秦 軍

(重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司 重慶 401122)

0 引言

目前我國的懸掛式列車研發(fā)進(jìn)入了高峰期，各整車廠不斷有新的懸掛式列車進(jìn)行整車試驗。懸掛式列車齒輪箱相對于傳統(tǒng)軌道交通(比如地鐵、有軌電車)用齒輪箱增加了垂向、縱向和橫向承載的功能[1]，加上軌道限界的限制，齒輪箱的輸入軸通常被設(shè)計成很大的仰角，高達(dá)35°。齒輪箱輸入軸上仰的結(jié)構(gòu)對輸入端軸承的潤滑提出了極大的挑戰(zhàn)，下文介紹一種大仰角懸掛式單軌齒輪箱輸入軸承的潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗驗證。

1 齒輪箱總體及輸入軸承布置

齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1所示：箱體作為齒輪箱的安裝主體，輸出軸通過2個圓錐滾子軸承水平安裝在齒輪箱箱體上，輸入軸通過3個軸承(圓柱滾子軸承1+四點(diǎn)接觸球軸承+圓柱滾子軸承2)傾斜安裝在齒輪箱箱體上(見圖2)，輸入軸與水平面成35°夾角。

圖1 齒輪箱總體結(jié)構(gòu)布置

圖2 輸入軸軸承布置

2 大仰角軸承潤滑的難點(diǎn)分析

軸承潤滑的關(guān)鍵要素之一是軸承位置的油量，過多或者過少都不利于潤滑。潤滑油量過多會導(dǎo)致軸承滾子攪油功率增加，從而導(dǎo)致軸承發(fā)熱量增加，過多的潤滑油也可能導(dǎo)致迷宮密封出現(xiàn)滲油；潤滑油量過少會因為軸承滾子缺乏足夠的潤滑，導(dǎo)致軸承異常發(fā)熱。

此項目中由于外部結(jié)構(gòu)的需要，齒輪箱輸入軸被設(shè)計成35°的大仰角。大仰角使得遠(yuǎn)端軸承的最高位置高于攪油大齒輪的頂部，為使油池中的潤滑油能夠進(jìn)入軸承位置(至少進(jìn)入軸承中部位置)，油池必須設(shè)計在攪油齒輪的頂部附近，較高的油池收集到的飛濺潤滑油量就會大量減少。此項目中如果使用常規(guī)攪油潤滑方案，遠(yuǎn)離齒輪的四點(diǎn)接觸球軸承、圓柱滾子軸承2的潤滑油量可能會很少，甚至不能滿足潤滑要求。

3 齒輪箱輸入軸承潤滑設(shè)計

基于上述分析，此項目針對輸入軸承的潤滑設(shè)計了兩種不同的方案。

方案一的輸入軸承潤滑設(shè)計：在齒輪箱運(yùn)行中，通過被動大齒輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行攪油，擋油筋將飛濺的潤滑油進(jìn)行阻擋，被阻擋的潤滑油和附著在箱體壁上的潤滑油在重力的作用下流入設(shè)置在箱體壁上的油池內(nèi)，然后通過油道將潤滑油引導(dǎo)進(jìn)入軸承內(nèi)部，實現(xiàn)軸承的潤滑，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輸入軸軸承潤滑方案一

方案二的輸入軸承潤滑設(shè)計：在齒輪箱內(nèi)部設(shè)置油泵，進(jìn)行泵油潤滑。油泵的動力來自于齒輪工作時動力的一個分支，齒輪箱的輸出軸上設(shè)計一個取力主動圓柱齒輪，取力從動圓柱齒輪設(shè)置在一個支架上，支架與底部蓋板做成一個整體安裝在箱體底部。取力從動齒輪通過兩個深溝球軸承與支架進(jìn)行定位安裝，深溝球軸承通過飛濺的潤滑油實現(xiàn)潤滑。油泵通過螺釘連接在支架上，油泵的動力路徑：輸入軸→輸出軸→取力主動齒輪→取力從動齒輪→油泵，潤滑油的路徑：油池→油泵進(jìn)油口→油泵→油泵出油口→管道1→管道2→管道3→軸承位置→回到油池，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸入軸軸承潤滑方案二

