地鐵傳動齒輪箱設計關鍵技術研究
2021-02-26張增強
（太原重工軌道交通設備有限公司）
（太原重工軌道交通設備有限公司）
摘 要：傳動齒輪箱是地鐵車輛的關鍵零部件，主要用來實現(xiàn)電機的動力傳輸，驅動車輛前進。針對地鐵齒輪箱的傳動結構、箱體、軸承選型和潤滑密封等設計關鍵技術進行了研究，為地鐵齒輪箱的設計提供參考。
地鐵作為現(xiàn)代都市生活中重要的交通工具，已經(jīng)成為各個城市節(jié)約能源、減少污染、緩解交通壓力的主要選擇，截止2015年，中國已有40多個城市獲批建設地鐵，運營里程近4000公里。我國地鐵車型有Ａ型、Ｂ型和Ｃ型，主要采用動力分散型，即動力來源分散在列車車廂的電動機上，由電動機驅動車輛前進。帶電動機的車廂稱為動車，不帶電動機的車廂稱為拖車，可針對不同的運營需要選擇每列車上動車和拖車的數(shù)量。
大部分地鐵車輛通過傳動齒輪箱來實現(xiàn)電機的動力傳輸，即齒輪箱輸出與車軸連接，輸入與電機連接，齒輪箱通過懸掛裝置安裝在轉向架上，所以傳動齒輪箱的傳動結構、箱體、軸承選擇和潤滑密封結構等關鍵技術設計時不僅要考慮齒輪箱的需要，同時還要滿足轉向架的空間、電機特性和車軸尺寸的要求。
1 地鐵齒輪箱傳動結構
目前國內地鐵齒輪箱常用傳動結構有一級斜齒輪傳動和二級斜齒輪傳動，分別如圖1和圖2所示。
地鐵作為現(xiàn)代都市生活中重要的交通工具，已經(jīng)成為各個城市節(jié)約能源、減少污染、緩解交通壓力的主要選擇，截止2015年，中國已有40多個城市獲批建設地鐵，運營里程近4000公里。我國地鐵車型有Ａ型、Ｂ型和Ｃ型，主要采用動力分散型，即動力來源分散在列車車廂的電動機上，由電動機驅動車輛前進。帶電動機的車廂稱為動車，不帶電動機的車廂稱為拖車，可針對不同的運營需要選擇每列車上動車和拖車的數(shù)量。
大部分地鐵車輛通過傳動齒輪箱來實現(xiàn)電機的動力傳輸，即齒輪箱輸出與車軸連接，輸入與電機連接，齒輪箱通過懸掛裝置安裝在轉向架上，所以傳動齒輪箱的傳動結構、箱體、軸承選擇和潤滑密封結構等關鍵技術設計時不僅要考慮齒輪箱的需要，同時還要滿足轉向架的空間、電機特性和車軸尺寸的要求。
1 地鐵齒輪箱傳動結構
目前國內地鐵齒輪箱常用傳動結構有一級斜齒輪傳動和二級斜齒輪傳動，分別如圖1和圖2所示。
一級傳動齒輪箱結構簡單、傳動效率高，可以有效降低維護運營費用，并且占用空間小、重量輕，可以減小轉向架簧下重量。但由于地鐵車輛運行速度高，啟制動頻繁，對齒輪強度要求高，所以齒輪設計時在滿足強度的要求下，受電機尺寸和轉向架空間尺寸的限制較大。二級傳動齒輪箱結構相對復雜，但可以有效地提高齒輪箱的承載能力，并且中心距和速比變化范圍大，可以更好地適應地鐵車輛提高速度和承載能力的需要，在Ａ型地鐵車輛上得到廣泛使用。
地鐵齒輪箱傳動結構主要根據(jù)車輛的運行速度和承載能力的需要來進行選擇，其結構尺寸應滿足轉向架空間和結構的需要，強度應滿足電機功率、轉速及扭矩的特性需要。
