鄭州地鐵電客車齒輪箱典型故障分析*

位少帥

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450018)

0 引 言

齒輪箱一端通過軸承安裝在車軸上，另一端通過吊桿與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連接，是地鐵車輛驅(qū)動(dòng)單元的重要組成部分，主要由傳動(dòng)齒輪、支撐軸承、箱體、潤(rùn)滑系統(tǒng)和密封系統(tǒng)等組成。箱內(nèi)設(shè)置有合適的隔板、油槽和通道，以保證在各種速度、負(fù)荷、溫度和氣候條件下，齒輪和軸承有足夠的潤(rùn)滑。鄭州地鐵各線路均為平行軸式齒輪箱，分體式結(jié)構(gòu)，采用單級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng)。由于齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境和運(yùn)行特點(diǎn)，主要故障模式包括齒輪箱滲油、軸承磨損或斷裂、齒輪斷齒等。

筆者通過對(duì)兩起運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)現(xiàn)的典型齒輪箱故障進(jìn)行分析，明確了故障發(fā)生的原因，并采取了一定的優(yōu)化措施，對(duì)國(guó)內(nèi)其他地鐵運(yùn)營(yíng)公司具有一定的參考價(jià)值。

1 齒輪箱擋油板斷裂

1.1 故障情況

2020年11月25日，0904車(走行公里數(shù)28614公里)年檢更換齒輪箱油時(shí)，發(fā)現(xiàn)3車2架4軸齒輪箱排油堵上吸附一塊金屬塊，尺寸約38 mm×13 mm×4 mm，同時(shí)使用手電筒檢查發(fā)現(xiàn)該齒輪箱內(nèi)仍存在細(xì)微金屬片。次日，售后人員使用內(nèi)窺鏡檢查箱體內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)擋油板脫落。具體見圖1。

1.2 擋油板結(jié)構(gòu)

齒輪箱采用飛濺潤(rùn)滑的方式，潤(rùn)滑油存儲(chǔ)在齒輪箱箱體底部油池中，齒輪直接浸入到油池中實(shí)現(xiàn)齒輪自身潤(rùn)滑。通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將潤(rùn)滑油濺起，通過箱體內(nèi)部合理設(shè)置的導(dǎo)油筋、集油槽和油道，將潤(rùn)滑油引至各軸承，再通過軸承回油孔將油返回到油池中，實(shí)現(xiàn)軸承的動(dòng)態(tài)潤(rùn)滑。

圖1 擋油板斷口(拆解后)

齒輪箱停止運(yùn)行后，軸承和齒輪上的潤(rùn)滑油將回流至箱體底部。再次啟動(dòng)時(shí)，由于齒面帶動(dòng)潤(rùn)滑油進(jìn)入整個(gè)油路需要一定時(shí)間，因此軸承等部件短時(shí)間內(nèi)將在缺少潤(rùn)滑的工況下運(yùn)行。為此在輸出軸系圓錐滾子軸承端部設(shè)置擋油板，與軸承外圈滾道形成集油溝槽，可以保證在齒輪箱停止時(shí)部分潤(rùn)滑油留存在軸承附近，再次啟動(dòng)時(shí)更快進(jìn)入潤(rùn)滑油路，滿足齒輪箱低速運(yùn)行或靜啟動(dòng)時(shí)的軸承潤(rùn)滑，提高部件壽命。擋油板與箱體為一體式鑄造結(jié)構(gòu)。

1.3 返廠拆解

2020年12月10日，將齒輪箱返回廠內(nèi)進(jìn)行拆解檢查。拆解前分別進(jìn)行了箱體外觀檢查、扭矩校核、齒隙測(cè)量、輸入輸出軸軸承間隙測(cè)量、大齒輪定位尺寸和跳動(dòng)量等多項(xiàng)檢測(cè)，結(jié)果均滿足要求。

