吳臻易　趙浩杰　劉斌普

摘 要：通過對某型和諧號動車組齒輪箱軸承故障原因及結(jié)構(gòu)機理分析，針對特定工況下齒輪箱軸承潤滑不良問題制定了齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，從而提升齒輪箱的受油量，降低軸承干磨的概率。同時該方案通過了臺架試驗、模擬仿真、型式試驗等一系列的試驗驗證，證明在保證原有結(jié)構(gòu)可靠性基礎(chǔ)上，對于改善軸承潤滑不良的問題效果明顯，現(xiàn)方案已經(jīng)進入批量改造實施階段，改造完成后動車組經(jīng)跟蹤應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：齒輪箱 油路 軸承 仿真 溫度

1 引言

2022年1月，某型和諧號高速動車組接連報出多起齒輪箱小軸溫度報警故障，故障件拆解后發(fā)現(xiàn)齒輪箱PW側(cè)軸承內(nèi)圈擋邊磨損。

進一步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，故障均發(fā)生在 0℃左右低溫環(huán)境和特定速度區(qū)間（140km/h-240km/h），分析因齒輪箱磨合不充分，在低溫環(huán)境、特定速度區(qū)間、齒輪箱正轉(zhuǎn)、潤滑油量偏少等特定條件下，齒輪箱車輪側(cè)小軸承受油量減少，導(dǎo)致軸承瞬時潤滑不良，內(nèi)圈大擋邊與滾子干摩擦，造成軸承溫升突變。

2 齒輪箱結(jié)構(gòu)機理

2.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

該型動車組裝用的齒輪箱為整體式鋁合金箱體，一級斜齒輪傳動，大小軸均采用圓錐滾子軸承，小軸軸承型號R70-25g3QWAP6B。齒輪箱采用飛濺式油潤滑方式，潤滑油型號JRK65/KRG 75W-80/VT 75W-80，黏度等級75W-80，油量3.1L（中刻度線）。

2.2 受油路徑

正轉(zhuǎn)：大齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)（由電機側(cè)看向齒輪箱），潤滑油從大油池攪起，沿大齒輪旋轉(zhuǎn)方向甩向小齒輪側(cè)軸承，經(jīng)兩側(cè)軸承及PM側(cè)回油孔后落入小油腔。

反轉(zhuǎn)：大齒輪順時針旋轉(zhuǎn)，將潤滑油從大油池攪起后直接甩向小齒輪側(cè)軸承，經(jīng)過兩側(cè)軸承及PM側(cè)回油孔后落入小油腔。

3 優(yōu)化方案

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為改善PW側(cè)軸承潤滑條件，增加其受油量，對箱體、PW 軸承座和箱蓋密封墊進行改造。在維持齒輪箱主體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，對箱體、軸承座增加Φ5mm的聯(lián)通孔，同時箱蓋密封墊設(shè)置缺口，利用上箱蓋斜度將潤滑油經(jīng)密封墊缺口→箱體孔→PW軸承座孔→PW側(cè)軸承，形成新增油路。

具體方案如下：

（1）箱體：在箱體上箱蓋安裝面的PW側(cè)軸承上方處增設(shè)傾斜角度約63.7°、直徑Φ5mm通孔，上孔口倒角處理。

（2）PW軸承座：在PW軸承座上方與箱體通孔對應(yīng)處增設(shè)傾斜角度約15°、直徑Φ5mm 通孔，上孔口倒角處理。

（3）密封墊：箱體通孔對應(yīng)的密封墊處設(shè)置半徑 5mm 的長條形缺口。

（4）標(biāo)識：齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在齒輪箱銘牌旁刻打“G”標(biāo)識，與原結(jié)構(gòu)齒輪箱區(qū)分。

3.2 方案驗證

3.2.1 受油量試驗

通過試驗臺跑合，對齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效性開展臺架試驗，對比了相同時間內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后PW側(cè)及PM側(cè)軸承受油量，具體如下：

（1）增加油路后，PW側(cè)軸承受油量較原結(jié)構(gòu)齒輪箱增加約100%～300%。

（2）增加油路后，正轉(zhuǎn)PW側(cè)軸承受油量與PM側(cè)（反轉(zhuǎn)）軸承受油量相當(dāng)。

3.2.2 強度分析

對優(yōu)化后齒輪箱箱體進行強度校核，短路扭矩10050N.m，正轉(zhuǎn)工況下齒輪箱Φ5mm通孔處最大應(yīng)力 48.5MPa，反轉(zhuǎn)工況下Φ5mm通孔處最大應(yīng)力56.3MPa，相對于箱體材料的疲勞極限78.4MPa，安全系數(shù)分別為1.62和1.39。

對優(yōu)化后軸承座進行強度校核，短路扭矩10050N.m，正轉(zhuǎn)工況下軸承座Φ5mm通孔處最大應(yīng)力 44.5MPa，反轉(zhuǎn)工況下軸承座Φ5mm通孔處最大應(yīng)力 31.5MPa，相對于軸承座材料的疲勞極限147MPa，安全系數(shù)分別為3.30和4.67。

3.2.3 模態(tài)分析

對優(yōu)化前后箱體和PW軸承座的模態(tài)進行計算分析，由計算結(jié)果可知，優(yōu)化前后的箱體和PW軸承座各階模態(tài)特征頻率與振型均基本一致，局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化對其振動特性的影響可忽略。

3.2.4 密封分析

為驗證密封墊加工后密封性能，考慮螺栓預(yù)緊力， 對原方案及優(yōu)化方案密封墊面壓進行計算，結(jié)果表明優(yōu)化前后密封墊處面壓基本一致，無明顯下降部位。

3.2.5 型式試驗

根據(jù)《TJ/CL277-2014 動車組齒輪箱組成暫行技術(shù)條件》開展了優(yōu)化方案齒輪箱例行試驗及高溫特性試驗、低溫啟動、溫升平衡試驗、最高試驗轉(zhuǎn)速加載試驗，試驗結(jié)果滿足要求，見表2。

3.2.6 溫度分析

基于齒輪箱低溫啟動及溫升平衡試驗，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的GW/GM/PW/PM側(cè)軸承的溫升速率、溫度進行對比分析，各部位軸承溫度特征無明顯差異，各密封部位狀態(tài)良好。其中PW側(cè)軸承在低溫啟動時的溫升速率略有降低，溫升平衡試驗時的最高溫度值略有增加，見表3。

統(tǒng)計該型高速動車組2400余套齒輪箱PW側(cè)軸承歷史溫度，最高為104℃，對比優(yōu)化前后PW側(cè)軸承溫升平衡溫度（117.8℃/118.0℃），分析優(yōu)化后齒輪箱PW側(cè)軸承夏季高溫環(huán)境運行時最高溫度基本無變化，可以確保夏季高溫季節(jié)運用穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

通過對某型動車組的齒輪箱軸承擋圈磨損導(dǎo)致溫度升高故障的原因進行深入分析，從齒輪箱結(jié)構(gòu)機理出發(fā)，提出了完整的齒輪箱油路改造優(yōu)化方案，并經(jīng)過臺架試驗、模擬仿真、型式試驗等一系列手段驗證方案對改善上述故障失效模式切實有效，具有較大的應(yīng)用價值。

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