地鐵探傷機車輪對驅動裝置的設計開發

王 林，羅曉龍

(四川眾能傳動科技有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

地鐵探傷機車主要是用于地鐵線路鋼軌的探傷檢測，檢測鋼軌表面及內部裂紋情況，排除隱患風險，確保地鐵行車安全。作為地鐵探傷機車傳動系統中的重要組成部件，輪對驅動裝置的設計和開發尤為關鍵。傳統的地鐵探傷機車通常以柴油機作為動力源，機車最高運行速度為60 km/h，輪對驅動裝置體積大、重量重，輪對驅動裝置齒輪箱最底面距離鋼軌面較近，有一定的行車安全隱患。四川眾能傳動科技有限公司為中車資陽機車有限公司研發了一款用于電機驅動的地鐵探傷機車輪對驅動裝置，具有低碳、環保、速度快、體積小、重量輕、安全性能高等特點，在地鐵機車中應用前景廣闊，本文對其研發過程進行了詳細闡述。

1 輪對驅動裝置的結構特點

地鐵探傷車傳統系統如圖1所示。二級輪對驅動裝置(二級箱+輪對)和一級輪對驅動裝置(一級箱+輪對)安裝在機車轉向架上。電機通過輸入傳動軸驅動二級輪對驅動裝置，二級輪對驅動裝置通過中間傳動軸驅動一級輪對驅動裝置，2種驅動裝置的車軸各自與車輪相連，最終實現將電機的轉速和扭矩傳遞至車輪，驅動機車運行。

1—二級輪對驅動裝置(二級箱+輪對)；2—一級輪對驅動裝置(一級箱+輪對)；3—輸入傳動軸；4—中間傳動軸；5—車軸；6—軌面。

2 輪對驅動裝置的主要技術參數和設計要求

2.1 主要技術參數

輪對驅動裝置主要技術參數如下：軌距：1 435 mm；輪徑：840 mm(新輪)；軸重：14 t；啟動牽引力：260 kN；持續牽引力：162 kN；持續速度：8 km/h；最高速度：100 km/h；二級箱傳動比：3.38；一級箱傳動比：2.07。

2.2 設計要求

1)傳動方式：二級箱為圓柱齒輪傳動+螺旋錐齒輪傳動，一級箱為螺旋錐齒輪傳動。

2)能適應雙向運行。

3)潤滑方式：為保證齒輪箱內齒輪、軸承在8～100 km/h時速范圍內均能充分潤滑，必須使用飛濺潤滑加強迫潤滑。

4)箱體限界：齒輪箱下箱體最低位置與車軸中心高差不得超過260 mm。

3 輪對驅動裝置的設計

3.1 箱體設計

機車運行時，車軸齒輪箱受到軌道的沖擊和振動，對箱體的強度、韌性都有較高的要求[1]，根據材料綜合性能和經濟性，選用ZG230-450材料能滿足需求。為降低箱體重量和噪音，箱體局部外觀采用仿圓形設計，箱體各軸承支撐座處設置加強筋，提高其強度和剛度。二級箱外形圖如圖2所示，一級箱外形圖如圖3所示。

1—上箱體；2—中箱體；3—下箱體；4—輸入軸組成；5—中間軸組成；6—車軸組成；7—透氣帽；8—注油口；9—可視油標；10—放油口；11—拉臂座。

1—上箱體；2—下箱體；3—輸入軸組成；4—車軸組成；5—透氣帽；6—注油口；7—可視油標；8—放油口；9—拉臂座。

為驗證箱體強度及剛度，須對其進行有限元分析。經分析，在最惡劣工況(啟動)下，二級箱箱體最大等效應力106 MPa，一級箱箱體最大等效應力110 MPa，箱體最大等效應力均小于箱體屈服強度230 MPa。箱體強度、剛度滿足最惡劣工況下的使用要求，可認為箱體在各種工況下是安全可靠的。

3.2 傳動齒輪設計

設計輸入已給定傳動比，二級箱和一級箱螺旋錐齒輪傳動級的傳動比相同，先對螺旋錐齒輪對進行設計。機車運行過程扭矩很大，對錐齒輪的強度要求很高，故選擇強度高、壽命長、嚙合平穩，且設計和工藝均比較成熟的格林森制弧齒錐齒輪，材料選擇淬透性、韌性好的18CrNiMo7-6低碳合金鋼，齒部進行碳淬火處理[2]。為提高齒輪齒根彎曲疲勞強度，應盡量使用大模數齒輪，根據傳動比要求，最終確定齒數比為14/29，齒輪大端端面模數Mt為16.5 mm。

對于二級箱，還需要確定圓柱齒輪的參數。根據總傳動比3.38，螺旋錐齒輪級傳動比2.07，計算得圓柱齒輪級傳動比i=3.38÷2.07≈1.63。圓柱齒輪的材料和熱處理方式與螺旋錐齒輪一致。為降低沖擊和噪音，選擇圓柱斜齒輪，最終確定圓柱斜齒輪齒數比為30/49，法向模數Mn為9，螺旋角β為16.5°。

