100%低地板輕軌車輛齒輪箱輸出軸密封設計及試驗驗證

侯建文, 張會杰

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111；2.重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司，重慶401122）

0 引 言

100%低地板輕軌車輛由于受地板高度的限制，傳動系統通常都布置在構架兩側，多采用架懸方式[1]。由于齒輪箱置于車輪外側，安裝空間受到車輪和裙板的嚴格限制，且齒輪箱結構緊湊、復雜，迷宮密封的設計成為齒輪箱中的難點，文中介紹了一種獨立輪100%低地板齒輪箱輸出端密封結構設計和試驗驗證。

1 齒輪箱輸出軸結構

對于獨立輪結構的低地板轉向架，通常采用橡膠柔性聯軸節連接齒輪箱輸出軸和車輪，橡膠柔性聯軸節左、右兩組橡膠盤分布在齒輪箱兩側，此外在車軸端部設置有接地裝置。在有限空間內沿車軸軸向上安裝了齒輪箱側半聯軸節、齒輪箱、車輪側半聯軸節、接地裝置和車輪，結構非常緊湊，如圖1所示。

圖1 100%低地板齒輪箱安裝位置及輸出軸結構

2 輸出軸密封結構設計影響因素

2.1 徑向尺寸

由于低地板齒輪箱采用架懸安裝方式，轉向架與車軸之間位置不固定，兩者之間相對運動由聯軸節浮動變位進行協調。聯軸節浮動變位空間可根據轉向架設計的垂向、橫向、縱向和側滾量，以及聯軸節結構和剛度計算獲得，在聯軸節浮動變位空間內不得有零件干涉。

而對于獨立輪低地板轉向架，其通常在車軸端部設置有接地裝置，此時聯軸節須做成喇叭形，齒輪箱輸出軸為空心結構。這種結構造成輸出空心軸直徑較大，遠大于普通軌道交通齒輪箱，縮短了密封口與齒輪箱箱體底部距離，如圖2所示。

圖2 聯軸節水平狀態和浮動變位狀態

2.2 潤滑油液面

軌道交通齒輪箱多采用非接觸式密封，密封口應高于齒輪箱潤滑液面，避免潤滑油浸泡密封結構造成泄漏。由于低地板車輛距離軌道面高度的限制，齒輪箱底部不能降低，齒輪箱密封口距離油面較近。此外，齒輪箱傾斜狀態和離心力會使潤滑油向齒輪箱一側流動，造成局部潤滑油液面抬升，在極限情況下潤滑油不能漫過密封口。

2.3 涉水行車

100%低地板車輛路況特殊，其軌道高度基本與路面齊平，在路面局部出現積水時，車輛需要涉水運行，如圖3所示。對于積水深度，各主機廠提出的要求略有不同，但通常都要求達到積水淹沒軌面20～50 mm左右，車輛能夠低速運行。

圖3 車輛涉水運行示意圖

在積水較深時，齒輪箱底部基本被積水浸沒，聯軸節與車輪也局部浸入積水。車輛運行過程中，聯軸節和車輪的旋轉會將積水沿圓周方向甩出。涉水運行工況下齒輪箱會經歷苛刻的淋水過程，因此要求齒輪箱具有一定的防水性能，避免齒輪箱進水造成潤滑油乳化。

3 密封結構設計

基于上述分析，設計了圖4所示的密封結構，該密封結構包含小間隙密封、甩油環密封和迷宮密封三部分，以及外部的防水侵入結構。

其中小間隙密封主要作用是阻擋高動能潤滑油，同時通過小間隙增大潤滑油及油霧的流出阻力。在小間隙密封外側設置了甩油環密封。甩油環密封的主要作用是通過離心作用將潤滑油甩出，阻止潤滑油沿輸出軸向外浸潤和流動。潤滑油沿甩油環切向甩出后附著在密封腔腔壁上，沿腔壁向下流動至回油口內。在甩油環外側設置有迷宮密封結構，進一步增加油霧流出阻力，并防止外部水汽反向進入齒輪箱內。在齒輪箱外側，設置有導流槽，用于阻擋齒輪箱表面附著的水滴沿重力方向向下流動至迷宮密封口。

4 試驗驗證

目前國內已經有很多學者采用CFD方法對齒輪箱密封進行了大量研究[2]，但對密封效果仍然需要采用模擬試驗驗證。傾斜試驗、淋噴水試驗等試驗方法已經成為齒輪箱密封系統是否可靠的驗證手段[3]。

4.1 傾斜試驗

通過線路的坡度、超高、轉向架垂向浮動、側滾等參數可計算出齒輪箱繞X軸和Y軸的極限傾斜角度。此外對于低地板齒輪箱，還應考慮潤滑油在離心力作用下向齒輪箱一側聚集。

傾斜試驗采用空載方式，試驗臺布置如圖5所示，試驗模式如表1所示，試驗油位設置為高油位，油量4.5 L，傾斜角度為：X軸±5.0°，Y軸±3.5°，每種傾斜角度均按照表1工況正反轉連續運行。

試驗過程中采用溫度傳感器采集各軸承溫升和潤滑油溫升曲線，最高溫升出現在沿X軸傾斜-5.0°輸入軸軸承處，最高溫升23.44 ℃，最高油溫溫升18.12 ℃。每一工況試驗后通過顯影方式檢查齒輪箱各動密封和靜密封位置，未見滲油。

圖5 坐標定義及試驗臺布置

4.2 防水試驗

將齒輪箱靜止放置于平臺上，用淋水噴頭在齒輪箱上方向齒輪箱淋水，噴水量3 L/min，噴頭至齒輪箱表面的距離1 m，每處動密封淋水時間10 min，在淋水完成后拆解檢查齒輪箱和潤滑油含水量。經拆解檢查和潤滑油含水量分析，未發現有水進入齒輪箱內部情況。

表1 傾斜試驗工況

表2 傾斜試驗結果

圖6 輸入軸承處溫升曲線

圖7 油溫溫升曲線

圖8 淋水試驗

圖9 涉水模擬試驗

4.3 涉水模擬試驗

為模擬車輛涉水行駛，設計了涉水模擬試驗，模擬齒輪箱低速通過積水路段。將齒輪箱、聯軸節和虛擬車輪安裝后放置至水箱內，如圖9所示，從低速逐級加速，每種工況運轉時間30 min。

在每種工況試驗后，從齒輪箱中抽取潤滑油進行含水量檢測，并拆解密結構外側零件，觀察密封進水情況。潤滑油含水量情況如表4所示，齒輪箱含水量未增加，密封零件拆解沒有水跡顯示，說明該密封結構能夠滿足中低速通過一定距離的積水路段。

表3 涉水試驗工況

表4 涉水試驗結果

5 結 論

獨立輪100%低地板輕軌車齒輪箱輸出端迷宮密封結構對齒輪箱油量、密封性能、防水性能都非常重要，通過采用小間隙密封、甩油環密封和迷宮密封組合方式，在有限的空間內實現密封效果。通過傾斜試驗、淋水試驗和涉水模擬試驗對密封效果進行驗證，該密封結構能夠有效防止潤滑油滲漏并防止外部水汽浸入齒輪箱內。