上海軌道交通2號線車輛齒輪箱國產化研制和試驗

沈 豪 吳 剛

（1.上海軌道交通維護保障中心車輛公司，200233，上海；2.中國南車集團戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，213011，常州∥第一作者，工程師）

齒輪箱是地鐵車輛中將牽引電機的輸出扭矩傳遞給動車輪對的傳動裝置，是地鐵車輛牽引傳動裝置中重要的傳動部件，其運轉狀況直接關系到車輛的運行安全。目前，上海地鐵所有車輛齒輪箱的備件供應均采用原裝進口或國外技術國內組裝，因此采購及維修的周期較長，成本較高。為有效降低齒輪箱采購及維修成本，縮短采購周期，上海地鐵聯(lián)合南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司對上海軌道交通2號線列車進口齒輪箱進行國產化開發(fā)和研制。

1 上海軌道交通2號線現有齒輪箱概況

上海軌道交通2號線列車于1998年從德國引進，其傳動裝置采用德國VOITH公司提供的SE16－1型齒輪箱。齒輪箱箱體及箱蓋由球墨鑄鐵制成，采用垂直分箱形式。小齒輪軸采用鉻鎳合金鋼制成。大小齒輪都采用螺旋齒形，由鉻鎳合金鋼制成，齒面淬火。大小齒輪兩側都采用圓錐滾子軸承。齒輪箱內的齒輪采用油浴潤滑，飛濺起來的潤滑油通過集油槽流入軸承，對軸承進行潤滑，最后再流回齒輪箱。

由于該齒輪箱采用垂直分箱形式，給齒輪箱開箱檢查及維修帶來諸多不便，必須進行退輪，使工作量陡增，也增加了車軸因維修齒輪箱需要而退輪拉傷及報廢的風險概率，使整個維修成本大大提高。

2 國產齒輪箱的研制

2.1 國產齒輪箱的基本技術參數

1）對全磨耗輪的齒輪箱下部距軌面的允許最小尺寸為60mm；

2）電機額定轉速為1 800r／min；

3）電機額定扭矩為1 008Nm；

4）電機額定功率為190kW；

5）電機最高轉速為3 641r／min；

6）傳動型式為鼓型齒聯(lián)軸節(jié)＋單級圓柱齒輪傳動；

7）中心距為355mm；

8）傳動比為108／17＝6.35；

9）每套傳動裝置質量≤340kg。

2.2 國產齒輪箱的設計方案

圖1（a）為采用垂直分箱型式的上海軌道交通2號線進口齒輪箱，圖1（b）為采用上下箱體組合型式的國產齒輪箱。

圖1 上海軌道交通2號線進口齒輪箱與國產齒輪箱結構比較

2.2.1 箱體設計

箱體型式采用剖分式，上下箱體均采用仿圓形設計，既可減少箱體體積，又減小了箱體噪聲的輻射面積、降低了噪聲，同時也減輕了箱體重，提高了泵油效果，有利于潤滑。

根據國內外齒輪箱箱體材料應用情況來看，球墨鑄鐵箱體完全能夠滿足地鐵車輛的使用要求。進口齒輪箱箱體一般采用德國標準球墨鑄鐵GGG－40，對應我國標準為球墨鑄鐵QT 400，故國產齒輪箱也采用了相同材料。

按三種工況（額定，起動，短路）分別對箱體進行有限元分析，詳見表1、圖2、圖3所示。從表1中可知：三種工況下箱體的最大應力都小于球墨鑄鐵QT 400的屈服強度250MPa。故箱體結構強度滿足安全運用要求，且箱體變形很小，不會對軸承使用壽命造成影響。

表1 國產齒輪箱箱體有限元分析結果

圖2 額定工況下電機正轉時國產齒輪箱箱體應力與位移云圖

2.2.2 齒輪設計

齒輪基本參數如表2所示，選用20CrMnMo作為齒輪的材料，輪齒部分采用滲碳淬火工藝，齒形參數與原進口齒輪箱的齒輪相同。

圖3 額定工況下電機反轉時國產齒輪箱箱體應力與位移云圖

表2 牽引齒輪基本參數表

按起動、額定、高速三種工況進行強度驗算，分別計算齒輪在承受起動扭矩、常規(guī)運行工況和承受沖擊載荷時的疲勞強度。齒輪承載能力校核按GB 3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》進行。

由表3和表4數據可知，齒輪在各工況的接觸安全系數SH都達到一般可靠度甚至超過較高可靠度的SH，min，故齒輪的接觸強度是足夠的。而齒輪在各工況下的彎曲安全系數SF都達到一般可靠度甚至超過較高可靠度的SF，min，可見輪齒的彎曲強度也是足夠的。

表3 GB3480—1997推薦的最小安全系數

表4 齒輪承載能力計算

2.2.3 軸承選用

本齒輪箱選用國外進口的圓錐滾子軸承，主動齒輪兩端的小軸承采用2號線原齒輪箱相同型號與品 牌 （TIMKEN663／653），安 裝 尺 寸 為 φ82.55 mm×φ146.05mm×41.275mm（軸承內徑×軸承外徑×軸承寬度）。由于新設計齒輪箱所安裝的車軸尺寸增大，故從動齒輪兩端選用的大軸承型號為FAG573160，不同于2號線原齒輪箱，其安裝尺寸為φ210mm×φ285mm×41mm。齒輪箱上的圓錐滾子軸承采用面對面的安裝方式，從而使得拆卸軸承和調整軸向游隙較為方便。選用的大小軸承的計算壽命均超過了120萬km，滿足設計要求。

