一類HX型電力機車齒輪箱自動清洗換油設(shè)備的設(shè)計開發(fā)

崔家保 張旭 楊康 許昭 慕顯龍 李強

摘要：機車齒輪箱油具有潤滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質(zhì)量決定機車的正常運行和使用壽命。針對目前 HX 型電力機車齒輪箱換油效率低、換油不徹底等問題，設(shè)計制作一種便攜式電力機車齒輪箱自動清洗換油設(shè)備，該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)為可移動車體，將設(shè)備的零部件集成安裝在車體上，提高了設(shè)備現(xiàn)場使用靈活性，且系統(tǒng)設(shè)置有自動和手動兩種模式，通過 PLC 控制實現(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)過測試，該設(shè)備能高效完成齒輪箱油的清洗換油工作，驗證了該設(shè)備的實用性和可靠性。

關(guān)鍵詞：自動換油；機車齒輪箱；循環(huán)清洗；裝置設(shè)計

中圖分類號：U279???????????????????????????? 文獻標志碼：A

機車齒輪箱是機車傳動系統(tǒng)中的重要部件之一，齒輪箱的傳動平穩(wěn)性和可靠性直接影響機車的運行安全。在機車齒輪箱使用過程中，需加入齒輪箱油[1-5]。機車齒輪箱油具有潤滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質(zhì)量決定機車的正常運行和使用壽命[6-10]，潤滑失效是機車齒輪箱在服役階段故障的主要表現(xiàn)形式之一，潤滑失效會加劇傳動系統(tǒng)的磨耗，降低齒輪箱的傳動性能。HXD1C 機車是嘉峪關(guān)機務(wù)段運用的主型貨運機車，按運行公里結(jié)合修程在 C2時進行換油，因現(xiàn)場條件所限，實施不落輪重力自流方式進行換油時，存在底部金屬磨粒、沉淀無法排除等問題，因此注入新油后，會造成新油污染、油品質(zhì)量下降，在冬季氣溫低的情況下，會出現(xiàn)重力排油緩慢或無法排出等問題。

經(jīng)了解，目前我國機車檢修工裝中，針對機車齒輪箱自動清洗換油的專門設(shè)備還屬于空白。為解決上述換油方式存在的問題，研制一種操作簡單、移動便捷的齒輪箱清洗換油設(shè)備，采用 PLC 控制，有著良好的人機交互性。

1現(xiàn)狀調(diào)查

現(xiàn)階段，各機務(wù)段普遍采用的換油方式有兩種。

（1）通過擰開齒輪箱下方的放油堵，采用重力排油方式。

因機車齒輪箱油品黏度較大、流動性差，受外界環(huán)境溫度的影響大，在25℃時，采用這種換油方式只能換出70%～80%的潤滑油，換油不徹底，且存在注油量無法精確控制、油料成本浪費、勞動強度大、工作效率低、易造成現(xiàn)場污染等問題。

（2）解體齒輪箱，對各部件及齒輪箱內(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，不適合機車齒輪箱保養(yǎng)要求。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)組成

齒輪箱自動清洗換油設(shè)備系統(tǒng)組成見表1所列，主要包括驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機械結(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；操作方式：彩色觸摸屏，可在彩色觸摸屏上完成對設(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，能夠滿足機車組齒輪箱自動清洗換油工作要求。

2.3系統(tǒng)原理圖設(shè)計

系統(tǒng)集成了電機、液位計、加熱器、流量計、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)計參數(shù)見表3所列。根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求進行計算，完成泵、電機、傳感器、電源、控制閥和液壓輔助元件的選定。

3功能實現(xiàn)

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

4機械結(jié)構(gòu)仿真分析

本設(shè)備上集成安裝了電機、輔助泵、電控箱、新舊油箱等重量較大的器件，考慮到現(xiàn)場需要進行頻繁移動，所以對設(shè)備機械結(jié)構(gòu)強度要求較高。因此在初期設(shè)計時，定量其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計是否滿足強度要求是必要的。

本論述采用Solidworks軟件對該設(shè)備機械結(jié)構(gòu)在實際工況下的受力進行分析與計算[11-12]，校核其安全性、經(jīng)濟性和實用性。對設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)部分進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析[13-14]，在實驗條件無法滿足的情況下驗證設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)在外力作用下是否滿足強度及剛度要求，包括模型建立、結(jié)構(gòu)分析、校核驗算等內(nèi)容，其結(jié)果為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)制造提供了有力的理論依據(jù)。