開箱后檢查齒輪箱內(nèi)部零件狀態(tài)，大小齒輪外觀狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，檢查輸入軸和輸出軸軸承未發(fā)現(xiàn)明顯異常。進(jìn)一步檢查箱體內(nèi)部，在下箱體油池中發(fā)現(xiàn)一塊金屬塊，外觀與擋油板脫落位置吻合，確認(rèn)為另一塊脫落的擋油板。

1.4 失效分析

2020年12月21日，廠家將齒輪箱側(cè)擋油板和箱內(nèi)掉落的金屬塊樣品送檢進(jìn)行失效分析。主要意見為：①經(jīng)宏觀形貌檢查，送檢失效齒輪箱一側(cè)擋油板發(fā)生斷裂，斷口處未見明顯塑性變形，斷面較齊平，未見疏松、夾渣缺陷。對(duì)應(yīng)掉塊試樣從箱體上斷裂脫落后，被主從動(dòng)齒輪撞擊碾壓導(dǎo)致二次斷裂。掉塊一側(cè)斷面存在黃褐色銹蝕層，另一側(cè)未見明顯銹蝕層。結(jié)合斷面腐蝕形貌和紋理特征可以初步推測(cè)裂源位于擋油板過度應(yīng)力集中處。②經(jīng)微觀形貌檢查，送檢擋油板斷裂試樣斷面未見異常疏松、夾渣缺陷，存在片狀石墨及片狀石墨撕脫后的方形印痕。③經(jīng)金相組織檢查，送檢擋油板斷裂試樣斷口處整個(gè)截面均為片狀石墨，此外鑄件斷口附近表面也存在深約0.7mm的惡化層(片狀石墨層)，惡化層分布示意圖見圖2。

圖2 擋油板惡化層分布

綜上所述，送檢齒輪箱擋油板斷口具有脆性斷裂特征，斷口處整個(gè)截面均存在片狀石墨，屬于球化衰退惡化層缺陷，該缺陷會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域脆性急劇增加(惡化層區(qū)域力學(xué)性能低于HT200要求)。因片狀石墨具有切口效應(yīng)，其疲勞壽命也會(huì)大幅降低。箱體表面球化衰退惡化層缺陷屬于鑄造缺陷，形成原因與鑄造工藝不當(dāng)有關(guān)。結(jié)合惡化層分布情況(見圖2)可以推測(cè)，該缺陷的形成原因?yàn)槿斯ね克⑼苛线^程中拐角處未能有效涂抹，導(dǎo)致砂型中硫元素進(jìn)入箱體，造成拐角截面處整體球化衰退。

1.5 計(jì)算分析

(1) 對(duì)擋油板干涉情況進(jìn)行空間校核，經(jīng)理論計(jì)算，并考慮所有有可能減少擋油板與兩側(cè)間隙的情況，齒輪側(cè)和軸承側(cè)仍留有足夠余量，運(yùn)行過程中擋油板不存在被齒輪或者軸承撞擊的可能性。

(2) 該箱體的強(qiáng)度計(jì)算是基于模型尺寸12 mm為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，目前實(shí)測(cè)尺寸為13.5～14.4 mm，除去最大惡化層厚度單邊0.7 mm，有效厚度尺寸仍大于12 mm，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 由受力分析可知，齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力和徑向力加載到箱體上，力的方向朝向軸承外側(cè)，擋油板位置位于軸承內(nèi)側(cè)，并未受力。

1.6 原因分析

根據(jù)上述調(diào)查，初步判斷擋油板斷裂脫落為生產(chǎn)過程中存在缺陷導(dǎo)致，非設(shè)計(jì)原因。

(1) 供應(yīng)商對(duì)該齒輪箱箱體的生產(chǎn)過程進(jìn)行了調(diào)查，排除了設(shè)備工具、原材料及輔助材料、工藝方法及環(huán)境方面因素的影響，但存在以下問題：2018年5月26日，2件箱體由非專職人員刷涂，該操作人員對(duì)擋油板此處結(jié)構(gòu)不太了解，因此擋油板位置只刷了一遍涂料，與工藝要求不符。另經(jīng)失效驗(yàn)證，在局部未涂抹涂料的情況下，會(huì)導(dǎo)致箱體擋油板處惡化層增多甚至貫穿。因此由于人員操作不當(dāng)，鑄造時(shí)擋油板區(qū)域涂料涂抹偏薄，導(dǎo)致該區(qū)域存在較多片狀石墨層，降低了鑄件強(qiáng)度。

