城鐵列車轉向架齒輪箱軸承故障分析及改進

劉海濤，舒友,薛世海,劉志遠,沈洪娟

(中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062)

齒輪箱軸承是城鐵列車轉向架的重要部件，其性能將直接影響列車的安全運行。某列車檢車時發現齒輪箱中多套軸承發生故障，現對軸承故障原因進行分析。

1 故障特征

某列車齒輪箱采用分體式箱體(圖1)，齒輪箱潤滑油采用美孚合成齒輪油75W-90(Mobil Synthetic Gear Oil 75W-90)，輸入端及輸出端均安裝33115/Q圓錐滾子軸承。列車在冬季低溫(-30 ℃以下)、車輛最高轉速80 km/h工況下運行11×104km時輸出軸電動機側有滲油現象，對該項目齒輪箱進行普查，多套齒輪箱油發黑，拆解齒輪箱及故障軸承發現軸承保持架斷裂，如圖2所示。故障軸承主要結構參數為：內徑75 mm，外徑125 mm，寬度37 mm，滾子直徑13.1 mm，滾子數量23，滾子組節圓直徑99.949 mm。保持架材料為Q235B，滾子和內外圈材料為GCr15。美孚合成齒輪油75W-90在-30 ℃以上流動性較好，建議使用溫度不低于-30 ℃。

圖1 齒輪箱結構圖Fig.1 Structure diagram of gearbox

圖2 33115/Q軸承保持架斷裂示意圖Fig.2 Fracture diagram of 33115/Q bearing cage

2 故障原因分析

觀察斷裂保持架發現保持架窗孔小端比大端磨損嚴重，保持架斷裂起點位于保持架窗孔小端橫梁圓角處，經電鏡掃描(圖3)發現斷口呈疲勞形貌，主要原因為軸承存在異常運轉，導致保持架橫梁受滾子擠壓，橫梁與端面框體連接處產生裂紋，最終導致保持架開裂。

圖3 保持架窗孔橫梁小端斷裂電鏡掃描Fig.3 Scanning electron microscopy of fracture of small end of beam of cage window

分析軸承異常運轉導致保持架斷裂的原因可能與游隙、潤滑及線路載荷等因素有關。

2.1 游隙

以往類似項目中軸承軸向游隙為0.12～0.16 mm，但該列車軸承游隙為0.20～0.25 mm，游隙較大。當沖擊或速度變化時，齒輪軸會產生較大的軸向竄動，從而沖擊軸承，造成軸承異常運轉，最終導致保持架斷裂[1]。

2.2 潤滑油

在低溫環境下運行，潤滑油黏度會升高，潤滑油流動性變差而導致潤滑油飛濺，供油量不足，齒輪箱熱量不能及時被帶走，溫升過高，軸承運轉異常，進而造成保持架斷裂[2]。模擬齒輪箱實際工況，將該齒輪箱分別在-25，-35 ℃工況下進行試驗，發現在-35 ℃時溫升較高，拆解發現軸承保持架斷裂。

2.3 線路振動加速度

參考文獻[3-4]檢測齒輪箱實際振動，如圖4所示，輸入軸電動機側軸承的振動加速度峰值遠高于IEC 61373：2010 Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests的要求10g(g取10 m/s2)。基于有限元軟件分析得到保持架等效應力最大值為250 MPa，高于材料Q235B的屈服強度(235 MPa)[5]。

圖4 輸入軸振動加速度Fig.4 Vibration acceleration of input shaft

3 改進措施

1)將軸承軸向游隙調整為0.12～0.16 mm。

2)選取在低溫環境下(-30 ℃以下)仍具有較好流動性的美孚齒輪箱油75W-80(Mobil Delvac 1 Gear Oil 75W-90)[2]。

3)選用加強型軸承33115/VG237，軸承結構參數不變，保持架材料改為S355MC(屈服強度355 MPa，疲勞強度230 MPa)。基于有限元分析得到保持架等效應力最大值為150 MPa，滿足要求。

4 試驗驗證

搭建試驗臺模擬實際運行工況，對改進后的軸承進行試驗驗證，滿功率250 kW加載，試驗原理如圖5所示，分別進行低溫啟動和低溫低速試驗。

圖5 試驗原理圖Fig.5 Principle diagram of test

低溫啟動試驗：設置試驗溫度為-35 ℃,按車輛設計的啟動加速度加速至最高轉速持續運轉60 min(圖6)。試驗過程中齒輪箱各位置溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 啟動階段速度變化Fig.6 Speed change during startup

圖7 低溫啟動試驗時齒輪箱各位置溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve of each position of gearbox during low temperature startup test

因齒輪箱軸承潤滑方式為飛濺潤滑，速度越高，潤滑越好。在低速工況下，存在潤滑不充分的可能性，需進行低溫低速試驗：試驗溫度為-35 ℃，以車速5 km/h低速運行15 min。試驗過程中齒輪箱各位置溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 低溫低速試驗時齒輪箱各位置溫度變化曲線Fig.8 Temperature change curve of each position of gearbox during low temperature and low speed test

由圖7和圖8可知:齒輪箱各軸承最高溫度為-10.2 ℃，最大溫升速率為9.1 ℃/min，滿足TB/T 3134—2013《動車組用驅動齒輪箱》中要求的軸承最高溫度120 ℃和最大溫升速率15 ℃/min要求，且齒輪箱無滲油，低溫下運轉正常。

試驗結束后拆解齒輪箱軸承(圖9)，無異常。將新結構齒輪箱裝車考核，最長運行100×104km，無異常。

圖9 試驗后拆解的33115/VG237軸承Fig.9 Disassembled 33115/VG237 bearing after test

5 結束語

對某列車齒輪箱軸承故障的原因進行分析，并提出相應的改進措施，搭建試驗臺對改進后的軸承進行試驗驗證，無異常。將改進后軸承裝車考核，運行100×104km，無異常，說明了改進方案的可行性。此外，后續有待進一步開展齒輪箱油量對軸承溫升的影響研究。