ＤＦ４型内燃机车启动变速箱噪声问题的分析与探讨

摘要：文章根据DF4型内燃机车启动变速箱产生噪声和异音的实际情况，阐述了齿轮系统噪声发生的机理与原因，找出产生故障的各种现象并进行深入分析，指出了设计、检修和组装中应注意的问题与改进措施。

关键词：DF4型内燃机车；噪声；变速箱；改进措施

中图分类号：U262 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0182-03

DF4型内燃机车是我国铁路干线客、货运基型机车，DF4型内燃机车辅助传动装置中的启动变速箱是保证内燃机车正常运行的主要部件。在内燃机车运行过程中，出现了启动变速箱噪声大，对内燃机车司乘人员的身体健康造成了一定程度的不良影响。为使内燃机车的噪声得到有效的控制，有针对性地对启动变速箱进行了分析与改进。本文根据启动变速箱产生噪声的具体表现形式，对启动变速箱产生噪声的根源进行了分析，在确定齿轮传动形式的基础上，通过对齿轮的几何参数的试验选择以及加工工艺的合理选择，同时通过对启动变速箱内各零部件装配方式的改进，使启动变速箱内齿轮啮合质量得到较大幅度的提高，从而有效地控制了噪声的产生。

一、问题的提出

东风4型内燃机车辅助传动设备的驱动装置分别采用了机械传动、静液压传动和直流电动机驱动的三种传动形式，其中机械传动结构简单、工作可靠，效率高、成本低并且维修方便；静液压传动重量轻、体积小、工作平稳、自动控制且无级变速；用直流电动机直接驱动的电传动方式工作可靠、适宜远距离控制。在以上三种传动形式中，电传动方式噪声极度低；静液压传动及机械传动是产生噪声的主要原因。对实测过程中，发现机械传动形式中的启动变速箱在空载及负载工作时，特别是在中高转速负载时，启动变速箱所发出的噪声及异音（工厂俗语，即齿轮杂音，或间断性的冲击噪声）明显，因此，解决启动变速箱的噪声及异音就可以降低内燃机车在运行过程中的噪声。

启动变速箱安装在机车的传动室内，安装座与机车底架焊接在一起。万向轴将柴油机发电机组与启动变速箱连接在一起。启动变速箱有四个输出端：以两个弹性柱销联轴节分别带动启动发电机与励磁机，以尼龙绳联轴节带动前通风机，以三角皮带带动测速发电机。启动变速箱是机械传动的重要部件，它负责柴油机启动并在正常工作中驱动风机、励磁机、启动发电机和测速发电机的工作，由上箱体、下箱体、主动轴、主动齿轮、中间轴、中间齿轮、从动轴、从动齿轮、两根输出轴及各轴承、法兰等组成，启动变速箱采用直齿传动，加工简单、工作可靠。两个大齿轮用高碳优质合金钢锻造而成，两个小齿轮用低碳优质合金钢锻造，通过热处理提高它们的机械性能。启动变速箱与其余辅助传动设备组装为启动变速箱总成。

二、齿轮系统噪声发生机理与原因

（一）齿轮系统振动噪声的产生及传播机理所涉及的问题

1.工作条件、齿轮种类、设计参数、加工装配精度与误差等状况对动态啮合力的影响；

2.根据齿轮的类型，建立齿轮系统的动力学方程，分析在动态激励力作用下系统的振动形式；

3.齿轮系统中各零部件的振动状态，振动由啮合轮齿至箱体表面的传播过程和传播特性；

4.对于加速度噪声则必须讨论它们是如何透过箱体传至外部的。

（二）齿轮系统噪声发生的原因

1. 齿轮设计方面。参数选择不当；重合度过小；齿廓修形不当或没有修形；齿轮箱结构不合理等。

2. 齿轮加工方面。基节误差和齿形误差过大；齿侧间隙过大；表面粗糙度过大等。

3. 轮系及齿轮箱方面。装配偏心；接触精度低；轴的平行度差；轴承、轴、支承的刚度不足；轴承的回转精度不高及间隙不当等。

4. 其他方面。输入扭矩、负载扭矩的波动；轴系的扭振：电动机及其他传动副的平衡情况等。

三、启动变速箱故障特征

在机车运行过程中，当司机室的噪声和异音较大时，对启动变速箱进行检查，发现启动变速箱的振动大、有异音。按工艺首先检查变速箱座固定螺栓是否松动，安装座与机车底之间的焊缝是否有裂纹。在外部检查正常的情况下，对变速箱必须进行解体检查，检查变速箱内各齿轮状态、啮合间隙、接触状态、各轴情况。

