城轨车辆驱动齿轮箱技术和典型故障研究

城轨车辆驱动齿轮箱技术和典型故障研究摘要：传动齿轮箱是城轨车辆动车转向架上的关键零部件，它通过大、小齿轮间啮合，将牵引电机牵引力传递给车轴，驱动车辆前进。本文针对齿轮箱的传动结构、箱体形式、轴承选型、润滑密封和性能要求等设计关键技术展开介绍，对现存齿轮箱典型故障进行提升规避和新技术应用前瞻性讨论，为城轨齿轮箱设计应用提供必要参考，推动本系统国产化提升和升级发展。

关键词：城轨车辆；驱动齿轮箱；设计技术；故障提升；前瞻研究

1城轨车辆驱动齿轮箱概述

随着我国经济的迅速发展，地铁作为现代都市生活中重要的交通工具，已经成为各个城市节约能源、减少污染、缓解交通的主要选择，目前我国城轨车辆车型主要有Ａ型、Ｂ型和Ｃ型，主要采用动力分散形式，由电机驱动车辆前进。大部分地铁车辆通过驱动齿轮箱来实现电机的动力传递，齿轮箱通过悬挂装置安装在转向架上，齿轮箱的传动结构、箱体形式、轴承选择、润滑密封结构和技术指标不仅要考虑齿轮箱的需要，同时还要满足转向架空间、电机特性和车轴尺寸的要求。

驱动齿轮箱即一套齿轮减速系统，包括齿轮箱箱体、齿轮、轴承、密封件、齿轮箱与构架连接装置（吊杆、C形支架等）、接地装置及相关附件组成。

1.1技术基本要求

①齿轮箱动密封应采用双向密封的密封结构，所有密封处在正常试验或使用过程中不应有润滑油油滴及流挂的泄漏现象。

②齿轮箱应设有注油和润滑油排出的注/排油孔，注/排油孔处应加装有永久磁性螺堵，齿轮箱应设置防脱落安全结构。

③齿轮箱与构架连接宜采用弹性节点，应设有油量和内部齿轮状态观察装置。

④齿轮箱主动齿轮与联轴节的连接宜采用锥度过盈连接方式，电机轴和主动齿轮轴连接锥面宜采用相同的设计。

⑤齿轮箱可根据需求预留温度、振动等传感器的安装接口以及接地装置的安装接口。

⑥齿轮箱结构应采用轻量化设计，允差不应大于±3%。

1.2性能要求

①齿轮箱应满足列车最高设计速度要求，齿轮箱内润滑油的损耗量不应超过0.5L/15万公里。

②正常使用条件下，

③齿轮箱轴承与润滑油允许的最高温度，各部位最高允许温度不超过120℃。

④齿轮箱噪声可以采用声压级或声功率级进行评定，其噪声声压级不应大于90dB（A）。齿轮箱振动应符合GB/T6075.1—1999中IV类C级要求。

⑤齿轮箱达到额定功率时，单级测试传动效率η≥98％；两级驱传动效率η≥97%。

⑥齿轮箱箱体及吊杆体关键部位的应力不应超过材料屈服极限。

2城轨车辆驱动齿轮箱关键技术研究

２.1驱动齿轮箱传动结构和箱体形式

目前国内城轨齿轮箱常用传动结构有一级和二级斜齿轮传动，箱体常用结构有斜剖分箱式结构和整体式结构，整体式箱体结构又有箱盖在上部和箱盖在侧面两种常见结构。如图1所示。

图1齿轮箱箱体形式和典型故障图片

一级传动结构简单、传动效率高，可以有效降低维护成本，占用空间小、重量轻，减小转向架簧下重量。二级传动结构相对复杂，但可以有效地提高齿轮箱承载能力，中心距和速比变化范围大，可以更好适应地铁车辆提速和承载能力需求。

分箱式齿轮箱结构便于拆装和维护，从使用性和维护性考虑地铁齿轮箱箱体结构选择斜剖分式更为合适。整体式结构加工性好，容易保证形位公差，但拆装麻烦，必须将输出齿轮与车轴分解后才能将齿轮箱拆开，特别是箱盖在侧面的结构，对箱盖安装的密封性要求高，易发生漏油故障，宜避免该结构。

2.2齿轮、轴承选择、滑润与密封

大/小齿轮材料宜选用渗碳合金钢，常用牌号有20CrMnMo、18CrNiMo7-6等，轮形应采用渐开线圆柱齿轮，齿轮精度应不低于GB/T10095.1/2—2008中的6级要求。齿轮接触承载能力计算应符合ISO6336-2的要求，瞬时超载齿轮承载能力按ISO6336-2/3中推荐值进行计算。

轴承设计主要选用圆锥滚子轴承，有单支撑和双侧支持两种方式，轴承选用有面对面布置，两个圆柱滚子轴承加一个四点角接触轴承、圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承加四点角接触轴承等形式。轴承应按照ISO281和ISO/TS16281进行寿命计算和修正，修正后的计算寿命应不小于240万公里。

润滑和密封可靠性要求较高，主要采用飞溅润滑方式，大齿轮浸入油池中，齿轮旋转将润滑油带到啮合齿面上，通过在箱体内壁中合适位置增加挡油板和集油槽，使油脂流入轴承对其润滑。密封采用非接触式机械迷宫、橡胶圈及纸垫等密封方式，同时增设正压通气装置。润滑油选用时应考虑润滑油的使用温度、极压性能、抗乳化、抗老化、通胀比等性能，换油周期不应小于1年。

2.3现存产品典型故障研究与提升

1.排油堵底板裂纹：下箱体裂纹位于排油口附近，裂纹长约25mm，裂纹已穿透整个壁厚，属于一次脆性开裂，裂源位于第一牙螺纹处。该断口基本呈解理断裂，与铸造工艺不当导致组织存在较多的碳化物所致。

2.齿轮箱渗油：不同齿轮箱渗油点不一，分箱式主要存在于各分箱面，整体式主要发生于迷宫装置和紧固件处，主要通过提高装配工艺和渗油点监控方式解决。

3.齿轮箱油质变色：主要有绿色、黑色和白色几种，多发生于换装润滑油的初期，需定期对油堵磁堵和内部各部件状态检查。

3新技术方案发展趋势前瞻

1.箱体整体设计采用小型化、轻量化方式，材料选择高强度铝合金，兼具轻、小和优良散热性能。

2.城轨车辆“下一代地铁的”研发，标准化齿轮箱产品将成为趋势，牵引系统和永磁电机的成熟应用，“直驱时代”即将到来。

3.城轨车辆信息化，齿轮箱设计应考虑配置和预留智能化设备及接口。

4.新材料、新工艺、新技术的发展，齿轮箱关键部件强度、寿命和可靠性将得到长足优化。

参考文献

[1]《地铁车辆用驱动齿轮箱技术规范》