(2) 該箱體加工時(shí)，鏜刀順時(shí)針切削，可能會(huì)對(duì)擋油板施加徑向和軸向切削力，刀具在脫離擋油板時(shí)偶爾產(chǎn)生共振，形成振刀，由于該箱體材料同時(shí)存在異常，導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生裂紋源。脫落擋油板上端加工面較下端光亮，與振刀現(xiàn)象類似。擋油板位置有一半存在生銹，可以推斷加工后即形成裂紋，在高溫清洗后出現(xiàn)生銹，另外一半斷口無生銹，判斷為齒輪箱運(yùn)行后，原始裂紋因振動(dòng)延展，導(dǎo)致脫落，在潤(rùn)滑油的防銹作用下未出現(xiàn)生銹。

綜上所述，擋油板脫落原因?yàn)橄潴w加工過程中由于人員操作失誤導(dǎo)致箱體強(qiáng)度降低后，箱體加工時(shí)產(chǎn)生裂紋源，在列車運(yùn)行時(shí)受振動(dòng)影響進(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致?lián)跤桶鍞嗔选⒚撀洹?/p>

1.7 后續(xù)措施

(1) 另外選擇1個(gè)箱體進(jìn)行金相檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，初步判斷擋油板脫落屬于偶發(fā)個(gè)例。為進(jìn)一步確認(rèn)其他齒輪箱狀態(tài)，并驗(yàn)證分析結(jié)果，通過粘貼溫度試紙、定期內(nèi)窺鏡檢查等措施，跟蹤運(yùn)行6個(gè)月后未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

(2) 后續(xù)項(xiàng)目箱體機(jī)加工完成后對(duì)擋油板厚度進(jìn)行100%尺寸檢查，同時(shí)由之前的外觀目視檢查改為100%無損探傷(滲透試驗(yàn))，確保擋油板處無裂紋等缺陷。

2 齒輪箱角接觸球軸承斷裂

2.1 故障情況

2017年12月14日，0231車(走行公里數(shù)1023公里)日常檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)4車2架4軸齒輪箱油發(fā)黑，取下注油塞和排油塞，發(fā)現(xiàn)油塞上吸附較多金屬粉末和少量金屬薄片，同時(shí)排出的油發(fā)黑嚴(yán)重。將輸入和輸出軸端蓋打開，目視輸出軸從動(dòng)齒面無磨損痕跡，但齒面有金屬粉末殘留，輸入軸車輪側(cè)悶蓋處殘留兩個(gè)大小約10 mm×5 mm×5 mm金屬塊，檢查角接觸球軸承，發(fā)現(xiàn)軸承外圈破損，確定金屬塊從外圈脫落。

2.2 軸承結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目齒輪輸入軸系采用兩個(gè)圓柱滾子軸承+一個(gè)四點(diǎn)接觸球軸組合，型號(hào)分別為NU216和 QJ216，輸出軸系兩端均采用圓錐滾子軸承，均為軌道交通齒輪箱有成熟應(yīng)用業(yè)績(jī)的型號(hào)，該配置廣泛用于地鐵、城際列車、高鐵齒輪箱，在實(shí)際應(yīng)用中具有運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、轉(zhuǎn)速高、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)。軸承壽命計(jì)算按ISO 281L10標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，輸入軸系軸承結(jié)構(gòu)如圖3所示。A側(cè)為靠近電機(jī)側(cè)，B側(cè)為靠近車輪側(cè)。

