□ 刘 晴 □ 魏春阳 □ 张晓峰

中车戚墅堰机车有限公司 江苏常州 213011

1 研究背景

随着我国经济的快速发展,铁路机车牵引力不断增大，速度不断提高,对机车齿轮箱性能的要求也越来越高。齿轮箱作为机车转向架关键部件,不仅要承受驱动系统传递的扭矩及机车运行过程中产生的冲击载荷,而且要为牵引齿轮及轴承提供一个密封性能良好的工作环境,以满足润滑需求。可见,齿轮箱的结构强度及密封性能对机车安全运行而言至关重要。

FXN5C内燃机车齿轮箱是全新的承载式铸铝齿轮箱。齿轮箱设计时对静强度及疲劳强度进行仿真计算，有助于改善箱体应力集中的情况。齿轮箱试制完成后对其密封性能进行试验,可以有效验证润滑油的泄漏情况,以便采取相应的措施。

2 齿轮箱结构特点

FXN5C内燃机车齿轮箱由上箱体、下箱体、大领圈、小领圈及附件等组成,其结构如图1所示。

齿轮箱一端通过螺栓与抱轴箱连接,另一端通过螺栓与牵引电机连接,由齿轮箱小领圈支撑装有电机轴承的牵引电机端盖。齿轮箱安装方式如图2所示。可见,齿轮箱需要承受牵引齿轮啮合时通过电机轴承传递至齿轮箱箱体上的力。

齿轮箱靠近车轮侧大领圈处装有密封圈,与从动齿轮形成动密封,其它大领圈和小领圈分别与抱轴箱及牵引电机端盖形成静密封,从而为牵引齿轮及电机轴承提供密封的工作环境。

▲图1 齿轮箱结构▲图2 齿轮箱安装方式

设计中，笔者加大了齿轮箱下箱体底部,增大了齿轮箱底部的空间,从而增加了储油量。齿轮箱上箱体设置集油槽和进油孔,保证牵引齿轮在齿轮箱内转动时飞溅的润滑油既可以为牵引齿轮提供润滑，又可以为电机输出端轴承提供润滑[1-2]。

3 强度分析

3.1 受力分析

为提高齿轮箱体的结构强度,在箱体顶部、侧面及各领圈处均设置了加强筋,这样不仅可以提高齿轮箱的结构强度,还可以减小箱体的变形,从而保证齿轮箱的密封性能。

机车运行时，牵引齿轮啮合产生的相互反作用力随机车运行工况的变化而产生大幅变化,并且通过轴承传递至齿轮箱体上。牵引齿轮啮合参数见表1。

表1 牵引齿轮啮合参数

根据牵引齿轮啮合参数，可以得到不同工况下牵引电机的输出扭矩,由此计算出主动齿轮和从动齿轮之间的作用力,并可以分解为径向力和切向力[3-4]。

机车运行过程中,轨道的冲击、振动，以及线路的不平顺会引起作用力，通过轴承及牵引齿轮传递至齿轮箱体上。

3.2 计算模型

将齿轮箱及电机简化为驱动系统，并选取驱动系统为研究对象，其有限元模型如图3所示。

▲图3 驱动系统有限元模型

3.3 载荷工况

根据TJ/JW 064—2015《交流传动机车铸铝合金齿轮箱体暂行技术条件》，齿轮箱体在超常载荷工况下的惯性冲击及短路扭矩载荷见表2,齿轮箱体在常用载荷工况下的惯性冲击及持续扭矩载荷见表3。

3.4 静强度分析

根据表2中的超常载荷工况在ANSYS Workbench软件中进行计算,得出齿轮箱体静强度计算结果，见表4。齿轮箱体超常载荷工况1和工况16应力云图分别如图4、图5所示。

表2 齿轮箱体超常载荷工况

表3 齿轮箱体常用载荷工况

表4 齿轮箱体超常载荷工况1静强度计算结果

由表4可知,齿轮箱体在超常载荷工况下的应力均小于材料的抗拉强度(270 MPa),因此,齿轮箱静强度满足要求。

3.5 疲劳强度分析

根据表3中的常用载荷工况在ANSYS Workbench软件中进行计算,由应力计算结果进行疲劳强度评估。选取齿轮箱整个表面的全部节点,将每个节点在16种常用载荷工况下的应力矩阵分量导入MATLAB软件,将每个节点在16种常用载荷工况下的最大应力和最小应力描点至TJ/JW 064—2015标准中齿轮箱体应力允许区域,结果如图6所示。可以看出,齿轮箱体在常用载荷工况下的所有表面应力均在应力允许区域内,因此,齿轮箱疲劳强度满足要求。

