地铁齿轮箱漏油改进设计及验证_秦军.pdf
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1、MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址: 电邮:2023 年第 8 期机械工程师地铁齿轮箱漏油改进设计
2、及验证秦军(重庆凯瑞传动技术有限公司,重庆 401122)0引言地铁列车为制式的运输系统,车辆是整个运输系统的重要设备,转向架齿轮箱是车辆的关键部件1。齿轮箱的质量决定车辆运行的可靠性及检修、维护周期,进而影响车辆的全生命周期使用成本2。某线路地铁车辆的齿轮箱由3家公司提供,其中1家为合资公司,另外2家为国内厂家。合资公司提供的齿轮箱运行时密封效果良好,无润滑油泄漏,深得客户认可。国内另一厂家提供的齿轮箱在运行时密封效果不满足要求,主要表现为齿轮箱合箱面和轴承座与箱体端面的静密封面出现泄漏。我公司齿轮箱在运行时密封效果也不能满足要求,主要表现在齿轮箱输入轴迷宫密封位置出现润滑油泄漏,引起客户的
3、强烈不满。本文针对我公司齿轮箱在线路上运行时输入轴迷宫密封位置的漏油问题进行原因分析,并进行改进设计,然后进行厂内台架试验验证、上车运行验证,试验结果表明,此次齿轮箱的改进设计有效。1漏油判断准则迷宫密封为非接触式的密封结构,具有高可靠性、全寿命免维护特性,所以轨道交通行业中齿轮箱绝大多数采用非接触式的迷宫密封结构3。由于密封存在小间隙,齿轮箱运行时,随着润滑油温度的升高,润滑油会以油气的形式泄漏到齿轮箱外部。通常情况下,整车厂对齿轮箱润滑油损失的技术要求为:齿轮箱每运行10 万km损失量不得超过0.5 L。具体在齿轮箱表面上就是允许出现干的油灰聚集,如图1所示。干油灰聚集在齿轮箱表面,这时从
4、油位观察窗目视检查,油位线不会出现明显降低。不允许在齿轮箱表面出现明显的润滑油流动痕迹,如图2所示。齿轮箱表面有润滑油流动的痕迹,且表面的油迹一直处于湿润的状态,这时从油位观察窗目视检查,油位线会出现明显的降低。2漏油现象我公司提供的齿轮箱从2013年910月随整车进行空载5000 km运行试验,2014年34月随整车进行5000 km超载运行试验,2014年8月2019年7月随整车进行80.2 万km载客运营考核。整个运行期间齿轮箱温度特性、噪声特性及润滑油颜色正常,能够满足车辆的运行要求,但是齿轮箱输入端迷宫密封位置从投入运行开始就出现润滑油泄漏,在齿轮箱的表面出现大面积湿润的润滑油痕迹,
5、且油位线在运行一段时间后明显降低,导致顾客多次严重投诉。润滑油泄漏导致齿轮箱需要定时补充润滑油,费时、费力,不仅增加了轨道公司的维护成本,同时也对环境造成了不必要的污染4。3密封结构设计分析本项目输入轴中,使用2个“面对面”布置型式的圆锥摘要:某地铁齿轮箱在线上运行时,齿轮箱输入轴迷宫密封位置漏油。文中针对迷宫密封漏油现象进行原因分析,并提出改进设计方案。对改进设计后的齿轮箱进行台架试验验证及装车运营验证。结果表明,改进设计有效地解决了齿轮箱输入轴迷宫位置的漏油问题。关键词:迷宫密封结构;漏油;改进设计;试验验证中图分类号:U 121文献标志码:A文章编号:10022333(2023)0800
6、6504Improved Design and Verification of Oil Leakage in Metro GearboxQIN Jun(ChongqingCAERI Transmission TechnologyCo.,Ltd.,Chongqing401122,China)Abstract:When a Metro gearbox is running online,the labyrinth seal position of the input shaft of the gearbox leaks oil.The reason for the labyrinth seal l
7、eakage is analyzed,and the improved design is proposed.The bench test verification andloading operation verification of the gearbox after the improved design are carried out.The verification results show thatthe improved design is effective,and the oil leakage problem of the labyrinth position of th
