復(fù)興號動車組齒輪箱溫度異常的分析與優(yōu)化

陳 煒 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司設(shè)備監(jiān)造部

動車齒輪箱是動車組牽引傳動系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件，其軸承溫度是考核動車齒輪箱安全運(yùn)行的重要質(zhì)量參數(shù)。溫度超限易引發(fā)動車齒輪箱傳動系統(tǒng)的質(zhì)量故障，對動車組的安全運(yùn)營產(chǎn)生重大危害。為了保證動車組安全可靠運(yùn)行，在動車齒輪箱上裝有軸承溫度傳感器，溫度超限會引發(fā)動車組故障報警并降速運(yùn)行。

本文就監(jiān)造時出現(xiàn)的批量性齒輪箱例行試驗軸承溫升接近或超上限的原因進(jìn)行分析，優(yōu)化了齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置并進(jìn)行大量的試驗驗證，齒輪箱軸承溫升高的異常狀況得到了明顯改善，保證了動車齒輪箱裝車上線后安全可靠運(yùn)行。

1 問題提出

表1 9套齒輪箱溫度數(shù)據(jù)

2018年初，對裝于CR400AF復(fù)興號動車組的動車齒輪箱實施監(jiān)造時發(fā)現(xiàn)：一段時間制造方生產(chǎn)的該型號動車齒輪箱在例行試驗中陸續(xù)超過10套由于溫度超限而判為試驗不合格。在2017年12月18日監(jiān)造的一列動車組齒輪箱（16套，試驗日期2017.12.14）中隨機(jī)抽取其中9套（編號：697-706），發(fā)現(xiàn)有8套軸承溫度在110℃以上，最高的一套GW端達(dá)到了119.7℃，初步認(rèn)為以上情況應(yīng)屬于批量性齒輪箱溫度異常。9套齒輪箱例行試驗溫度數(shù)據(jù)見表1。

由于CR400AF動車組齒輪箱軸承監(jiān)測溫度報警門檻值為120℃，動車組在正常運(yùn)行時當(dāng)動車齒輪箱有任意一套軸承溫度傳感器達(dá)到該數(shù)值時，會立即觸發(fā)動車組故障報警并降速運(yùn)行，影響鐵路運(yùn)營秩序。

2 原因分析

上述出現(xiàn)的問題，有針對性地對該批動車齒輪箱的大齒輪組裝記錄、大軸承外圈組裝記錄、大軸承組裝及大軸承游隙調(diào)整記錄、小齒輪周圍組裝記錄、附件組裝及小軸承游隙調(diào)整記錄、例行試驗記錄等相關(guān)質(zhì)量記錄，齒輪箱組裝過程中的各過盈量、大齒輪安裝后端跳動、各零部件貼合間隙、螺栓扭矩、軸承游隙等質(zhì)量確認(rèn)項點均按質(zhì)量控制目標(biāo)值進(jìn)行了詳細(xì)確認(rèn)和記錄，各項點均滿足設(shè)計、工藝要求。

裝于CR400AF型復(fù)興號動車組的該型號動車齒輪箱是通過引進(jìn)消化日本高速動車齒輪箱技術(shù)基礎(chǔ)上自主研發(fā)的國產(chǎn)化動車齒輪箱。該型齒輪箱主要部件有：齒輪箱箱體、齒輪、軸承、軸承座、接地裝置、聯(lián)軸節(jié)、吊桿、油量調(diào)節(jié)裝置以及密封件等其它附件。齒輪箱采用整體式結(jié)構(gòu)，采用一級圓柱斜齒輪傳動方式。大齒輪壓裝在車軸上，大齒輪軸承通過大齒輪軸承蓋與齒輪箱體和車軸連接，確保車軸、大齒輪和齒輪箱體相對轉(zhuǎn)動。小齒輪軸通過軸承、軸承蓋安裝在齒輪箱體中，小齒輪軸與大齒輪嚙合傳遞動力。齒輪箱吊桿與構(gòu)架連接。小齒輪軸伸出端通過聯(lián)軸節(jié)與牽引電機(jī)實現(xiàn)柔性連接，將牽引電機(jī)的動力傳遞到車軸上，帶動車輛運(yùn)行。齒輪箱在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時，潤滑油對齒輪箱運(yùn)動零部件起到潤滑和冷卻作用。

該型號動車齒輪箱箱體底部油池通過隔板分為大、小油池兩個部分，分別位于大齒輪及小齒輪下部。兩油池之間通過回油孔連接。由于該型號齒輪箱為350 km/h高速齒輪箱，齒輪箱在高速運(yùn)轉(zhuǎn)會帶來箱體內(nèi)油溫的急劇升高以及對齒輪箱熱平衡的破壞，給齒輪箱的安全運(yùn)行帶來隱患，因此在小油池底部安裝有油量調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)大油池的潤滑油量以減少攪油損失，降低高速運(yùn)行時的齒輪箱溫度。油量控制的具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 齒輪箱剖視圖

油量調(diào)節(jié)裝置上設(shè)置有溫敏彈簧，當(dāng)齒輪箱內(nèi)潤滑油溫度不超過彈簧動作溫度（40℃）時，溫敏彈簧保持縮緊狀態(tài)，小油池潤滑油通過箱體回油孔直接回流至大油池。當(dāng)齒輪箱內(nèi)潤滑油溫度超過彈簧動作溫度，溫敏彈簧開始動作，推動油量調(diào)節(jié)裝置的橡膠閥與箱體回油孔端面貼合，小油池潤滑油通過閥桿上節(jié)流孔及橡膠閥底部與箱體底板間1 mm的縫隙回流至大油池；達(dá)到減少小油池流至大油池油量的目的。該型號齒輪箱例行試驗最高溫度不超過120℃。油量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)及動作說明見圖2、圖3。