4 試驗驗證

軸承是否得到良好潤滑，通常通過監(jiān)控軸承在運(yùn)行中的溫度來判斷，而軸承安裝在軸承座、箱體內(nèi)部，不易直接檢測其表面溫度，通過間接測量軸承座的表面溫度來評價軸承的運(yùn)行溫度是比較簡單且經(jīng)濟(jì)的。軸承的潤滑設(shè)計是否滿足要求，通過模擬臺架試驗驗證是一種簡單且經(jīng)濟(jì)的方式。

4.1 空載試驗

試驗主要根據(jù)車輛在平直軌道、坡度軌道(上、下坡)、軌道超高的情況下來設(shè)計不同的模擬工況。齒輪箱坐標(biāo)系定義如圖5所示，試驗臺布置如圖6所示，試驗工況模式如表1所示，試驗油位設(shè)置為低油位，油量約4.5 L，傾斜角度為：X軸±0.5°，Y軸±5.7°，每種傾斜角度均按照表1各工況正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行。對兩種潤滑設(shè)計方案分別進(jìn)行試驗。

圖5 齒輪箱坐標(biāo)系定義

圖6 齒輪箱空載試驗臺布置

表1 齒輪箱空載試驗工況

試驗中使用紅外線測溫儀進(jìn)行檢測，每5 min記錄一次。試驗結(jié)果表明：兩種潤滑方案設(shè)計，密封都滿足要求。方案一的潤滑效果明顯低于方案二，其中，方案一的最高溫度比方案二高23.2 ℃，潤滑油溫升高18.1 ℃，詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

4.2 加載試驗

基于加載試驗的成本考慮，加載只進(jìn)行了潤滑效果更好的方案二齒輪箱試驗。齒輪箱加載試驗臺布置如圖7所示，加載試驗在齒輪箱水平狀態(tài)、潤滑油中油位(約4.85 L)、風(fēng)速5 m/s的條件下進(jìn)行。加載各工況按表3單獨(dú)進(jìn)行，各工況下正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行。

表2 兩種潤滑方案的試驗結(jié)果

圖7 齒輪箱加載試驗臺布置

表3 齒輪箱加載試驗工況

試驗過程使用溫度傳感器采集軸承座表面溫度和潤滑油溫度，試驗結(jié)果表明：潤滑方案二的設(shè)計，密封滿足要求，且能夠滿足齒輪箱的溫度設(shè)計要求，說明潤滑方案二的設(shè)計是有效的。試驗結(jié)果如下：在工況1下，軸承座的最高溫度為84.4 ℃，潤滑油最大溫升為34.0 ℃；在工況2下，軸承座的最高溫度為88.2 ℃，潤滑油最大溫升為40.1 ℃；在工況3下，軸承座的最高溫度為71.3 ℃，潤滑油最大溫升為20.7 ℃。

通過空載試驗下兩種潤滑方案的溫度差異值可以推測出，在加載工況下，方案一的軸承座最高溫度可能達(dá)到111.4 ℃，不能滿足齒輪箱的溫度設(shè)計要求(齒輪箱設(shè)計溫度限值不大于100 ℃)。

5 結(jié)論

軸承潤滑設(shè)計是齒輪箱設(shè)計的重要項點(diǎn)，通過對懸掛式單軌齒輪箱大仰角輸入軸承的兩種不同潤滑設(shè)計方案的驗證，可以說明：

(1)傳統(tǒng)軌道交通齒輪箱的攪油潤滑設(shè)計方案可能不滿足大仰角軸承潤滑的需求。

(2)大仰角的懸掛式單軌齒輪箱輸入軸承的潤滑設(shè)計通過泵油強(qiáng)制潤滑是可以滿足設(shè)計要求的。

(3)強(qiáng)制潤滑油泵通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以與齒輪箱集成在一起，而無須通過外部泵站及動力進(jìn)行泵油潤滑。