4.1設(shè)備機械結(jié)構(gòu)上施加的載荷條件

根據(jù)設(shè)備元器件的實際重量，確認在設(shè)備機械結(jié)構(gòu)上施加的載荷條件見表4所列。

4.2設(shè)備機械結(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)計尺寸建立設(shè)備機械結(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算結(jié)果精度和計算量大小，一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高。為了能夠很好地解析該設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，在劃分網(wǎng)格的時候?qū)σ恍┏叽巛^小的地方進行了網(wǎng)格細化。

首先進行網(wǎng)格的無關(guān)性驗證，在滿足網(wǎng)格疏密均勻的前提下，對網(wǎng)格尺寸進行準確定義，確定最終的網(wǎng)格生成參數(shù)。

設(shè)備機械結(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)點數(shù)量為2461987，并且網(wǎng)格分布均勻，可以滿足計算要求。

4.4設(shè)備機械結(jié)構(gòu)分析

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

由圖6看出，機械結(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)備機械結(jié)構(gòu)總體變形量很小，小于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配偏差，完全不影響其工作。因此，該設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足剛度要求。

對設(shè)備機械結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析，確定設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

由圖7看出機械結(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)力分布值均勻過渡，而最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在泵電機支撐梁中間位置處，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得鋼號為 Q235B、鋼板標準為 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)下不會發(fā)生屈服破壞。

4.5設(shè)備機械結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

根據(jù)以上計算結(jié)果得出：設(shè)備機械結(jié)構(gòu)中所有零件的總體變形量在設(shè)計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)備機械結(jié)構(gòu)中所有零件滿足強度及剛度的要求。

5實驗測試

為了測試本設(shè)備的實用性，將本設(shè)備在嘉峪關(guān)機務(wù)段進行現(xiàn)場測試。將設(shè)備的抽、排油口通過配有快換接頭的連接管接在機車齒輪箱上，設(shè)備啟動后，通過觸摸屏進行控制操作，能夠正常完成機車齒輪箱的等量換油、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。

對一個齒輪箱（7 L 油液）進行加油、排油、清洗試驗測試，結(jié)果見表6～表8所列，使用該設(shè)備后，除去裝卸油堵、接拆油管的時間，從一個齒輪箱中排出舊油時間為5～8 min，向一個齒輪箱加注新油時間為2～4 min，對一個齒輪箱進行內(nèi)容循環(huán)沖洗時間為0.25～0.35 h，且油液經(jīng)過過濾系統(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，能夠減少換油時間、改善油液品質(zhì)，有效提升機車齒輪箱維護保養(yǎng)工作效率，節(jié)約了人員成本，減少了油液浪費。

6結(jié)論

本論述通過綜合應(yīng)用 PLC 控制、傳感器檢測等技術(shù)，研制了一種 HX 型電力機車齒輪箱自動清洗換油設(shè)備，通過有限元分析技術(shù)驗證了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，實現(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，滿足了機車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上，結(jié)構(gòu)緊湊、移動方便，使用該設(shè)備后能夠減少工作時間，減輕勞動強度，有效提高機車齒輪箱維護保養(yǎng)工作效率；同時能夠?qū)崿F(xiàn)廢油封閉回收，避免了環(huán)境污染和油液浪費。經(jīng)過現(xiàn)場實際測試，設(shè)備噪音小、效率高、運行穩(wěn)定、操作簡便，能滿足各 HX 型機車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，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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

[2] 牛森，趙東波，梁寶山.HXD2F 型電力機車齒輪箱制造工藝[J].機車車輛工藝，2021（5）：14-17.

[3] 張省偉，王曉琴.機車齒輪箱故障及處理方法分析[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(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軸重機車齒輪箱加工工藝[J].機車車輛工藝，2020（3）：16-17，20.

[6] 吳四二.地鐵車輛轉(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. 地鐵車輛齒輪箱常見故障及解決措施[J]. 中國設(shè)備工程，2020（13）：97-98.

[8] 陳清建，彭長福，劉軍，等.SDA-（1）型機車齒輪箱潤滑油乳化故障分析[J].電力機車與城軌車輛，2022，45（6）：111-115.

[9] 王超朋.HXD1型交流機車齒輪箱常見漏油故障分析及預(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[J]. 重型汽車，2022（1）：47.

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

[12] 龍有強，劉璟. 基于SolidWorks研究網(wǎng)格大小對有限元分析結(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)的機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 粘接，2020，41（2）：154-157，162.

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

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

[16] 潘棟. 基于SolidWorks 軟件的管類零件參數(shù)化設(shè)計和數(shù)據(jù)交換[D].武漢：華中科技大學(xué)，2020.