2.2.4 潤滑和密封系統(tǒng)

考慮到上海軌道交通2號線齒輪箱的使用及維護要求，齒輪箱潤滑油采用與原齒輪箱相同，牌號為SHELL Spirax A90。齒輪箱密封系統(tǒng)采用接觸式密封和非接觸式密封。在軸承座與箱體之間的密封均采用“O”形圈與樂泰587密封膠聯(lián)合密封。磁性油堵和注油螺塞處則采用組合密封墊圈密封。對于齒輪箱中貫通部位的密封，均采用非接觸式密封，即貫通部位的密封為間隙密封和帶有甩油環(huán)的機械式迷宮密封的聯(lián)合密封方式。

2.3 齒輪箱的試制

2.3.1 箱體的試制

箱體鑄造采用多道內澆口分散進鐵，防止箱體背面型砂局部過熱，保證進鐵的箱體背面不會形成表面縮凹缺陷。鑄件厚壁部位，使用了發(fā)熱冒口和冷鐵并用的方式，在合箱面上貼冷鐵，最大限度利用發(fā)熱冒口的補縮鐵液，防止合箱面縮松缺陷。由于箱體結構復雜，在模具設計時，增加了砂心的數量，以保證鑄件尺寸和外觀合格。箱體鑄造后進行拋丸、打磨、磁粉探傷、射線探傷，并取樣進行各項理化性能分析。分析結果均符合技術要求。

2.3.2 齒輪的試制

對主動齒輪按如下工藝進行加工：備料—鍛造—正火—粗車—超聲波探傷—半精車—滾齒—齒廓倒角—滲碳、淬火—噴丸—車端面、打中心孔—打鋼印—精車—劃線—鉆孔—粗磨—磨齒—磁探—精磨—檢查驗收—清洗包裝。

對從動齒輪按如下工藝進行加工：備料—鍛造—正火—半精車—超聲波探傷—滾齒—倒角、打鋼印—滲碳—劃線—鉆孔—剝碳—淬火—噴丸—精車—劃線二—鉆油孔—精車油槽—磨內孔及平面—磨齒—磁粉探傷—檢查驗收—清洗包裝。

2.3.3 齒輪箱稱重檢查

對組裝后齒輪箱進行了稱重，齒輪箱質量（包括從動齒輪，不含聯(lián)軸節(jié)、吊桿及車軸質量）約306kg。

3 國產齒輪箱的試驗

國產齒輪箱樣品研制后，為驗證其性能是否滿足地鐵列車使用的要求，進行了空載跑合試驗、型式試驗及裝車考核試驗。

3.1 空載跑合試驗

齒輪箱的空載跑合試驗按照圖4所示的跑合試驗曲線要求的轉速及時間進行。齒輪箱跑合試驗臺實景圖見圖5所示。

圖4 跑合試驗曲線

圖5 齒輪箱跑合試驗臺實景圖

齒輪箱在跑合過程中，各密封處未出現潤滑油泄漏，齒輪箱運轉聲音正常。齒輪箱的跑合試驗時間為1h，期間齒輪箱各處溫升正常，并未超過試驗大綱要求的最高溫度90℃。旋開磁性油堵，發(fā)現油堵上吸附有泥狀鐵屑，沒有出現大顆粒鐵屑，說明齒輪箱各零部件處于正常的磨合期。

3.2 型式試驗

型式試驗按表5的參數進行。每次加載試驗正反向各一次，試驗時間為6h。試驗過程中用風機對齒輪箱以10m／s的風速進行了冷卻。

表5 型式試驗技術參數

齒輪箱在整個型式試驗過程中運行平穩(wěn)，無異常噪聲及振動；齒輪箱溫升正常，各處最高溫升未超過60℃，最高溫度未超過110℃；齒輪箱密封性能良好，在運行過程中，各密封處未出現泄漏情況，能夠滿足地鐵車輛的使用要求。齒輪箱型式試驗臺實景圖見圖6所示。

圖6 齒輪箱型式試驗臺實景圖

3.3 裝車考核試驗

齒輪箱經過型式試驗后，即開始裝車試運行。裝車考核期間，在上海軌道交通2號線列車上安裝了2臺國產齒輪箱。裝車試運行期為3萬km。在裝車試運行期內，在大小齒輪軸承處的箱體上貼了溫度試紙。每天檢查溫度試紙上的溫度及齒輪箱是否有滲油現象，同時將國產齒輪箱與進口齒輪箱的溫度進行對比。

經過3萬km的運行考核后，2臺國產齒輪箱均未發(fā)生滲油，大小齒輪軸承處的溫度未超過70℃，與進口齒輪箱溫度對比均在5℃之內。裝車后的國產齒輪箱見圖7。

圖7 裝車后的國產齒輪箱

4 結語

經過各項試驗后表明，上海軌道交通2號線車輛國產齒輪箱密封可靠、潤滑性能良好、運行平穩(wěn)、總體性能良好，滿足了上海軌道交通2號線地鐵車輛的運行要求。也有效降低了車輛維護成本，縮短了同類備件的采購周期。

［1］吳宗澤.機械設計實用手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［2］徐灝.機械設計手冊.第3卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［3］GB 3480—1997漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法［S］.