圖3 輸入端軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 返廠拆解

2017年12月22日，將齒輪箱返回廠內(nèi)進(jìn)行拆解檢查。開箱后檢查齒輪箱內(nèi)部零件狀態(tài)，大小齒輪外觀狀態(tài)良好，齒面無磨損等缺陷，下箱體底部存在銅屑。打開輸入軸車輪側(cè)悶蓋，悶蓋內(nèi)側(cè)定位銷存在磨損和干涉痕跡，初步分析為軸承外圈崩裂后產(chǎn)生的殘塊撞擊所致。

拆下輸入軸四點(diǎn)接觸球軸承，發(fā)現(xiàn)軸承外圈外徑表面一處止動(dòng)槽(圖3中B側(cè))存在貫穿性裂紋，如圖4。對(duì)該軸承進(jìn)行初步檢查后，連同配套的圓柱滾子軸承(車輪側(cè))于2018年1月份送檢進(jìn)行分析。

拆下輸入軸車輪側(cè)圓柱滾子軸承，發(fā)現(xiàn)軸承保持架靠近四點(diǎn)接觸球軸承側(cè)(圖3中A側(cè))擋邊有明顯的磨損痕跡。另一側(cè)無異常。

拆下輸入軸密封環(huán)、輸入軸軸承套杯，并從套杯中取出電機(jī)側(cè)圓柱滾子軸承，未發(fā)現(xiàn)異常。拆下輸出軸系軸承，未發(fā)現(xiàn)異常。

對(duì)輸入輸出齒輪的齒面外觀、齒頂硬度及齒部公法線檢查，箱體軸承孔同軸度檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)異常。

圖4 四點(diǎn)接觸球軸承外圈裂紋及損傷情況

2.4 軸承檢測(cè)

2018年1月，廠家將四點(diǎn)角接觸球軸承連同配套的圓柱滾子軸承(車輪側(cè))送檢進(jìn)行分析。

2.4.1 外觀檢查(四點(diǎn)角接觸球軸承)

(1) 軸承外圈外徑表面一處止動(dòng)槽存在貫穿性裂紋，另一處止動(dòng)槽未斷裂，但在底部發(fā)現(xiàn)壓痕；軸承外圈滾道表面存在運(yùn)轉(zhuǎn)磨損痕跡及顆粒物碾壓形成的凹坑，滾道表面還存在等間距的軸向壓痕；外圈止動(dòng)槽處碎裂斷口表面光滑，磨損痕跡嚴(yán)重。

(2) 軸承內(nèi)圈小端面未發(fā)現(xiàn)異常，滾道表面存在運(yùn)轉(zhuǎn)磨損痕跡，并存在顆粒物碾壓形成的凹坑；兩側(cè)內(nèi)圈大擋邊處均存在卷邊，即軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在“爬坡”現(xiàn)象。

(3) 軸承內(nèi)部共有鋼球16粒，鋼球表面均存在磨損和擦傷痕跡，且鋼球表面存在塑性變形痕跡。

(4) 保持架兩側(cè)端面外徑倒角處存在磨損，外徑和內(nèi)徑處均存在較多磨損、擠壓和變形痕跡，可能是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)碎裂顆粒卡入后造成。兜孔內(nèi)存在較多磨損痕跡。

2.4.2 相關(guān)檢測(cè)

(1) 對(duì)四點(diǎn)接觸球軸承零件進(jìn)行化學(xué)成分、硬度、非金屬夾雜物、熱處理及金相組織等多項(xiàng)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均符合要求。

(2) 對(duì)配套的圓柱滾子軸承進(jìn)行外觀狀態(tài)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

(3) 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成套軸承進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，結(jié)果顯示內(nèi)圈存在較嚴(yán)重的橢圓變形，其余尺寸符合要求；徑向游隙符合圖紙要求；對(duì)軸承的殘磁進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)存在差異。

(4) 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成套軸承振動(dòng)檢驗(yàn)，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.3 檢測(cè)結(jié)論

通過斷口分析，發(fā)現(xiàn)原始斷裂源已缺失，無法準(zhǔn)確追溯原始斷裂源位置。現(xiàn)有斷口斷裂源位于外圈滾道B側(cè)底部，推測(cè)外圈斷裂原因可能為：

