一類(lèi)HX型電力機(jī)車(chē)齒輪箱自動(dòng)清洗換油設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

崔家保 張旭 楊康 許昭 慕顯龍 李強(qiáng)

摘要：機(jī)車(chē)齒輪箱油具有潤(rùn)滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質(zhì)量決定機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行和使用壽命。針對(duì)目前 HX 型電力機(jī)車(chē)齒輪箱換油效率低、換油不徹底等問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作一種便攜式電力機(jī)車(chē)齒輪箱自動(dòng)清洗換油設(shè)備，該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)為可移動(dòng)車(chē)體，將設(shè)備的零部件集成安裝在車(chē)體上，提高了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用靈活性，且系統(tǒng)設(shè)置有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，通過(guò) PLC 控制實(shí)現(xiàn)了齒輪箱油的循環(huán)清洗、定量換油、油液加熱保溫等功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該設(shè)備能高效完成齒輪箱油的清洗換油工作，驗(yàn)證了該設(shè)備的實(shí)用性和可靠性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)換油；機(jī)車(chē)齒輪箱；循環(huán)清洗；裝置設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U279???????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

機(jī)車(chē)齒輪箱是機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件之一，齒輪箱的傳動(dòng)平穩(wěn)性和可靠性直接影響機(jī)車(chē)的運(yùn)行安全。在機(jī)車(chē)齒輪箱使用過(guò)程中，需加入齒輪箱油[1-5]。機(jī)車(chē)齒輪箱油具有潤(rùn)滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質(zhì)量決定機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行和使用壽命[6-10]，潤(rùn)滑失效是機(jī)車(chē)齒輪箱在服役階段故障的主要表現(xiàn)形式之一，潤(rùn)滑失效會(huì)加劇傳動(dòng)系統(tǒng)的磨耗，降低齒輪箱的傳動(dòng)性能。HXD1C 機(jī)車(chē)是嘉峪關(guān)機(jī)務(wù)段運(yùn)用的主型貨運(yùn)機(jī)車(chē)，按運(yùn)行公里結(jié)合修程在 C2時(shí)進(jìn)行換油，因現(xiàn)場(chǎng)條件所限，實(shí)施不落輪重力自流方式進(jìn)行換油時(shí)，存在底部金屬磨粒、沉淀無(wú)法排除等問(wèn)題，因此注入新油后，會(huì)造成新油污染、油品質(zhì)量下降，在冬季氣溫低的情況下，會(huì)出現(xiàn)重力排油緩慢或無(wú)法排出等問(wèn)題。

經(jīng)了解，目前我國(guó)機(jī)車(chē)檢修工裝中，針對(duì)機(jī)車(chē)齒輪箱自動(dòng)清洗換油的專(zhuān)門(mén)設(shè)備還屬于空白。為解決上述換油方式存在的問(wèn)題，研制一種操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)便捷的齒輪箱清洗換油設(shè)備，采用 PLC 控制，有著良好的人機(jī)交互性。

1現(xiàn)狀調(diào)查

現(xiàn)階段，各機(jī)務(wù)段普遍采用的換油方式有兩種。

（1）通過(guò)擰開(kāi)齒輪箱下方的放油堵，采用重力排油方式。

因機(jī)車(chē)齒輪箱油品黏度較大、流動(dòng)性差，受外界環(huán)境溫度的影響大，在25℃時(shí)，采用這種換油方式只能換出70%～80%的潤(rùn)滑油，換油不徹底，且存在注油量無(wú)法精確控制、油料成本浪費(fèi)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、易造成現(xiàn)場(chǎng)污染等問(wèn)題。

（2）解體齒輪箱，對(duì)各部件及齒輪箱內(nèi)部清洗后組裝

這種清洗方式質(zhì)量高，但需要拆裝齒輪箱，技術(shù)要求高、工作量大、清洗及換油效率低，不適合機(jī)車(chē)齒輪箱保養(yǎng)要求。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成

齒輪箱自動(dòng)清洗換油設(shè)備系統(tǒng)組成見(jiàn)表1所列，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)備外觀如圖1所示。

2.2設(shè)備主要參數(shù)

設(shè)備供電采用220 V交流電源供電和48 V應(yīng)急蓄電池供電；控制方式為：電液驅(qū)動(dòng)；操作方式：彩色觸摸屏，可在彩色觸摸屏上完成對(duì)設(shè)備的控制及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和查看，主要參數(shù)見(jiàn)表2所列。該設(shè)備的工作溫度為-10℃～45℃，有較好的耐腐蝕性、抗震性及兼容性，能夠滿(mǎn)足機(jī)車(chē)組齒輪箱自動(dòng)清洗換油工作要求。

2.3系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成了電機(jī)、液位計(jì)、加熱器、流量計(jì)、壓力表、重力傳感器等多種元件，設(shè)置了支持快換的加油口和放油口，預(yù)留了通氣孔，系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.4元件選擇