2 齒輪箱箱體
地鐵齒輪箱傳動結構主要根據(jù)車輛的運行速度和承載能力的需要來進行選擇，其結構尺寸應滿足轉向架空間和結構的需要，強度應滿足電機功率、轉速及扭矩的特性需要。
2 齒輪箱箱體
2.1箱體材料
地鐵齒輪箱箱體結構相對復雜，屬于批量化產(chǎn)品，所以箱體制造主要采用鑄造工藝，材料主要選用球墨鑄鐵和鑄造鋁合金。鑄造鋁合金質量輕、散熱好，可以有效地減輕齒輪箱的重量，但是由于鋁合金強度低，因此在進行齒輪箱設計時所有軸承不能直接安裝在箱體內，必須增加軸承套，并且所有螺紋孔必須增加鋼絲螺套，才能滿足強度需要，增加了齒輪箱的成本，齒輪箱結構相對復雜不易安裝拆卸和維護。球墨鑄鐵強度高，使用廣泛，從經(jīng)濟性、易維護性方面考慮地鐵齒輪箱箱體材料選擇球墨鑄鐵更為合適。
2.2箱體結構
地鐵齒輪箱箱體常用結構有斜剖分式結構和整體式結構。圖3為斜剖分箱體結構，箱體被分為上箱體和下箱體，兩者間通過螺栓連接，這種結構便于拆裝和維護，從使用性和易維護性方面考慮地鐵齒輪箱箱體結構選擇斜剖分式結構更為合適。整體式箱體結構又有箱蓋在上部和箱蓋在側面兩種常見結構，如圖4、圖5所示。整體式結構箱體加工性好，容易保證輸入和輸出軸承孔的形位公差，但是拆裝麻煩，必須將輸出齒輪與車軸分解后才能將齒輪箱拆開，不易安裝和維護；特別是箱蓋在側面的結構，對箱蓋安裝的密封性要求高，容易發(fā)生滲漏油故障，應盡量避免使用該箱體結構。
地鐵齒輪箱箱體結構相對復雜，屬于批量化產(chǎn)品，所以箱體制造主要采用鑄造工藝，材料主要選用球墨鑄鐵和鑄造鋁合金。鑄造鋁合金質量輕、散熱好，可以有效地減輕齒輪箱的重量，但是由于鋁合金強度低，因此在進行齒輪箱設計時所有軸承不能直接安裝在箱體內，必須增加軸承套，并且所有螺紋孔必須增加鋼絲螺套，才能滿足強度需要，增加了齒輪箱的成本，齒輪箱結構相對復雜不易安裝拆卸和維護。球墨鑄鐵強度高，使用廣泛，從經(jīng)濟性、易維護性方面考慮地鐵齒輪箱箱體材料選擇球墨鑄鐵更為合適。
2.2箱體結構
地鐵齒輪箱箱體常用結構有斜剖分式結構和整體式結構。圖3為斜剖分箱體結構，箱體被分為上箱體和下箱體，兩者間通過螺栓連接，這種結構便于拆裝和維護，從使用性和易維護性方面考慮地鐵齒輪箱箱體結構選擇斜剖分式結構更為合適。整體式箱體結構又有箱蓋在上部和箱蓋在側面兩種常見結構，如圖4、圖5所示。整體式結構箱體加工性好，容易保證輸入和輸出軸承孔的形位公差，但是拆裝麻煩，必須將輸出齒輪與車軸分解后才能將齒輪箱拆開，不易安裝和維護；特別是箱蓋在側面的結構，對箱蓋安裝的密封性要求高，容易發(fā)生滲漏油故障，應盡量避免使用該箱體結構。
3 軸承選型