▲图4 齿轮箱体超常载荷工况1应力云图▲图5 齿轮箱体超常载荷工况16应力云图

▲图6 齿轮箱体常用载荷工况应力描点

4 密封性能分析

4.1 密封结构特点

齿轮箱密封结构设计不合理会造成润滑油泄漏,润滑油减少会引起齿轮及轴承润滑不良,从而缩短齿轮和轴承的使用寿命。润滑油的持续泄漏还会引起原材料浪费和环境污染。因此,需要对齿轮箱密封结构的密封性能进行充分研究。

FXN5C内燃机车齿轮箱的大小领圈处均设有密封结构,如图7所示。齿轮箱与牵引电机及抱轴箱配合处没有相对运动,属于静密封,可使用O形橡胶圈密封结构。齿轮箱与从动齿轮配合处有相对运动，属于动密封,可使用迷宫密封结构[5-7]。

▲图7 齿轮箱密封结构

迷宫密封采用阶梯式密封结构,并且由轴向密封及径向密封组合作用。当润滑油通过轴向密封的间隙时，由于通流面积突然变小形成阻力,润滑油流量随之减小,之后润滑油突然进入一个较大的空腔,流速急剧下降,一部分润滑油流回齿轮箱内,另一部分继续流向轴向密封间隙和空腔,最后有少量润滑油流向径向密封。在径向密封的高速旋转甩动下,润滑油被甩回轴向密封空腔,进而流回到齿轮箱内[8-9]。

4.2 密封性能试验

为验证齿轮箱密封结构的合理性，以及进油、回油油路的通畅性,轮轴驱动系统组装完成后需要进行跑合试验[10]。在第六位轮轴驱动系统跑合试验时，迷宫密封结构处出现渗油现象。跑合试验正反转结束后，地面上已有明显积油现象。

第六位轮轴驱动系统跑合试验之前,前五位轮轴驱动系统均已完成跑合试验,并且未出现渗油现象。因此,初步判断引起密封结构渗油的原因可能包括:① 齿轮箱润滑油加入量过多,导致渗油;② 迷宫密封齿槽尺寸超差,密封失效,导致渗油;③ 齿轮箱迷宫密封处有异物,致使润滑油回油不畅,导致渗油。

对跑合试验渗油的第六位轮轴驱动系统进行现场拆解。拆解前观察油位在上下刻线之间,证明加油量正常。拆解后对密封圈及密封槽等结构的尺寸进行了测量,尺寸均正常,无超差现象。拆解后发现迷宫密封结构齿槽充满密封胶，如图8所示。

由现场调研可知,从动齿轮及密封圈齿槽处充满密封胶。由此判断由于组装时密封胶过多产生溢出，堵住了迷宫密封结构,导致回油不畅，引起渗油。对此,在组装时需规定涂胶量不得超出卡槽深度的1/3,以避免密封胶溢出至迷宫密封结构处。

▲图8 齿槽处密封胶

对重新组装后的轮轴驱动系统再次进行跑合试验,试验结束后未出现渗油现象,如图9所示。试验中轴承温度、温升均正常,说明齿轮箱结构的密封性能良好,齿轮及轴承的润滑良好。

▲图9 重新组装后跑合试验状态

5 结束语

通过研究表明，FXN5C内燃机车齿轮箱的结构强度及密封性能良好,齿轮箱试制完成后各项试验均满足要求。

通过对齿轮箱受力分析及仿真计算，研究了齿轮箱的静强度及疲劳强度,解决了齿轮箱应力集中的问题,为齿轮箱结构的强度分析提供了参考。

跑合试验时各测点温度、温升均正常,说明齿轮箱外形结构设计合理,为牵引齿轮及轴承提供了充分的润滑。

通过试验证明了齿轮箱采用迷宫密封,所取得的密封性能良好,为牵引齿轮及轴承提供了密封良好的工作环境。