鄭州地鐵車輛齒輪箱典型故障分析及處理

程相勛

(鄭州地鐵集團有限公司，450046，鄭州∥工程師)

齒輪箱為車輛走行部的關鍵部件，其可靠性直接關系到列車能否安全運行。近年來鄭州地鐵車輛維保中陸續發現齒輪箱漏油、齒輪箱油發黑及齒輪箱內有金屬異物等典型故障。本文對齒輪箱典型故障進行分析研究并提出處理措施。

1 齒輪箱概況

轉向架上牽引電機產生的驅動轉矩通過聯軸節和齒輪箱傳遞至驅動輪。齒輪箱還可傳遞制動轉矩。鄭州地鐵列車車輛所用齒輪箱均采用軸懸式安裝，通過吊桿與轉向架固定。吊桿具有彈性支座，能滿足車輛系統的動靜態載荷。聯軸節可吸收電機和齒輪箱之間的軸向和徑向相對運動能量。

齒輪箱箱體由球墨鑄鐵加工而成，由上下兩部分組成。箱體內有主動、從動螺旋斜齒輪。主動齒輪通過固定軸承裝置安裝在箱體內。固定軸承裝置由2個圓柱滾子軸承和1個角接觸球軸承組合而成。從動齒輪通過熱縮固定在輪軸上。

齒輪箱內的齒輪和全部軸承都使用潤滑油進行潤滑。齒輪箱運行過程中，通過箱體內的油槽收集上箱體油壁上甩落的潤滑油，潤滑油通過油槽和油孔流向軸承，從而起到潤滑的作用;同時,磁性油堵收集潤滑油中的金屬顆粒和灰塵顆粒。主動齒輪和齒輪箱箱體之間,以及輪軸和齒輪箱箱體之間的密封均采用非接觸性迷宮式密封，不僅可保證保留箱體內潤滑油，還可防止灰塵或其他污染物進入[1]。

2 齒輪箱典型故障分析及處理措施

2.1 齒輪箱油發黑

日檢作業時發現，某列車有一齒輪箱油發黑，而整列車其他齒輪箱油卻顏色正常，故檢修人員將該車扣停。

將齒輪箱放油發現，潤滑油中有金屬碎屑。隨后拆解該齒輪箱發現，輸入軸系車輪側四點接觸球軸承定位銷槽處開裂(如圖1所示)，保持架發生磨損變形，定位銷磨損，箱體內有大量銅屑。由此判斷，軸承故障為齒輪箱油發黑的直接原因。

圖1 軸承定位銷處開裂

分析發現，齒輪箱在組裝過程中，如定位銷過長，則定位銷端面將于止動槽底部壓緊，并引起此處軸承外圈產生變形。由于定位銷端面圓周為棱邊，且四點接觸球軸承滾子為球型，故當輸入齒輪軸軸向力指向車輪側時，軸承定位銷槽處外圈在定位銷與滾子作用下存在交變應力變形，進而引起定位銷槽處開裂。其受力示意圖如圖2所示。

注：F1為定位銷對四點接觸球軸承外圈的力；F2為定位銷端面對于止動槽底部的壓緊力。

為避免再次發生類似故障，對同批次齒輪箱進行全面普查，并確保定位銷斜面與止動槽底部之間均留有間隙。此后，齒輪箱制造廠家對定位銷長度進行了優化。優化后的定位銷與悶蓋組裝后，能保證定位銷斜面與止動槽底部之間的間隙大于0.3 mm。后續列車未再發生同種故障。

2.2 齒輪箱擋油塊脫落

某線路年檢中，在齒輪箱換油作業時發現，1處齒輪箱排油堵上吸附了1塊約38 mm(長)×13 mm(寬)×4 mm(厚)的鐵塊。使用內窺鏡對齒輪箱體內部進行檢查，發現電機側擋油板脫落。之后將該齒輪箱發往廠家進行拆解分析。

齒隙及輸出軸軸承間隙的開箱前測量值均在正常范圍內。開箱后，對輸入軸軸承間隙、大齒輪定位尺寸及跳動進行測量，結果均在正常范圍內，大小齒輪狀況良好，無明顯異常。進一步檢查發現，下箱體油池有1塊鐵塊，其形貌與脫落的擋油板吻合，經確認是另1塊脫落的擋油板。