圖2 油量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 油量調(diào)節(jié)裝置動作示意圖

通過對該型號齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)原理知道，油量調(diào)節(jié)裝置溫敏彈簧動作后，如橡膠閥與回油孔貼合后封堵不良，會造成運(yùn)行時大小油池之間的實際回油通路增大，減弱油量調(diào)節(jié)裝置的功能。對部分成品齒輪箱箱體進(jìn)行橡膠閥與箱體φ30 mm回油孔貼合狀態(tài)檢查，確實存在不同程度的局部閃縫。通過上述分析檢查確認(rèn)，部分動車齒輪箱例行溫度表現(xiàn)接近甚至超出上限值的原因為：齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置動作后，橡膠閥與箱體φ30 mm回油孔端面貼合后封堵不良，未完全達(dá)到控制大腔潤滑油油量的作用。由于齒輪箱大油腔油量控制未達(dá)到理想狀態(tài)所帶來的油量增多，油量的增多加大了大油腔從動齒輪輪齒的浸油面積，導(dǎo)致從動齒輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時其攪油所造成的潤滑油溫度也隨之增高。潤滑油溫度的增高同時也降低了其冷卻齒輪箱軸承等零部件的冷卻效果。由此造成部分齒輪箱軸承溫度傳感器接近或甚至超出120℃上限。

結(jié)合生產(chǎn)方工藝制造過程，進(jìn)一步分析：造成橡膠閥與回油孔貼合后封堵不良的原因為：

（1）部分箱體孔口部位存在打磨作業(yè)，孔口形狀不規(guī)則，導(dǎo)致油量調(diào)節(jié)裝置橡膠閥與箱體貼合后封堵不良，兩側(cè)存在閃縫；

（2）部分箱體φ30 mm回油孔孔口部位鑄件質(zhì)量不良，橡膠閥與φ30 mm回油孔孔口貼合后封堵不良，存在閃縫；

（3）劃線定位油量調(diào)節(jié)裝置4個安裝孔位置時，未以φ30 mm回油孔中心軸線為參照進(jìn)行對齊，并調(diào)整安裝孔的相對位置，造成橡膠閥與回油孔貼合后兩側(cè)存在閃縫。

3 優(yōu)化措施

基于動車齒輪箱軸承溫度變化與油量調(diào)節(jié)裝置功能存在相關(guān)性，對油量調(diào)節(jié)裝置的功能進(jìn)行化。

3.1 優(yōu)化回油孔鑄造工藝

對齒輪箱箱體φ30 mm回油孔鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，原樹脂砂工藝優(yōu)化為覆膜砂工藝。覆膜砂工藝的砂型強(qiáng)度高，表面質(zhì)量及尺寸精度優(yōu)于原樹脂砂工藝。優(yōu)化前后φ30 mm回油孔孔口鑄件表面質(zhì)量對比見圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前孔口狀態(tài)（脫漆后）

圖5 優(yōu)化后孔口狀態(tài)

3.2 優(yōu)化安裝孔劃線工藝

優(yōu)化油量調(diào)節(jié)裝置4個安裝孔的劃線工藝：以回油孔中心軸線所處高度位置為基準(zhǔn)在箱體外側(cè)油量調(diào)節(jié)裝置安裝座上劃安裝孔中心線，并確定安裝孔位置。該劃線工藝使安裝孔中心線與回油孔中心軸線處于同一垂直平面內(nèi)。如圖6和圖7。

圖6 劃線示意圖

圖7 箱體中心線

3.3 優(yōu)化貼合狀態(tài)檢驗方法

優(yōu)化貼合狀態(tài)檢驗方法，要求在頭部涂抹紅油或類似品，手動使橡膠頭與回油孔貼合后松開，檢查回油孔孔口部位的貼合印跡，以更準(zhǔn)確的判斷貼合狀態(tài)。

4 優(yōu)化后的試驗驗證

對優(yōu)化效果進(jìn)行跟蹤驗證，以2018年7月為界限，對2018年1月～6月和7月～10月兩個時間段的齒輪箱例行試驗溫度進(jìn)行比對，以優(yōu)化措施實施以來的效果。重點是跟蹤對比例行試驗GW（大端輪側(cè)）側(cè)溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析情況見表2。

表2 2018年1-6月和7-10月例行試驗GW側(cè)溫度對比分析表

表2中，將例行試驗溫度進(jìn)行了區(qū)間劃分，對比各溫度區(qū)間齒輪箱的比例。數(shù)據(jù)分析如下：

（1）從最直觀的例行試驗GW最高溫度和最低溫度比較，自2018年7月實施優(yōu)化措施以來，GW最高溫度未達(dá)到技術(shù)要求的上限值120℃；GW最低溫度為89.8℃，比之前的95.6℃下降了5.8℃。

（2）以110℃為界限分析，自2018年7月實施優(yōu)化措施以來，GW最高溫度落于110℃～115℃和115℃～120℃兩個區(qū)間的比例有明顯下降；表明優(yōu)化措施起到了明顯的效果。

（3）自2018年7月實施優(yōu)化措施以來，GW最高溫度落于≤110℃和100℃～105℃兩個區(qū)間的比例有明顯上升；表明優(yōu)化措施起到了明顯的效果。

（4）GW最高溫度在105℃～110℃區(qū)間的比例，相差3.7%，考慮齒輪箱零件個體差異及裝配后的個體差異，應(yīng)屬于正常的波動。

5 結(jié)束語

跟蹤驗證結(jié)論：自對該型號動車齒輪箱油量調(diào)節(jié)裝置的功能優(yōu)化以來，該型號齒輪箱的例行試驗溫度得到了明顯的改善，動車齒輪箱軸承溫監(jiān)測溫度報警機(jī)率得到很大程度的降低。