為了提高齒輪的傳動平穩(wěn)性，減小齒輪箱的沖擊、振動和噪聲，地鐵齒輪箱主要選擇斜齒輪，特別是一級傳動齒輪箱螺旋角一般都要超過15°，所以在軸承選型時必須同時考慮承受徑向力和較大的軸向力，并且滿足轉速和空間尺寸的要求。齒輪箱設計時主要選用圓錐滾子軸承，軸承選用面對面布置形式，便于軸承的拆裝和游隙調整（如圖1所示）。但隨著地鐵車輛運行速度和承載能力的不斷提高，地鐵齒輪箱輸入轉速和扭矩也不斷加大，為了同時滿足轉速和扭矩的需要，又不能增加軸承的空間尺寸，所以輸入軸軸承選擇兩個圓柱滾子軸承加一個四點角接觸軸承，由圓柱軸承承受徑向力，四點角接觸軸承承受軸向力（如圖2所示）。地鐵齒輪箱在設計時主要考慮輸入軸軸承的選型，其他軸系主要選擇圓錐滾子軸承，輸入軸軸承可以選擇圓錐滾子軸承，也可選擇圓柱滾子軸承加四點角接觸軸承的配置形式，前一種配置形式結構簡單，便于安裝和調整，但受到輸入轉速和扭矩的限制；后一種形式雖然軸承數(shù)量增加，但適應性強，可滿足不同速度和承載能力的需要。
4 潤滑與密封
地鐵齒輪箱潤滑和密封系統(tǒng)關乎齒輪箱的使用可靠性，滲漏油故障是目前地鐵齒輪箱運行過程中較為頻繁的故障模式。地鐵齒輪箱主要采用飛濺潤滑，將輸出大齒輪浸入油池中，齒輪旋轉將潤滑油帶到嚙合齒面上，并且將潤滑油攪動起來，通過在箱體內壁中合適的位置增加擋油板和集油槽，從而使?jié)櫥土魅胼S承中對軸承進行潤滑。齒輪箱采用非接觸式機械迷宮密封，同時可在結合面上增加橡膠密封圈，在機械迷宮的迷宮腔內設置回油孔。在潤滑和密封設計時應考慮以下幾點：
（1）選擇合理的大齒輪浸油深度，浸油深度不夠將不能保證足夠的潤滑油被攪動起來，從而不能使軸承和齒輪得到充分的潤滑；浸油深度過高會使齒輪攪油損失加大，從而導致齒輪箱溫度過高。
（2）由于地鐵齒輪箱是正反兩個方向都可以運行，因此在增加擋油板時應考慮齒輪的旋轉方向；地鐵啟制動頻繁，啟動加速度大，所以應增加集油槽使軸承在齒輪箱剛開始運行時得到潤滑。
（3）盡可能多的設置回油孔的數(shù)量，回油孔位置應選擇在齒輪箱的負壓區(qū)，保證回油流暢，并且需要設置通氣裝置，均衡齒輪箱內外的壓力。
（4）盡量增加機械密封的迷宮數(shù)量，減小滲油可能性，增加密封可靠性；增加橡膠密封圈時必須考慮密封圈安裝方便，安裝位置合理。
5 結語
本文對地鐵齒輪箱的齒輪傳動結構、箱體材料及結構、軸承選型和潤滑密封系統(tǒng)進行了研究，分析了各關鍵技術在設計時的不同選擇和注意事項，為地鐵齒輪箱的設計者和使用者提供參考。
參考文獻：
[1]沈豪，吳剛.上海軌道交通2號線車輛齒輪箱國產(chǎn)化研制和試驗[J].城市軌道交通研究，2012（6）：74－77.
[2]關云輝，林新海，吳國慶.上海軌道交通1號線“增擴編”車輛用齒輪箱的研制[J].城市軌道交通研究，2012（9）：105－107.
[3]張晶.地鐵齒輪箱滲油原因分析及解決方案[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2016（6）：144-146.