针对启动变速箱故障的特征，笔者分析了齿轮在生产加工过程中可能产生的故障的各种因素，在综合各种影响因素的过程中，发现在启动变速箱设计制造装配上存在一些缺陷：

1. 三对齿轮副重叠系数过低。从设计和制造上显然存在着脱啮现象。一对轮齿脱啮撞击经过一轮多级传动的传递引起连锁反应，因此启动变速箱内部就存在着异音的根源。加以机车柴油机曲轴的扭振（实测其频率约为40Hz）和各类辅机随负载变化造成旋转不匀回馈到箱内（一级多轮的串联式直齿啮合副对外来低频激振毫无“压制”能力），异音的存在就很显然了。

2.变速箱四根轴只设单排轴承（溅油润滑）；壳体长宽高（1200x200x600）的比例为6:1:3，显然宽度比例太小，壁厚12mm，肋宽18mm，箱体狭窄，箱壁较薄，导致刚性较差，变速箱壳体设计过于简化，箱体固有频率很低，自然易于引起共振，引发异音和噪声。

3.齿轮磨削时不控制齿形齿向误差的方向，造成啮入冲击和啮入刮行，使齿面接触区承载状况不但使工作齿面偏载严重，更主要的是引发高频尖叫声，研齿和电火花跑合不能从根本上改善齿面接触，由于齿面形状被坏，往往会加剧噪声。齿形齿向误差曲线上的个别尖点、高点(其误差值在0.003mm以上)以及相邻周节偏差大于0.0lmm的轮齿都会引发异音。

4.齿轮在轴上作过盈配合，主动轴、启动发电机传动轴与齿轮的过盈量应控制在0.1～0.13mm，中间轴、励磁机传动轴与其齿轮的过盈量应控制在0.06～0.09mm，装配时各轴组与驱动机组的组装同轴度及法兰面间隙差超限，则会使驱动机组地脚安装螺丝在长期振动中松弛，则会导致传动中轴组产生抗劲，随着柴油机转速的上升变速箱轰鸣声也越来越大。

5.一级多轮“串联”式传动使齿轮受力情况不理想主动齿轮处于“悬浮”状态，中间齿轮向上抬起，只有两个从动齿轮斜向压紧在箱体底座上。这样主动齿轮和中间齿轮轴系对轮齿啮合的激振力就失去了“压制”能力，显然影响噪声。

6.由于变速箱的安装是以柴油机发电机组为基准，启动变速箱输入轴与柴油机发电机组之间的高度稍有差异，联接法兰的联接孔的位置度及中心高的高度差，对产生变速箱的振动有一定的影响。启动变速箱输入轴与柴油机曲轴不同轴，须万向轴调节，两法兰不平行将产生径向力，引起振动和冲击。启动发电机、励磁机各轴与变速箱对应各输出轴轴线不同轴，对变速箱影响就比较大，旋转时即传递扭矩又产生周期性径向力，两轴还将承受很大的附加应力，产生强烈振动，发出较大噪声，长期运行将增大轴承游隙，造成轴承损坏，齿轮失效。

7.变速箱在机车内部的安装位置受结构限制无法隔音，安装底座比较单薄，刚度差，组装后与工作时变形较大，引起共振等外部因素也影响启动变速箱噪声偏高。

8.轴承因润滑不好，材质不良或有异物进入时，造成轴承滚子、滚道出现疤痕，轴承旋转引起振动和噪声。在变速箱组装过程中，端盖与轴承外圈之间应保持0.1～0.5mm的间隙，预留的轴向窜动量太小，轴承将承受较大的轴向附加应力，产生噪声，严重时还会烧损轴承。