關于齒輪螺旋角方向的確定，由于圓柱斜齒輪和螺旋錐齒輪在嚙合過程中會產生軸向力，其軸向力的方向跟齒輪旋向有關。選擇合適的螺旋角方向，使中間軸上圓柱大齒輪(齒數為49)與螺旋小齒輪(齒數為14)的軸向力相反，從而抵消一部分軸向力，降低該軸上軸承的軸向載荷，提高軸承的使用壽命。經受力分析，最終確定齒輪螺旋角方向為：圓柱小齒輪(右旋)—圓柱大齒輪(左旋)—螺旋小齒輪(左旋)—螺旋大齒輪(右旋)。

齒輪參數確定后，須對其強度進行計算校核。根據設計輸入，齒輪箱存在啟動、持續、高速3種工況，使用KISSsoft軟件按照IS0 6336-2006《直齒輪和斜齒輪承載能力計算》以及IS0 10300-2001《錐齒輪承載能力計算方法》分別對圓柱斜齒輪和螺旋錐齒輪的3種工況進行強度校核[3]，校核結果如表1和表2所示。

表1 圓柱斜齒輪強度校核結果(安全系數)

表2 螺旋錐齒輪強度校核結果(安全系數)

由計算結果可知：齒輪齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度均達到較高可靠度的安全系數，齒輪在啟動工況下的靜安全系數大于4，齒輪強度滿足要求。

3.3 軸承布局設計

圓柱斜齒輪和螺旋錐齒輪在運行過程中會產生徑向和軸向2種負載，在軸承布局和選型方面須考慮徑向和軸向2個方向的承載能力，且便于安裝和調整。綜合軸承各方面的性能需要，各軸均采用雙圓柱滾子軸承加四點接觸球軸承的布局結構，如圖4所示。2個NU型圓柱滾子軸承分別置于圓柱齒輪的兩端，僅用于承受徑向力，四點接觸球軸承置于其中一端，僅用于承受軸向力。

1—輸入軸；2—法蘭；3—圓柱滾子軸承；4—圓柱齒輪；5—圓柱滾子軸承；6—四點接觸球軸承；7—悶蓋；8—調整墊；9—擋油板；10—端蓋；11—油封。

3.4 潤滑系統設計

為了使齒輪箱在低速至高速的運行狀態下都能有良好的潤滑效果，齒輪箱潤滑系統采用了飛濺潤滑加強迫潤滑相結合的方式，如圖5所示。

1—油壓調節裝置；2—下箱體；3—油底殼；4—濾油器；5—齒輪油泵；6—小圓柱齒輪；7—大圓柱齒輪。

飛濺潤滑為大齒輪(圓柱大齒輪和螺旋大錐齒輪)浸入箱體內部的油液中，通過旋轉攪拌，使油液飛濺至箱壁或各軸承部位。當齒輪箱低速運行時，飛濺潤滑無法滿足潤滑需求，故齒輪箱內設計了一個雙向齒輪油泵。齒輪箱運行時，驅動油泵工作，潤滑油通過各油道管路完成強迫潤滑。為避免機車高速運行時油壓過高，造成齒輪箱漏油或油泵過載損壞，在油路中還設置有油壓調節裝置。齒輪油泵通過油底殼安裝在箱體底面，無需拆箱便可取下，便于后期油泵的保養和維修。

4 輪對驅動裝置試驗

為驗證輪對驅動裝置的綜合性能，需要進行臺架試驗(見圖6)。經正、反轉試驗驗證，輪對驅動裝置運行平穩，達到熱平衡后的最高溫升不超過40℃，各部位未出現泄漏，未出現明顯異音和振動，最高噪音不超過85 dB(A)。

圖6 輪對驅動裝置臺架試驗示意圖

5 應用效果總結

2021年5月，四川眾能傳動科技有限公司研發生產的探傷機車輪對驅動裝置順利交付貴陽地鐵公司使用，至今使用情況良好，滿足相關作業要求。

1)輪對驅動裝置設計合理，整體運行平穩，機車最高速度運行時，噪音為83 dB(A)，滿足地鐵探傷機車作業要求。

2)潤滑系統運行可靠，機車長時間運行時，輪對驅動裝置整機溫度維持在55℃(工作環境溫度20℃)，各位置無漏油現象，密封性良好。

3)該款輪對驅動裝置與傳統的內燃機車輪對裝置相比較，重量減少了20%，輪對驅動裝置齒輪箱最底面與鋼軌面距離比傳統機車提高了50 mm，機車運行安全性大大提高。

4)該款輪對驅動裝置設計的最高速度為100 km/h，傳統機車最高速度為60 km/h，機車作業效率大大提升。

5)該款輪對驅動裝置的成功研發，提升了公司產品的競爭力，為公司進一步開發地鐵調車機車、鐵路工程機車等傳動系統關鍵部件積累了寶貴的經驗。