將箱體擋油板失效樣塊及掉落的鐵塊送往檢測中心進行失效分析。

使用掃描電鏡觀察發現，擋油板樣塊斷口存在片狀石墨及片狀石墨撕脫后的方形印痕。對掉塊斷口進行電鏡掃描，確認斷口存在片狀石墨。掃描電鏡檢查結果如圖3所示。

a)擋油板斷口1 000倍形貌

將擋油板斷口截面進行金相檢查，發現試樣斷口處整個截面均為片狀石墨。對掉塊斷口截面進行金相檢查，發現片狀石墨已貫穿整個拐角截面，與擋油板吻合。金相檢查結果如圖4所示。

a)擋油板斷口截面微觀形貌

由檢查結果可知：送檢擋油板斷口具有脆性斷裂特征；斷口處存在的片狀石墨，屬于球化衰退惡化層缺陷，會導致該區域脆性急劇增加，使擋油板位置的強度受到影響；因片狀石墨具有切口效應，致使擋油板疲勞壽命也會大幅降低。經進一步調查發現，在箱體鑄造過程中，人工涂刷涂料時未對擋油板拐角處有效涂抹，導致砂型中硫元素進入箱體，進而造成拐角截面處整體球化衰退。在箱體加工鏜孔時，擋油板區域受到切削力和振動，導致該區域產生初始裂紋；由于材料存在缺陷，隨著列車長時間運行，原始裂紋因振動延展，導致擋油塊脫落[2]。

針對此問題，制造廠家將之前對擋油板外觀目視檢查，改為箱體擋油板處100%無損探傷，確認擋油板區域無裂紋。

2.3 齒輪箱滲油

在某新開通線路，齒輪箱小軸電機側端蓋處陸續批量出現滲油現象，如圖5所示。

圖5 齒輪箱電機側滲油

經分析,造成齒輪箱滲油的因素為：齒輪箱密封設計結構、端蓋組裝工藝、零部件制造質量及組裝操作過程。

經確認，該型號齒輪箱已在其他線路應用，運營狀態良好，未出現類似問題，說明端蓋密封設計結構和組裝工藝可靠。經核實，該批次齒輪箱的箱體、套杯及端蓋的零部件尺寸檢查記錄均符合要求。由此初步推測該故障由組裝操作過程導致。齒輪箱輸入端結構如圖6所示。

圖6 齒輪箱輸入端結構

根據齒輪箱結構分析，若箱體斷面與套杯端面、端蓋與套杯端面密封不良，將會出現端蓋滲油現象[3]。

對端蓋滲油齒輪箱進行拆解檢查發現，箱體與套杯端面密封膠涂抹連續完整，未有滲油現象，符合工藝要求。進一步檢查發現，端蓋與套杯端面密封膠不連續，套杯端面下部光孔處密封膠相對薄弱，并有油漬(如圖7所示)。潤滑油通過此薄弱處滲入光孔，造成齒輪箱輸入端電機側從螺紋孔滲油。

圖7 端蓋密封缺陷情況

針對此故障采取以下措施：在端蓋緊固螺栓端部密封處、端蓋與套杯密封處、套杯與箱體密封處涂抹密封膠；日常跟蹤齒輪箱油位變化；在列車架修時，對齒輪箱進行拆解和清洗，并按工藝重新進行組裝。之后該問題得以徹底解決。

2.4 齒輪箱油有銅屑

在雙日檢時，檢修人員通過油鏡觀察發現潤滑油中有銅屑微粒。將齒輪箱油放出后，在齒輪箱油中發現銅屑微粒(見圖8)。

圖8 齒輪箱內銅屑微粒

齒輪箱箱體內含有銅材質的零件有：圓柱滾子軸承保持架和四點接觸球軸承保持架。這兩種銅保持架的材料一樣。對保持架局部和銅屑各放大10倍觀察，發現顏色差異較大，說明銅屑不是來自于保持架。

在檢查工器具時發現，在軸承套杯與齒輪箱箱體裝配過程中使用的紫銅棒含有銅材質。從紫銅棒上取出銅屑，放大10倍發現，紫銅棒銅屑和齒輪箱油中的異物銅屑外觀顏色一致。

紫銅是一種純凈度較高的銅，塑性較好、硬度較低，即使隨齒輪箱油進入軸承或齒輪嚙合區域，也不會對硬度較高的軸承或齒輪齒面造成影響,但銅屑堆積仍存在造成齒輪箱油路堵塞的風險。

對此，要求生產廠家在齒輪箱加工及裝配后加強箱體內部殘留金屬材質的吹塵和清潔，確保箱體內無金屬異物，以避免類似銅屑造成軸承損傷及油路堵塞。

3 結語

本文針對鄭州地鐵齒輪箱出現的典型故障進行分析，確認故障原因和解決措施，對齒輪箱的維護保養具有指導意義。齒輪箱日常維護簡單，但運行過程中問題繁雜，故障造成影響較大，制造廠商應嚴控生產質量，改進生產工藝，確保齒輪箱安全可靠。