為了提高齒輪的傳動平穩(wěn)性，減小齒輪箱的沖擊、振動和噪聲，地鐵齒輪箱主要選擇斜齒輪，特別是一級傳動齒輪箱螺旋角一般都要超過15°，所以在軸承選型時必須同時考慮承受徑向力和較大的軸向力，并且滿足轉速和空間尺寸的要求。齒輪箱設計時主要選用圓錐滾子軸承，軸承選用面對面布置形式，便于軸承的拆裝和游隙調整（如圖1所示）。但隨著地鐵車輛運行速度和承載能力的不斷提高，地鐵齒輪箱輸入轉速和扭矩也不斷加大，為了同時滿足轉速和扭矩的需要，又不能增加軸承的空間尺寸，所以輸入軸軸承選擇兩個圓柱滾子軸承加一個四點角接觸軸承，由圓柱軸承承受徑向力，四點角接觸軸承承受軸向力（如圖2所示）。地鐵齒輪箱在設計時主要考慮輸入軸軸承的選型，其他軸系主要選擇圓錐滾子軸承，輸入軸軸承可以選擇圓錐滾子軸承，也可選擇圓柱滾子軸承加四點角接觸軸承的配置形式，前一種配置形式結構簡單，便于安裝和調整，但受到輸入轉速和扭矩的限制；后一種形式雖然軸承數(shù)量增加，但適應性強，可滿足不同速度和承載能力的需要。
4 潤滑與密封
地鐵齒輪箱潤滑和密封系統(tǒng)關乎齒輪箱的使用可靠性，滲漏油故障是目前地鐵齒輪箱運行過程中較為頻繁的故障模式。地鐵齒輪箱主要采用飛濺潤滑，將輸出大齒輪浸入油池中，齒輪旋轉將潤滑油帶到嚙合齒面上，并且將潤滑油攪動起來，通過在箱體內壁中合適的位置增加擋油板和集油槽，從而使?jié)櫥土魅胼S承中對軸承進行潤滑。齒輪箱采用非接觸式機械迷宮密封，同時可在結合面上增加橡膠密封圈，在機械迷宮的迷宮腔內設置回油孔。在潤滑和密封設計時應考慮以下幾點：
（1）選擇合理的大齒輪浸油深度，浸油深度不夠將不能保證足夠的潤滑油被攪動起來，從而不能使軸承和齒輪得到充分的潤滑；浸油深度過高會使齒輪攪油損失加大，從而導致齒輪箱溫度過高。
（2）由于地鐵齒輪箱是正反兩個方向都可以運行，因此在增加擋油板時應考慮齒輪的旋轉方向；地鐵啟制動頻繁，啟動加速度大，所以應增加集油槽使軸承在齒輪箱剛開始運行時得到潤滑。
（3）盡可能多的設置回油孔的數(shù)量，回油孔位置應選擇在齒輪箱的負壓區(qū)，保證回油流暢，并且需要設置通氣裝置，均衡齒輪箱內外的壓力。
（4）盡量增加機械密封的迷宮數(shù)量，減小滲油可能性，增加密封可靠性；增加橡膠密封圈時必須考慮密封圈安裝方便，安裝位置合理。
5 結語
本文對地鐵齒輪箱的齒輪傳動結構、箱體材料及結構、軸承選型和潤滑密封系統(tǒng)進行了研究，分析了各關鍵技術在設計時的不同選擇和注意事項，為地鐵齒輪箱的設計者和使用者提供參考。
參考文獻：
[1]沈豪，吳剛.上海軌道交通2號線車輛齒輪箱國產(chǎn)化研制和試驗[J].城市軌道交通研究，2012（6）：74－77.
[2]關云輝，林新海，吳國慶.上海軌道交通1號線“增擴編”車輛用齒輪箱的研制[J].城市軌道交通研究，2012（9）：105－107.
[3]張晶.地鐵齒輪箱滲油原因分析及解決方案[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2016（6）：144-146.
來源：《機械工程與自動化》2017年第5期