孔對(duì)應(yīng)的密封墊處設(shè)置半徑 5mm 的長(zhǎng)條形缺口。

（4）標(biāo)識(shí)：齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在齒輪箱銘牌旁刻打“G”標(biāo)識(shí)，與原結(jié)構(gòu)齒輪箱區(qū)分。

3.2 方案驗(yàn)證

3.2.1 受油量試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)跑合，對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效性開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比了相同時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后PW側(cè)及PM側(cè)軸承受油量，具體如下：

（1）增加油路后，PW側(cè)軸承受油量較原結(jié)構(gòu)齒輪箱增加約100%～300%。

（2）增加油路后，正轉(zhuǎn)PW側(cè)軸承受油量與PM側(cè)（反轉(zhuǎn)）軸承受油量相當(dāng)。

3.2.2 強(qiáng)度分析

對(duì)優(yōu)化后齒輪箱箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核，短路扭矩10050N.m，正轉(zhuǎn)工況下齒輪箱Φ5mm通孔處最大應(yīng)力 48.5MPa，反轉(zhuǎn)工況下Φ5mm通孔處最大應(yīng)力56.3MPa，相對(duì)于箱體材料的疲勞極限78.4MPa，安全系數(shù)分別為1.62和1.39。

對(duì)優(yōu)化后軸承座進(jìn)行強(qiáng)度校核，短路扭矩10050N.m，正轉(zhuǎn)工況下軸承座Φ5mm通孔處最大應(yīng)力 44.5MPa，反轉(zhuǎn)工況下軸承座Φ5mm通孔處最大應(yīng)力 31.5MPa，相對(duì)于軸承座材料的疲勞極限147MPa，安全系數(shù)分別為3.30和4.67。

3.2.3 模態(tài)分析

對(duì)優(yōu)化前后箱體和PW軸承座的模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，由計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化前后的箱體和PW軸承座各階模態(tài)特征頻率與振型均基本一致，局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)其振動(dòng)特性的影響可忽略。

3.2.4 密封分析

為驗(yàn)證密封墊加工后密封性能，考慮螺栓預(yù)緊力， 對(duì)原方案及優(yōu)化方案密封墊面壓進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明優(yōu)化前后密封墊處面壓基本一致，無(wú)明顯下降部位。

3.2.5 型式試驗(yàn)

根據(jù)《TJ/CL277-2014 動(dòng)車組齒輪箱組成暫行技術(shù)條件》開(kāi)展了優(yōu)化方案齒輪箱例行試驗(yàn)及高溫特性試驗(yàn)、低溫啟動(dòng)、溫升平衡試驗(yàn)、最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，見(jiàn)表2。

3.2.6 溫度分析

基于齒輪箱低溫啟動(dòng)及溫升平衡試驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的GW/GM/PW/PM側(cè)軸承的溫升速率、溫度進(jìn)行對(duì)比分析，各部位軸承溫度特征無(wú)明顯差異，各密封部位狀態(tài)良好。其中PW側(cè)軸承在低溫啟動(dòng)時(shí)的溫升速率略有降低，溫升平衡試驗(yàn)時(shí)的最高溫度值略有增加，見(jiàn)表3。

統(tǒng)計(jì)該型高速動(dòng)車組2400余套齒輪箱PW側(cè)軸承歷史溫度，最高為104℃，對(duì)比優(yōu)化前后PW側(cè)軸承溫升平衡溫度（117.8℃/118.0℃），分析優(yōu)化后齒輪箱PW側(cè)軸承夏季高溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)最高溫度基本無(wú)變化，可以確保夏季高溫季節(jié)運(yùn)用穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)某型動(dòng)車組的齒輪箱軸承擋圈磨損導(dǎo)致溫度升高故障的原因進(jìn)行深入分析，從齒輪箱結(jié)構(gòu)機(jī)理出發(fā)，提出了完整的齒輪箱油路改造優(yōu)化方案，并經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、模擬仿真、型式試驗(yàn)等一系列手段驗(yàn)證方案對(duì)改善上述故障失效模式切實(shí)有效，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)國(guó)強(qiáng)，林建輝，易彩.高速列車齒輪箱振動(dòng)特性分析與故障識(shí)別方法[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2018，37（1）：115-119.

[2]趙翔彥，馬域，閆樹(shù)軍，等.動(dòng)車組齒輪箱體模態(tài)分析研究[J].測(cè)控技術(shù)，2022，41（7）： 81-86.

[3]郝偉，徐宏海. 高速動(dòng)車組驅(qū)動(dòng)齒輪箱的約束模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2021，45（6）：153-158.

[4]李建林，吳剛，丁春松. 動(dòng)車組齒輪箱軸承游隙隨環(huán)境溫度變化規(guī)律的研究[J]. 機(jī)車車輛工藝，2020，43（3）：43-45.

[5]李建，宮垂玉，趙田明，等. 動(dòng)車組齒輪箱乳化分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，24（3）：53-55.

[6]單巍. 高速列車新型齒輪箱箱體強(qiáng)度仿真與試驗(yàn)研究[D]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017.