地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱失效型式分析

吳四二

（合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230001）

1 轉(zhuǎn)向架齒輪箱概述

1.1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

平行軸式結(jié)構(gòu)是地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱最典型的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要分為上下殼體、輸入齒輪軸、輸出大齒輪等幾個(gè)部分。大齒輪熱套或冷壓至車軸，輸入齒輪軸通過小軸承支撐安裝在箱體內(nèi)，齒輪箱箱體通過大軸承支撐安裝在車軸上。齒輪箱采用架懸式安裝，通過吊桿的一端連接至吊桿連接座，吊桿的另一端與構(gòu)架相連。齒輪箱多采用靜、動(dòng)密封相結(jié)合的密封方式，在輸入及輸出貫通部位采用非接觸迷宮式密封，如圖1 所示。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 齒輪箱工作特性

齒輪箱在地鐵車輛的使用過程中起到降速增扭的作用，其典型的工況特點(diǎn)為頻繁啟停，加速和減速時(shí)間短，速度快。按目前地鐵修制，日常只做目視檢測，齒輪箱的拆箱檢查只有在集中的大修期才會(huì)進(jìn)行，因此齒輪、軸承必須具有高可靠度。為保證齒輪、軸承有較長的壽命，合適的潤滑是必要保障。

齒輪箱潤滑主要采用內(nèi)部油液飛濺的方式，輸出大齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)將潤滑油攪起并飛濺至箱體壁，箱體內(nèi)壁設(shè)置的擋油板和集油槽起到導(dǎo)油和集油的作用。潤滑油通過箱體油道流至潤滑點(diǎn)對軸承進(jìn)行潤滑。潤滑性能的好壞主要取決于工作油膜形成的難易程度和有效性，這是齒輪箱是否能夠保證設(shè)計(jì)壽命的關(guān)鍵因素。

1.3 齒輪箱失效影響系數(shù)

根據(jù)齒輪箱零部件重要程度及其在齒輪箱系統(tǒng)中的不同表現(xiàn)，通過失效影響系數(shù)對齒輪箱進(jìn)行失效影響分析，如表1 所示。

表1 齒輪箱主要零部件失效影響分析表

2 轉(zhuǎn)向架齒輪箱失效型式與分析

在齒輪箱的各種失效型式中，齒輪和軸承這2 個(gè)最關(guān)鍵傳動(dòng)部件關(guān)注度最高，直接關(guān)系到齒輪箱的正常運(yùn)行和行車安全，日常維護(hù)的主要手段是通過目視和油標(biāo)視孔窗觀察潤滑油狀態(tài)，對齒輪箱工作狀態(tài)進(jìn)行粗略判斷。因此，本文主要對齒輪箱的傳動(dòng)齒輪、軸承、密封及潤滑油失效型式進(jìn)行分析和討論。

2.1 齒輪箱齒輪失效

齒輪是地鐵齒輪箱中的核心部件，直接影響到動(dòng)力傳遞平穩(wěn)性、齒輪箱噪聲，齒輪的承載能力也決定了齒輪箱的使用壽命。齒輪采用圓柱斜齒輪，材料選用合金鋼，如G20CrNi2Mo，精度需達(dá)到6 級(jí)以上，主要從齒輪強(qiáng)度、膠合承載能力及嚙合性能等對齒輪進(jìn)行失效分析，相應(yīng)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 齒輪參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 輪齒斷裂

輪齒斷裂是齒輪傳動(dòng)中最普遍的失效型式，一種是由于嚙合過程中重復(fù)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力造成的疲勞折斷，另一種是由于偶發(fā)的瞬時(shí)過載引起的過載折斷。

（1）輪齒疲勞折斷。主要表現(xiàn)為參與嚙合的1 個(gè)輪齒在載荷作用下首先出現(xiàn)斷裂，在彎曲應(yīng)力的不斷作用下，該輪齒的齒根圓角處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著循環(huán)應(yīng)力的不斷作用，圓角處的裂紋不斷發(fā)展，逐漸擴(kuò)展至整個(gè)輪齒，導(dǎo)致其斷裂。所以疲勞折斷的斷口區(qū)域一般由源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)組成。

（2）過載折斷。表現(xiàn)為瞬時(shí)過載致使載荷超過了齒輪材料彎曲強(qiáng)度而斷裂，如圖2 所示。一般發(fā)生在齒輪承受最大彎曲應(yīng)力的齒根部位，斷口平直且粗糙。由于材料脆性過大或運(yùn)行過程中瞬時(shí)過載和沖擊，在齒根處產(chǎn)生脆性折斷，很多時(shí)候其他零件的失效也會(huì)造成偶發(fā)的過載現(xiàn)象，比如軸承失效后造成的卡滯或者傳動(dòng)軸偏斜造成輪齒楔緊等。