8、e input shaft of the gearbox issolved.Keywords:labyrinth seal structure;oil leakage;improved design;test verification图2箱体表面典型漏油状态图1箱体表面典型干油灰状态(不属于漏油)聚集的干灰聚集的湿油灰,明显的油流痕迹。65MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGI
9、NEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址: 电邮:机械工程师图3齿轮箱输入轴迷宫位置漏油状态滚子轴承支撑输入轴齿轮,由于圆锥轴承属于开式轴承,本项目中未专门设计进油道,工作时润滑油在大齿轮的搅动作用下飞溅在设置的挡油板上,挡油板起到改变润滑油运动方向的作用,使润滑油进入轴承内部并实现润滑功能。完成润滑任务后的润滑油将沿着设计的回油道进入箱
10、体内部。本项目中齿轮箱的输入轴迷宫密封结构是一个4腔式迷宫密封,有一个较小的一级回油腔,一个较大的二级回油腔,一个紧邻二级回油腔的三级回油腔,一个设置在最外端的回水腔。3个油密封腔之间采用小间隙进行连接,当润滑油从小间隙进入较大的油腔时,润滑油向外流动的速度降低5;同时设计在轴上的甩油环旋转时产生的离心力将附着在甩油环上面的润滑油甩向回油腔,回油腔的油在重力作用下进入箱体内部,最终实现齿轮箱的密封。4漏油原因分析下面对齿轮箱漏油的可能原因进行逐一分析。4.1密封结构不合理根据本文第3节中对密封结构的分析,本项目的密封结构是在经典的三腔迷宫密封结构中进行的冗余设计,即:新增加了一个三级回油腔。增
11、加了回油腔,理论上密封效果会更好,所以排除密封结构设计不合理导致的润滑油泄漏。4.2密宫间隙设计不合理密宫间隙值的选取是迷宫结构设计的关键指标。理论上讲,间隙值越小,密封效果越好。但是,过小的间隙值会使得轴与端盖由于加工误差、轴承游隙的共同作用下出现运动干涉,使得齿轮箱不能正常工作。本项目中间隙名义值为0.5 mm,综合考虑制造的尺寸、形位偏差,迷宫间隙的实际值为0.40.6 mm。该间隙值与过去成功项目的间隙值选取一致,所以排除迷宫间隙设计不合理导致的润滑油泄漏。4.3润滑油位线偏高在设计时,润滑油位线的选取通常考虑了齿轮箱中轴承、齿轮的润滑需求和迷宫结构的密封效果之间的平衡。当考虑润滑时,
12、油量越多,越有利于润滑的实现,但是油量过多会导致齿轮箱密封效果降低,并且可能会引起泄漏。本项目中,齿轮箱的油位线设置得越高(齿轮箱内部的润滑油量越多),齿轮高速旋转时吃油深度越深,导致齿轮从箱体油池搅起的润滑油量越大,大量的润滑油从油池底部带至轴承位置,最终过多的润滑油进入油路系统,导致进入的润滑油量大于回油道的回油能力,润滑油聚集在回油腔中不能及时回到箱体底部,最终将从迷宫间隙位置渗漏到齿轮箱外部。大齿轮搅油运动过程如图5所示。油位线设计偏高(润滑油量过多)显然是齿轮箱润滑油泄漏的可能原因。4.4回油不畅迷宫密封结构中密封效果的好坏与润滑油的回油效果有非常重要的关联。润滑油进入迷宫腔内,然后
13、通过小间隙降低流动速度,最后在重力作用下回到箱体底部,这是一个动态平衡的过程,如果出现回油不畅,润滑油量累积到一定程度,必然从迷宫间隙泄漏到齿轮箱外部,所以回油不畅是齿轮箱润滑油泄漏的可能原因。回油不畅的可能原因包括:回油孔截面积过小,回油孔在齿轮箱工作过程中被堵塞。本项目中回油孔为3个8 mm并排的圆柱孔,截面积总计约为150 mm2,与过去成功项目相比,回油孔截面积不算小,所以排除截面积过小导致的回油不畅。本项目中齿轮传动比大,齿轮副的啮合位置刚好处于迷宫密封位置附近,大齿轮在工作过程中搅动润滑油,被搅起的润滑油源源不断地从齿轮副的啮合位置被挤向齿轮两侧(此状态类似齿轮泵泵油的情况),当被
14、挤出的润滑油在迷宫密封一侧时,极有可能将回油孔堵住,导致迷宫结构中的润滑油回油不畅,或者完全不能回油。综上所述,齿轮箱漏油的可能原因包括:1)润滑油位线偏高;2)由于回油孔位置设计不合理导致的回油不畅。5改进措施根据本文第4节的分析,确定了齿轮箱输入迷宫密封漏油的可能原因。现针对分析出的可能原因提出改进措施。为了改善迷宫位置的回油效果,将迷宫结构的回油孔由齿轮副啮合位置附近改到远离啮合位置的合箱面位置。图6(a)为更改前回油孔直接接入齿轮副啮合位置,图6(b)为改进后的回油孔通过箱体壁上的孔从合箱面进入箱体内部,远离齿轮副啮合位置。润滑油量的降低可能会对齿轮箱的润滑产生不利影响,需要将油位线设
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