(1) 通過另一處未斷裂的止動(dòng)槽底部壓痕推測(cè)出該位置存在過較大的接觸應(yīng)力，止動(dòng)槽未軸承外圈較薄弱之處，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，若該位置受到止動(dòng)銷釘?shù)臄D壓，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成外圈斷裂。

(2) 軸承外圈滾道表面均存在等間距的軸向壓痕，故軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能受到?jīng)_擊或撞擊，從而導(dǎo)致止動(dòng)槽底部滾道受到?jīng)_擊載荷，造成外圈斷裂。

2.5 結(jié)構(gòu)分析

輸入軸系車輪側(cè)軸承配合結(jié)構(gòu)見圖5。通過該示意圖可以看出與四點(diǎn)接觸球軸承存在相互作用的部件包括箱體、悶蓋、定位銷和輸入齒輪軸。

圖5 輸入軸系車輪側(cè)軸承配合示意圖

(1) 箱體與軸承為間隙配合，箱體與軸承外圈間隙為0.5 mm，處于非接觸狀態(tài)，排除箱體與軸承干涉導(dǎo)致外圈裂紋。

(2) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，悶蓋止口與軸承外圈存在0.03 mm間隙，悶蓋止口距離均勻(差值≤0.01 mm)，且球軸承僅有定位銷槽除開裂，故可以排除悶蓋與軸承外圈異常接觸導(dǎo)致外圈異常受力產(chǎn)生裂紋。

(3) 軸承制動(dòng)槽處出廠時(shí)即存在裂紋，受列車運(yùn)行時(shí)振動(dòng)影響，裂紋擴(kuò)大導(dǎo)致外圈斷裂。根據(jù)送檢結(jié)果，由于原始斷裂源已缺失，無法準(zhǔn)確追溯原始斷裂源位置。

(4) 軸承組裝過程中，當(dāng)定位銷過長(zhǎng)時(shí)，其端面會(huì)與止動(dòng)槽底部壓緊并引起此處軸承受擠壓力。由于輸入齒輪軸軸向力部分作用于車輪側(cè)方向，外圈在定位銷和軸承滾子作用下最終開裂。

針對(duì)第4項(xiàng)，返廠拆解時(shí)用產(chǎn)生故障的悶蓋定位銷組合體與軸承定位銷制動(dòng)槽處進(jìn)行試裝對(duì)比，確認(rèn)存在干涉情況，結(jié)合送檢后檢測(cè)出該止動(dòng)槽同樣存在壓痕，最終確定，軸承外圈斷裂的原因?yàn)閻炆w定位銷過長(zhǎng)，與止動(dòng)槽發(fā)生干涉，導(dǎo)致外圈異常受力。

2.6 后續(xù)處理

(1) 正常情況下，由于軸承外圈與悶蓋止口內(nèi)徑相差1 mm，在周圈間隙一致時(shí)，定位銷斜面與止動(dòng)槽底部的間隙為0.354 mm。根據(jù)理論計(jì)算，要保證兩者不干涉，需對(duì)定位銷長(zhǎng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證定位銷與悶蓋組裝后的合理配合長(zhǎng)度(3～5 mm)。

(2) 針對(duì)其他已交付的齒輪箱，通過理論計(jì)算，配合現(xiàn)場(chǎng)操作，打開輸入軸端蓋，使用新的四點(diǎn)接觸球軸承檢測(cè)定位銷斜面與止動(dòng)槽底部之間的間隙，要求大于0.354 mm。

3 結(jié) 語

齒輪箱故障將直接影響列車安全運(yùn)行，文中對(duì)鄭州地鐵以上兩起較為典型的齒輪箱故障進(jìn)行了分析，目前國(guó)內(nèi)主要齒輪箱廠家均采用類似結(jié)構(gòu)，其中暴露出的工藝卡控及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，為其他地鐵公司同樣結(jié)構(gòu)的齒輪箱故障分析和預(yù)防提供了思路。