具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3所列。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求進(jìn)行計(jì)算，完成泵、電機(jī)、傳感器、電源、控制閥和液壓輔助元件的選定。

3功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)備使用 PLC 進(jìn)行控制，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行指令下發(fā)，控制齒輪泵啟停、調(diào)速，加熱器啟停，電磁球閥管路切換，從而實(shí)現(xiàn)油液的抽吸、過(guò)濾、加熱等功能；通過(guò)輪詢(xún)方式實(shí)時(shí)采集油液重量、油液溫度，管路內(nèi)油液流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示。最終實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

4機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真分析

本設(shè)備上集成安裝了電機(jī)、輔助泵、電控箱、新舊油箱等重量較大的器件，考慮到現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行頻繁移動(dòng)，所以對(duì)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高。因此在初期設(shè)計(jì)時(shí)，定量其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求是必要的。

本論述采用Solidworks軟件對(duì)該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的受力進(jìn)行分析與計(jì)算[11-12]，校核其安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析[13-14]，在實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法滿(mǎn)足的情況下驗(yàn)證設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)在外力作用下是否滿(mǎn)足強(qiáng)度及剛度要求，包括模型建立、結(jié)構(gòu)分析、校核驗(yàn)算等內(nèi)容，其結(jié)果為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造提供了有力的理論依據(jù)。

4.1設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)上施加的載荷條件

根據(jù)設(shè)備元器件的實(shí)際重量，確認(rèn)在設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)上施加的載荷條件見(jiàn)表4所列。

4.2設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)

設(shè)備結(jié)構(gòu)材料采用 Q235B鋼，該材料具有良好的拉伸強(qiáng)度、韌性和鑄造性，被廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)件[15]，具體屬性見(jiàn)表5所列。

4.3模型建立及網(wǎng)格劃分

4.3.1? 模型建立

首先使用Solidworks根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維模型[16]，并將模型導(dǎo)出為有限元軟件識(shí)別的格式，模型如圖4所示。

4.3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算量大小，一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高。為了能夠很好地解析該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，在劃分網(wǎng)格的時(shí)候?qū)σ恍┏叽巛^小的地方進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

首先進(jìn)行網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，在滿(mǎn)足網(wǎng)格疏密均勻的前提下，對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確定義，確定最終的網(wǎng)格生成參數(shù)。

設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分布如圖5所示。從圖5看出，網(wǎng)格總數(shù)量為1042949，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2461987，并且網(wǎng)格分布均勻，可以滿(mǎn)足計(jì)算要求。

4.4設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中承受表4所列的靜載荷，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進(jìn)行分析，劃分完網(wǎng)格之后給設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)施加符合實(shí)際的靜載荷邊界條件，然后在有限元分析軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，待計(jì)算收斂后獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體變形量分布，如圖6所示。

由圖6看出，機(jī)械結(jié)構(gòu)總體變形量最大的地方分布在油箱支撐梁中間段處，最大值為0.050925 mm；變形值由油箱支撐梁中間位置向兩邊遞減，并且總體變形量分布值均勻過(guò)渡；其余部位總體變形值介于0.02～0.05 mm，可以忽略。由于設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)總體變形量很小，小于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配偏差，完全不影響其工作。因此，該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足剛度要求。

對(duì)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，確定設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

由圖7看出機(jī)械結(jié)構(gòu)的大部分結(jié)構(gòu)其等效應(yīng)力值在2 MPa左右，并且應(yīng)力分布值均勻過(guò)渡，而最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在泵電機(jī)支撐梁中間位置處，其最大值為13.188 MPa，最大等效應(yīng)力由該接觸面向槽鋼下表面均勻遞減；其余部位的應(yīng)力值都小于3.5 MPa。

等效應(yīng)力最大處方管的材料為 Q235B，經(jīng)查 GB150-2011得鋼號(hào)為 Q235B、鋼板標(biāo)準(zhǔn)為 GB713，使用狀態(tài)為熱軋、控軋，正火處理，厚度為4 mm，在20℃以下的材料的許用應(yīng)力[σ]=148 MPa，完全大于最大等效應(yīng)力13.188 MPa 。根據(jù)畸變能密度理論，槽鋼在該等效應(yīng)力狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生屈服破壞。

4.5設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得出：設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)中所有零件的總體變形量在設(shè)計(jì)及裝配允許的誤差范圍之內(nèi)，所有零件的等效應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，故該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)中所有零件滿(mǎn)足強(qiáng)度及剛度的要求。