圖2 齒輪過載導(dǎo)致齒根斷裂示意圖

2.1.2 齒面點(diǎn)蝕

齒輪點(diǎn)蝕是閉式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式，失效機(jī)理為在脈動(dòng)循環(huán)的齒面接觸應(yīng)力不斷作用下，在一定深度的輪齒內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋逐漸發(fā)展并擴(kuò)展至輪齒表面，從而在齒面造成金屬脫落形成麻點(diǎn)狀的凹坑，如圖3 所示。同時(shí)，齒面發(fā)生點(diǎn)蝕后，齒廓形狀發(fā)生變化，傳遞誤差增大，振動(dòng)和噪聲隨之增加。一般齒面節(jié)線附近的齒根部分首先發(fā)生點(diǎn)蝕，原因在于節(jié)線附近齒面相對滑動(dòng)速度低，油膜形成困難，較少的輪齒嚙合對數(shù)也使得節(jié)線處的接觸應(yīng)力較大。一般評(píng)價(jià)輪齒是否點(diǎn)蝕失效的標(biāo)準(zhǔn)為點(diǎn)蝕面積不超過齒輪工作面積占比的50%，點(diǎn)蝕坑最大尺寸不超過齒輪模數(shù)的15%。

圖3 齒輪齒面點(diǎn)蝕示意圖

2.1.3 齒面膠合

齒面膠合多見于低速重載的應(yīng)用工況，是一種嚴(yán)重的黏著磨損形式，由于傳遞載荷較大，不易形成有效油膜，使相互嚙合輪齒在嚙合過程中瞬時(shí)溫度過高，金屬尖點(diǎn)直接接觸并發(fā)生粘連，造成熱膠合，或由于傳動(dòng)過程中出現(xiàn)偏載，致使有效油膜遭到破壞，形成冷膠合。由此可見潤滑不良，齒面間無法形成有效的工作油膜是產(chǎn)生膠合的重要原因，尤其是發(fā)生膠合后兩齒面繼續(xù)相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，較硬的齒面將會(huì)沿滑動(dòng)方向?qū)⑤^軟齒面上的部分材料撕下并形成溝紋，如圖4 所示，而且膠合后不但齒面溫度升高，振動(dòng)和噪聲也會(huì)隨之增大。

圖4 齒輪齒面膠合示意圖

2.1.4 齒面磨損

在齒輪傳動(dòng)中，齒面磨損的型式較多，磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損是4 種典型的磨損型式，如圖5 所示。尤其在粉塵環(huán)境中，灰塵、砂粒及非金屬物磨粒性顆粒進(jìn)入齒輪箱內(nèi)，極易形成磨粒磨損。齒面磨損將引起振動(dòng)和噪聲增加，嚴(yán)重時(shí)，由于過度磨損，齒厚變薄從而引起輪齒折斷。在齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)初期，都會(huì)有較高的磨損速度和磨損量，通過一段時(shí)間的跑合磨損后，輪齒結(jié)合面漸漸光滑，磨損速度減緩，因此，齒輪箱在輕載下進(jìn)行跑合可為正常磨損創(chuàng)造良好的前提條件。

圖5 齒輪齒面磨損示意圖

2.2 齒輪箱軸承失效

齒輪箱中較為常用的是圓錐滾子軸承，有的也在輸入齒輪端采用圓柱滾子軸承+球軸承的配置方式。對于地鐵齒輪箱軸承的要求為在200 萬km 或一個(gè)大修期內(nèi)不需要進(jìn)行額外的維修，因此需要軸承具有較好的抗疲勞性能，能承受地鐵中的振動(dòng)沖擊及高溫等影響，因此地鐵齒輪箱失效型式中，軸承的疲勞剝落、燒損極其常見。

2.2.1 疲勞剝落

疲勞剝落是軸承失效型式中比較典型的一種，也是比較嚴(yán)重的失效型式，這與齒輪的點(diǎn)蝕剝落有相似之處，主要變現(xiàn)為滾道和滾動(dòng)體在交變載荷的不斷作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷發(fā)展至滾動(dòng)體或者滾道表面，造成金屬剝落形成凹坑，如圖6 所示。引起地鐵齒輪箱軸承故障的主要原因包括裝配不當(dāng)、潤滑不良、水份或異物侵入等，此外也有因過度運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的載荷超標(biāo)等造成的損壞。

圖6 軸承剝落示意圖

2.2.2 燒傷及磨損

軸承燒傷是軸承失效常見的型式，其失效機(jī)理是滾動(dòng)體及保持架的急劇發(fā)熱導(dǎo)致軸承工作表面硬度降低，從而使磨損加劇，出現(xiàn)失效。地鐵齒輪箱工況多為粉塵、高溫輻射等，因此軸承極易受到粉塵、水和其他異物的污染和高溫環(huán)境的影響，造成滾道和滾動(dòng)體間有效油膜受到破壞或者潤滑油變質(zhì)，導(dǎo)致潤滑不良，形成磨損或燒傷，如圖7 所示。一旦磨損不斷加劇，軸承的正常工作游隙遭到破壞，異響和振動(dòng)也會(huì)隨之加劇，此時(shí)需及時(shí)對齒輪箱進(jìn)行排查并處理，防止出現(xiàn)對其他傳動(dòng)件造成更大的破壞性后果。

