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地铁传动齿轮箱设计关键技术研究

发布时间:2021-02-26
张增强
(太原重工轨道交通设备有限公司)
摘 要:传动齿轮箱是地铁车辆的关键零部件,主要用来实现电机的动力传输,驱动车辆前进。针对地铁齿轮箱的传动结构、箱体、轴承选型和润滑密封等设计关键技术进行了研究,为地铁齿轮箱的设计提供参考。
地铁作为现代都市生活中重要的交通工具,已经成为各个城市节约能源、减少污染、缓解交通压力的主要选择,截止2015年,中国已有40多个城市获批建设地铁,运营里程近4000公里。我国地铁车型有A型、B型和C型,主要采用动力分散型,即动力来源分散在列车车厢的电动机上,由电动机驱动车辆前进。带电动机的车厢称为动车,不带电动机的车厢称为拖车,可针对不同的运营需要选择每列车上动车和拖车的数量。
大部分地铁车辆通过传动齿轮箱来实现电机的动力传输,即齿轮箱输出与车轴连接,输入与电机连接,齿轮箱通过悬挂装置安装在转向架上,所以传动齿轮箱的传动结构、箱体、轴承选择和润滑密封结构等关键技术设计时不仅要考虑齿轮箱的需要,同时还要满足转向架的空间、电机特性和车轴尺寸的要求。
1 地铁齿轮箱传动结构
目前国内地铁齿轮箱常用传动结构有一级斜齿轮传动和二级斜齿轮传动,分别如图1和图2所示。
一级传动齿轮箱结构简单、传动效率高,可以有效降低维护运营费用,并且占用空间小、重量轻,可以减小转向架簧下重量。但由于地铁车辆运行速度高,启制动频繁,对齿轮强度要求高,所以齿轮设计时在满足强度的要求下,受电机尺寸和转向架空间尺寸的限制较大。二级传动齿轮箱结构相对复杂,但可以有效地提高齿轮箱的承载能力,并且中心距和速比变化范围大,可以更好地适应地铁车辆提高速度和承载能力的需要,在A型地铁车辆上得到广泛使用。
地铁齿轮箱传动结构主要根据车辆的运行速度和承载能力的需要来进行选择,其结构尺寸应满足转向架空间和结构的需要,强度应满足电机功率、转速及扭矩的特性需要。
2 齿轮箱箱体
2.1箱体材料
地铁齿轮箱箱体结构相对复杂,属于批量化产品,所以箱体制造主要采用铸造工艺,材料主要选用球墨铸铁和铸造铝合金。铸造铝合金质量轻、散热好,可以有效地减轻齿轮箱的重量,但是由于铝合金强度低,因此在进行齿轮箱设计时所有轴承不能直接安装在箱体内,必须增加轴承套,并且所有螺纹孔必须增加钢丝螺套,才能满足强度需要,增加了齿轮箱的成本,齿轮箱结构相对复杂不易安装拆卸和维护。球墨铸铁强度高,使用广泛,从经济性、易维护性方面考虑地铁齿轮箱箱体材料选择球墨铸铁更为合适。
2.2箱体结构
地铁齿轮箱箱体常用结构有斜剖分式结构和整体式结构。图3为斜剖分箱体结构,箱体被分为上箱体和下箱体,两者间通过螺栓连接,这种结构便于拆装和维护,从使用性和易维护性方面考虑地铁齿轮箱箱体结构选择斜剖分式结构更为合适。整体式箱体结构又有箱盖在上部和箱盖在侧面两种常见结构,如图4、图5所示。整体式结构箱体加工性好,容易保证输入和输出轴承孔的形位公差,但是拆装麻烦,必须将输出齿轮与车轴分解后才能将齿轮箱拆开,不易安装和维护;特别是箱盖在侧面的结构,对箱盖安装的密封性要求高,容易发生渗漏油故障,应尽量避免使用该箱体结构。
3 轴承选型
为了提高齿轮的传动平稳性,减小齿轮箱的冲击、振动和噪声,地铁齿轮箱主要选择斜齿轮,特别是一级传动齿轮箱螺旋角一般都要超过15°,所以在轴承选型时必须同时考虑承受径向力和较大的轴向力,并且满足转速和空间尺寸的要求。齿轮箱设计时主要选用圆锥滚子轴承,轴承选用面对面布置形式,便于轴承的拆装和游隙调整(如图1所示)。但随着地铁车辆运行速度和承载能力的不断提高,地铁齿轮箱输入转速和扭矩也不断加大,为了同时满足转速和扭矩的需要,又不能增加轴承的空间尺寸,所以输入轴轴承选择两个圆柱滚子轴承加一个四点角接触轴承,由圆柱轴承承受径向力,四点角接触轴承承受轴向力(如图2所示)。地铁齿轮箱在设计时主要考虑输入轴轴承的选型,其他轴系主要选择圆锥滚子轴承,输入轴轴承可以选择圆锥滚子轴承,也可选择圆柱滚子轴承加四点角接触轴承的配置形式,前一种配置形式结构简单,便于安装和调整,但受到输入转速和扭矩的限制;后一种形式虽然轴承数量增加,但适应性强,可满足不同速度和承载能力的需要。
4 润滑与密封
地铁齿轮箱润滑和密封系统关乎齿轮箱的使用可靠性,渗漏油故障是目前地铁齿轮箱运行过程中较为频繁的故障模式。地铁齿轮箱主要采用飞溅润滑,将输出大齿轮浸入油池中,齿轮旋转将润滑油带到啮合齿面上,并且将润滑油搅动起来,通过在箱体内壁中合适的位置增加挡油板和集油槽,从而使润滑油流入轴承中对轴承进行润滑。齿轮箱采用非接触式机械迷宫密封,同时可在结合面上增加橡胶密封圈,在机械迷宫的迷宫腔内设置回油孔。在润滑和密封设计时应考虑以下几点:
(1)选择合理的大齿轮浸油深度,浸油深度不够将不能保证足够的润滑油被搅动起来,从而不能使轴承和齿轮得到充分的润滑;浸油深度过高会使齿轮搅油损失加大,从而导致齿轮箱温度过高。
(2)由于地铁齿轮箱是正反两个方向都可以运行,因此在增加挡油板时应考虑齿轮的旋转方向;地铁启制动频繁,启动加速度大,所以应增加集油槽使轴承在齿轮箱刚开始运行时得到润滑。
(3)尽可能多的设置回油孔的数量,回油孔位置应选择在齿轮箱的负压区,保证回油流畅,并且需要设置通气装置,均衡齿轮箱内外的压力。
(4)尽量增加机械密封的迷宫数量,减小渗油可能性,增加密封可靠性;增加橡胶密封圈时必须考虑密封圈安装方便,安装位置合理。
5 结语
本文对地铁齿轮箱的齿轮传动结构、箱体材料及结构、轴承选型和润滑密封系统进行了研究,分析了各关键技术在设计时的不同选择和注意事项,为地铁齿轮箱的设计者和使用者提供参考。
参考文献:
[1]沈豪,吴刚.上海轨道交通2号线车辆齿轮箱国产化研制和试验[J].城市轨道交通研究,2012(6):74-77.
[2]关云辉,林新海,吴国庆.上海轨道交通1号线“增扩编”车辆用齿轮箱的研制[J].城市轨道交通研究,2012(9):105-107.
[3]张晶.地铁齿轮箱渗油原因分析及解决方案[J].现代制造技术与装备,2016(6):144-146.
来源:《机械工程与自动化》2017年第5期

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