其他如三对轮齿侧隙的均匀性、箱体的加工精度（包括上、下箱体结合的平直度和轴孔位置精度等）冷却润滑油品及飞溅方式也存在问题。

四、启动变速箱的工艺改进

东风4型机车己累计生产一千五百多台，从生产的继承性和维修备品考虑，不能轻易改动设计结构，因此启动变速箱降噪音和消除异音主要是从工艺上采取措施。

1.严格控制齿轮磨削时工作齿面齿形的误差方向，齿轮的啮合间隙和侧隙为0.13～0.4mm，对齿形发生变化的一定要测量其基节长度，避免较大基节误差的齿轮装车使用，齿顶尽量避免自然修缘，组装前进行齿顶修缘，尤其是新旧齿轮配合时更应如此，修缘推荐高度为2.5～3.5mm，齿宽方向为0.06～0.10mm ，以保证最小重叠系数和消除啮入冲击、啮入刮行。这项改进措施经使用后异音情况有所好转。

2.装配时保证齿向的接触长度。启动变速箱异音的主要成分是轮齿脱啮撞击。鉴于修形工艺虽然能改善齿面接触区，但同时也降低了重合度，加剧了轮齿脱啮的可能性，因此不修改齿轮参数，以增大其理论重合度，就不能采用修形工艺。在使用直齿轮的情况下，应考虑将重合度提高，从而避免啮合齿数变化时的冲击。同时改善轴和齿轮扭矩分配，防止轮齿啮合时齿面扭转倾向，对齿轮啮合状态认真检查消除各轴轴线偏差引起的啮合不良现象。

3.提高组装质量，消除柴油机-发电机回转部件的动不平衡，改柴油机、主发电机单件动平衡试验为组装后整体实验，加强万向轴、启动发电机，励磁机动平衡试验及轴身径向跳动量的控制。

4.提高轴承等级，确保新换轴承的质量等级，特别是游隙、滚道光洁度、滚珠的匹配，以及保持架的组装质量。使轴承径向、轴向振摆减少，提高了齿轮系旋转的对中程度和稳定性，显然有利变速箱的降噪。

5.若启动变速箱在某一转速下出现噪声问题，应为共振所致。经计算变速箱固有频率f≈2.08，因此外力引起的振动频率如大于2.08，就可能造成变速箱共振。在不改变启动变速箱原有结构的前提下，经过工艺上的改进，如适当部位加厚，加大整个箱体的壁厚，使箱体刚性加强，能有效避免共振的发生，也可选用硬度较大的硫化橡胶隔振，加固底座与车底架消除共振。虽然这样启动变速箱噪声比未改进前有了较大幅度的改善，但稳定性不够好，有时还会出现启动变速箱有明显的噪声和异音，这样的改进并不能从根本上解决启动变速箱共振现象，但对减少共振噪声的产生起到了很好的防范作用。

6.斜齿变速箱方案改造，直齿传动轮齿沿齿宽嵌入和脱离，载荷突然加上和卸下，易产生振动和冲击，而斜齿圆柱齿轮传动时轮齿齿廓沿斜线接触，齿廓接触线是渐增或渐减的，提高了传动平稳性，避免了振动冲击和噪声。不足之处在于加工工艺难度大、成本高，与现阶段干线运行内燃机车的启动变速箱互换性差。

其他如选用适当的润滑油，润滑油的品质、油位的高低是引起启动变速箱异音的直接原因；齿轮加热温度控制在180℃，保持时间40～60min，温度不应过高，以免影响齿轮表面硬度，缩短齿轮寿命。

五、结语

发达国家内燃机车辅助系统的传动方式现阶段已基本采用变频电机代替启动变速箱，特别是在高速机车上其传动平稳、噪声低的优势极其明显，这一传动方式必然是我国内燃机车传动方式发展趋势。但现阶段，我国铁路干线机车绝大多数为DF4型内燃机车，其传动方式不可能完全改变。只有更好地知道启动变速箱噪声产生的原因与机理，检修过程中严格控制配件组装，才能提高配件的检修精度。通过对启动变速箱与其他辅助传动装置组装后的动平衡实验，进一步提高了辅助传动装置工作的稳定性，对遏制辅助传动装置振动有明显的作用，同时保证了启动变速箱工作稳定，有效地预防和排除了变速箱的异音 。

参考文献

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作者简介：陈景伟(1977- )，男，广深股份有限公司广州机务段验收室助理工程师，从事机车小辅修和机车备品的验收工作。