圖7 軸承燒損示意圖

圖8 軸承座與箱體的貼合面漏油示意圖

2.3 齒輪箱密封及潤滑油失效

齒輪箱密封通常采用靜密封與動(dòng)密封相結(jié)合的方式，其中在車軸貫通部位采用非接觸式動(dòng)密封（迷宮密封），在合箱面、軸承座端等無相對運(yùn)動(dòng)的接觸面采用密封墊或涂抹密封膠等靜密封方式。

2.3.1 密封失效

（1）輸出軸側(cè)漏油。齒輪箱常見的漏油表現(xiàn)為輸出軸側(cè)漏油，漏出的油吸附大量的灰塵覆蓋在輸出軸端面，潛在的漏油點(diǎn)主要是2 處：①軸承座與箱體的貼合面處，如圖8 所示；②迷宮密封處，如圖9 所示。為徹底查找泄漏點(diǎn)，應(yīng)對輸出軸端面油污清理干凈后持續(xù)跟蹤，確定漏點(diǎn)位置。

（2）箱體結(jié)合面漏油。地鐵齒輪箱箱體結(jié)合面一般采用密封膠進(jìn)行密封，箱體結(jié)合面漏油如圖10 所示。造成漏油的原因主要包括：①齒輪箱箱體合箱面平面度或粗糙度不符合技術(shù)要求；②密封膠涂抹操作不規(guī)范，安裝過程中涂抹量不夠，結(jié)合面未涂滿，有斷點(diǎn)，合箱后結(jié)合面不能完全密封，長時(shí)間運(yùn)行后，隨著齒輪箱的振動(dòng)，油霧不斷滲入到密封膠的間隙，導(dǎo)致潤滑油從縫隙中慢慢滲出，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，最終出現(xiàn)漏油現(xiàn)象；③緊固螺栓扭矩未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或未按對角緊固的方式緊固，齒輪箱結(jié)合面緊固螺栓未涂螺紋緊固膠，運(yùn)行過程中振動(dòng)較大時(shí)緊固件松動(dòng)導(dǎo)致緊固失效，緊固時(shí)未按對角緊固的方式進(jìn)行，后緊固的螺栓達(dá)到規(guī)定扭矩后仍會(huì)存在結(jié)合面未貼緊現(xiàn)象；④密封膠未固化，過早進(jìn)行跑合試驗(yàn)，齒輪箱內(nèi)高壓油氣的沖擊使密封膠形成雪花狀印記，導(dǎo)致合箱面密封膠失效，出現(xiàn)漏油。

2.3.2 潤滑油失效

齒輪箱一般選用合成潤滑油，潤滑油有較好的粘溫特性，1 年或15 萬 km 才進(jìn)行換油。日常使用中，潤滑油幫助齒輪箱帶走熱量，也在齒輪、軸承等部件中形成油膜，降低齒輪、軸承的機(jī)械磨損。日常維護(hù)中，多通過觀察潤滑油顏色的變化來間接了解齒輪箱工作正常與否。

（1）潤滑油發(fā)黑。潤滑油發(fā)黑多數(shù)是由于齒輪箱維修更換新軸承造成的，一般新軸承涂有一層防銹油，裝配時(shí)如未對軸承防銹油進(jìn)行清洗，就會(huì)導(dǎo)致潤滑油與軸承防銹油混合，從而使?jié)櫥妥兒冢? 種油混在一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，潤滑油的潤滑性能更會(huì)大打折扣。還有一種情況是由于齒輪箱廠內(nèi)例行試驗(yàn)所用潤滑油多次重復(fù)使用造成的，例行試驗(yàn)用油對箱體內(nèi)部的沖刷清洗作用會(huì)導(dǎo)致潤滑油逐漸變臟，若將變臟的跑合油加入其他齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)，則會(huì)對箱體造成污染，使正常的潤滑油出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖11 所示。

圖9 車軸迷宮密封處漏油示意圖

圖10 箱體結(jié)合面漏油示意圖

圖11 潤滑油發(fā)黑示意圖

（2）潤滑油乳化。潤滑油乳化多數(shù)因?yàn)辇X輪箱內(nèi)部進(jìn)水造成的，在暴雨天氣、軌行區(qū)有較深積水或洗車作業(yè)時(shí)，水有可能通過迷宮密封和透氣孔進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部，進(jìn)水后通過液位鏡觀察齒輪箱油位會(huì)有明顯地升高，油的顏色呈乳白色，如圖12 所示。乳化直接導(dǎo)致潤滑油性能下降，潤滑油膜形成困難，造成齒輪軸承等零部件急劇磨損，最終導(dǎo)致軸承損壞、齒面剝落等失效情況的發(fā)生。

3 結(jié)語

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱是一個(gè)綜合系統(tǒng)，齒輪、軸承以及密封和潤滑彼此間又相互影響，這是齒輪箱常見的失效型式特點(diǎn)。本文通過對地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱常見失效型式進(jìn)行總結(jié)，對齒輪、軸承、密封及潤滑等主要失效型式及產(chǎn)生機(jī)理和原因進(jìn)行分析，為地鐵車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱的維護(hù)和失效預(yù)防提供了有效技術(shù)支撐，對齒輪箱故障診斷和預(yù)防具有借鑒意義。

圖12 潤滑油乳化示意圖