關于和諧號動車組齒輪箱油路結構優化研究

吳臻易　趙浩杰　劉斌普

摘 要：通過對某型和諧號動車組齒輪箱軸承故障原因及結構機理分析，針對特定工況下齒輪箱軸承潤滑不良問題制定了齒輪箱結構優化方案，從而提升齒輪箱的受油量，降低軸承干磨的概率。同時該方案通過了臺架試驗、模擬仿真、型式試驗等一系列的試驗驗證，證明在保證原有結構可靠性基礎上，對于改善軸承潤滑不良的問題效果明顯，現方案已經進入批量改造實施階段，改造完成后動車組經跟蹤應用效果良好。

關鍵詞：齒輪箱 油路 軸承 仿真 溫度

1 引言

2022年1月，某型和諧號高速動車組接連報出多起齒輪箱小軸溫度報警故障，故障件拆解后發現齒輪箱PW側軸承內圈擋邊磨損。

進一步數據分析發現，故障均發生在 0℃左右低溫環境和特定速度區間（140km/h-240km/h），分析因齒輪箱磨合不充分，在低溫環境、特定速度區間、齒輪箱正轉、潤滑油量偏少等特定條件下，齒輪箱車輪側小軸承受油量減少，導致軸承瞬時潤滑不良，內圈大擋邊與滾子干摩擦，造成軸承溫升突變。

2 齒輪箱結構機理

2.1 設計結構

該型動車組裝用的齒輪箱為整體式鋁合金箱體，一級斜齒輪傳動，大小軸均采用圓錐滾子軸承，小軸軸承型號R70-25g3QWAP6B。齒輪箱采用飛濺式油潤滑方式，潤滑油型號JRK65/KRG 75W-80/VT 75W-80，黏度等級75W-80，油量3.1L（中刻度線）。

2.2 受油路徑

正轉：大齒輪逆時針旋轉（由電機側看向齒輪箱），潤滑油從大油池攪起，沿大齒輪旋轉方向甩向小齒輪側軸承，經兩側軸承及PM側回油孔后落入小油腔。

反轉：大齒輪順時針旋轉，將潤滑油從大油池攪起后直接甩向小齒輪側軸承，經過兩側軸承及PM側回油孔后落入小油腔。

3 優化方案

3.1 結構優化

為改善PW側軸承潤滑條件，增加其受油量，對箱體、PW 軸承座和箱蓋密封墊進行改造。在維持齒輪箱主體結構不變的基礎上，對箱體、軸承座增加Φ5mm的聯通孔，同時箱蓋密封墊設置缺口，利用上箱蓋斜度將潤滑油經密封墊缺口→箱體孔→PW軸承座孔→PW側軸承，形成新增油路。

具體方案如下：

（1）箱體：在箱體上箱蓋安裝面的PW側軸承上方處增設傾斜角度約63.7°、直徑Φ5mm通孔，上孔口倒角處理。

（2）PW軸承座：在PW軸承座上方與箱體通孔對應處增設傾斜角度約15°、直徑Φ5mm 通孔，上孔口倒角處理。

（3）密封墊：箱體通孔對應的密封墊處設置半徑 5mm 的長條形缺口。

（4）標識：齒輪箱結構優化后，在齒輪箱銘牌旁刻打“G”標識，與原結構齒輪箱區分。

3.2 方案驗證

3.2.1 受油量試驗

通過試驗臺跑合，對齒輪箱結構優化方案有效性開展臺架試驗，對比了相同時間內結構優化前后PW側及PM側軸承受油量，具體如下：

（1）增加油路后，PW側軸承受油量較原結構齒輪箱增加約100%～300%。

（2）增加油路后，正轉PW側軸承受油量與PM側（反轉）軸承受油量相當。

3.2.2 強度分析

對優化后齒輪箱箱體進行強度校核，短路扭矩10050N.m，正轉工況下齒輪箱Φ5mm通孔處最大應力 48.5MPa，反轉工況下Φ5mm通孔處最大應力56.3MPa，相對于箱體材料的疲勞極限78.4MPa，安全系數分別為1.62和1.39。

對優化后軸承座進行強度校核，短路扭矩10050N.m，正轉工況下軸承座Φ5mm通孔處最大應力 44.5MPa，反轉工況下軸承座Φ5mm通孔處最大應力 31.5MPa，相對于軸承座材料的疲勞極限147MPa，安全系數分別為3.30和4.67。

3.2.3 模態分析

對優化前后箱體和PW軸承座的模態進行計算分析，由計算結果可知，優化前后的箱體和PW軸承座各階模態特征頻率與振型均基本一致，局部結構優化對其振動特性的影響可忽略。

3.2.4 密封分析

為驗證密封墊加工后密封性能，考慮螺栓預緊力， 對原方案及優化方案密封墊面壓進行計算，結果表明優化前后密封墊處面壓基本一致，無明顯下降部位。

3.2.5 型式試驗

根據《TJ/CL277-2014 動車組齒輪箱組成暫行技術條件》開展了優化方案齒輪箱例行試驗及高溫特性試驗、低溫啟動、溫升平衡試驗、最高試驗轉速加載試驗，試驗結果滿足要求，見表2。

3.2.6 溫度分析

基于齒輪箱低溫啟動及溫升平衡試驗，對結構優化前后的GW/GM/PW/PM側軸承的溫升速率、溫度進行對比分析，各部位軸承溫度特征無明顯差異，各密封部位狀態良好。其中PW側軸承在低溫啟動時的溫升速率略有降低，溫升平衡試驗時的最高溫度值略有增加，見表3。

統計該型高速動車組2400余套齒輪箱PW側軸承歷史溫度，最高為104℃，對比優化前后PW側軸承溫升平衡溫度（117.8℃/118.0℃），分析優化后齒輪箱PW側軸承夏季高溫環境運行時最高溫度基本無變化，可以確保夏季高溫季節運用穩定性。

4 總結

通過對某型動車組的齒輪箱軸承擋圈磨損導致溫度升高故障的原因進行深入分析，從齒輪箱結構機理出發，提出了完整的齒輪箱油路改造優化方案，并經過臺架試驗、模擬仿真、型式試驗等一系列手段驗證方案對改善上述故障失效模式切實有效，具有較大的應用價值。

參考文獻：

[1]萬國強，林建輝，易彩.高速列車齒輪箱振動特性分析與故障識別方法[J]. 機械科學與技術，2018，37（1）：115-119.

[2]趙翔彥，馬域，閆樹軍，等.動車組齒輪箱體模態分析研究[J].測控技術，2022，41（7）： 81-86.

[3]郝偉，徐宏海. 高速動車組驅動齒輪箱的約束模態分析與結構改進[J]. 機械傳動，2021，45（6）：153-158.

[4]李建林，吳剛，丁春松. 動車組齒輪箱軸承游隙隨環境溫度變化規律的研究[J]. 機車車輛工藝，2020，43（3）：43-45.

[5]李建，宮垂玉，趙田明，等. 動車組齒輪箱乳化分析與結構優化研究[J]. 內燃機與配件，2020，24（3）：53-55.

[6]單巍. 高速列車新型齒輪箱箱體強度仿真與試驗研究[D]. 北京交通大學學報，2017.