5實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本設(shè)備的實(shí)用性，將本設(shè)備在嘉峪關(guān)機(jī)務(wù)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。將設(shè)備的抽、排油口通過(guò)配有快換接頭的連接管接在機(jī)車(chē)齒輪箱上，設(shè)備啟動(dòng)后，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行控制操作，能夠正常完成機(jī)車(chē)齒輪箱的等量換油、加注新油、回收舊油、排空油箱、循環(huán)清洗及油液加熱等功能。

對(duì)一個(gè)齒輪箱（7 L 油液）進(jìn)行加油、排油、清洗試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表6～表8所列，使用該設(shè)備后，除去裝卸油堵、接拆油管的時(shí)間，從一個(gè)齒輪箱中排出舊油時(shí)間為5～8 min，向一個(gè)齒輪箱加注新油時(shí)間為2～4 min，對(duì)一個(gè)齒輪箱進(jìn)行內(nèi)容循環(huán)沖洗時(shí)間為0.25～0.35 h，且油液經(jīng)過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)后，其品質(zhì)有了較為明顯的提升。

綜上所述，使用該設(shè)備后，能夠減少換油時(shí)間、改善油液品質(zhì)，有效提升機(jī)車(chē)齒輪箱維護(hù)保養(yǎng)工作效率，節(jié)約了人員成本，減少了油液浪費(fèi)。

6結(jié)論

本論述通過(guò)綜合應(yīng)用 PLC 控制、傳感器檢測(cè)等技術(shù)，研制了一種 HX 型電力機(jī)車(chē)齒輪箱自動(dòng)清洗換油設(shè)備，通過(guò)有限元分析技術(shù)驗(yàn)證了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)了等量換油、加注新油、回收舊油、循環(huán)清洗、油液加熱等功能，滿(mǎn)足了機(jī)車(chē)齒輪箱換油清洗的工藝要求，且該裝置將所有器件集成安裝在小車(chē)上，結(jié)構(gòu)緊湊、移動(dòng)方便，使用該設(shè)備后能夠減少工作時(shí)間，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高機(jī)車(chē)齒輪箱維護(hù)保養(yǎng)工作效率；同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)廢油封閉回收，避免了環(huán)境污染和油液浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，設(shè)備噪音小、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，能滿(mǎn)足各 HX 型機(jī)車(chē)的齒輪箱換油清洗工作，在低溫狀態(tài)下仍有較高的作業(yè)效率，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉新廠，孫琦，藺渝鴻.機(jī)車(chē)齒輪箱齒根裂紋故障特征提取方法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2022，42（6）：124-129.

[2] 牛森，趙東波，梁寶山.HXD2F 型電力機(jī)車(chē)齒輪箱制造工藝[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2021（5）：14-17.

[3] 張省偉，王曉琴.機(jī)車(chē)齒輪箱故障及處理方法分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2018，47（4）：35-37.

[4]? Chen Zaigang，Zhai Wanming，Wang Kaiyun. Locomotive dy?namic performance under traction/braking conditions consid ?ering effect of gear transmissions[J]. Vehicle System Dynam?ics，2018，56（7）：1097-1117.

[5] 焦小玲，郭軍鋒，丁興利.30 t軸重機(jī)車(chē)齒輪箱加工工藝[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2020（3）：16-17，20.

[6] 吳四二.地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱失效型式分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2021（1）：29-34.

[7] 張濱. 地鐵車(chē)輛齒輪箱常見(jiàn)故障及解決措施[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2020（13）：97-98.

[8] 陳清建，彭長(zhǎng)福，劉軍，等.SDA-（1）型機(jī)車(chē)齒輪箱潤(rùn)滑油乳化故障分析[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2022，45（6）：111-115.

[9] 王超朋.HXD1型交流機(jī)車(chē)齒輪箱常見(jiàn)漏油故障分析及預(yù)防措施[J].設(shè)備管理與維修，2020（24）：48-50.

[10] 伍英華，王輝. 某重型變速箱油管滲漏油故障改進(jìn)[J]. 重型汽車(chē)，2022（1）：47.

[11] 王飛，陳勝. 基于SolidWorks的深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析[J]. 機(jī)械工程師，2022（8）：96-99.

[12] 龍有強(qiáng)，劉璟. 基于SolidWorks研究網(wǎng)格大小對(duì)有限元分析結(jié)果的影響[J]. 裝備制造技術(shù)，2020（9）：13-14，19.

[13] 楊帆，張文娟，孫劍偉，等. 基于ANSYS技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 粘接，2020，41（2）：154-157，162.

[14] 樊維. 有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J]. 工程與試驗(yàn)，2021，61（2）：86-89.

[15] 廖衛(wèi)團(tuán)，彭海京.Q235B厚板拉伸檢測(cè)不合格原因分析與改進(jìn)[J].新疆鋼鐵，2019（2）：28-30.

[16] 潘棟. 基于SolidWorks 軟件的管類(lèi)零件參數(shù)化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)交換[D].武漢：華中科技大學(xué)，2020.