上海轨道交通2号线车辆齿轮箱国产化研制和试验

沈 豪 吴 刚

（1.上海轨道交通维护保障中心车辆公司，200233，上海；2.中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，213011，常州∥第一作者，工程师）

齿轮箱是地铁车辆中将牵引电机的输出扭矩传递给动车轮对的传动装置，是地铁车辆牵引传动装置中重要的传动部件，其运转状况直接关系到车辆的运行安全。目前，上海地铁所有车辆齿轮箱的备件供应均采用原装进口或国外技术国内组装，因此采购及维修的周期较长，成本较高。为有效降低齿轮箱采购及维修成本，缩短采购周期，上海地铁联合南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司对上海轨道交通2号线列车进口齿轮箱进行国产化开发和研制。

1 上海轨道交通2号线现有齿轮箱概况

上海轨道交通2号线列车于1998年从德国引进，其传动装置采用德国VOITH公司提供的SE16－1型齿轮箱。齿轮箱箱体及箱盖由球墨铸铁制成，采用垂直分箱形式。小齿轮轴采用铬镍合金钢制成。大小齿轮都采用螺旋齿形，由铬镍合金钢制成，齿面淬火。大小齿轮两侧都采用圆锥滚子轴承。齿轮箱内的齿轮采用油浴润滑，飞溅起来的润滑油通过集油槽流入轴承，对轴承进行润滑，最后再流回齿轮箱。

由于该齿轮箱采用垂直分箱形式，给齿轮箱开箱检查及维修带来诸多不便，必须进行退轮，使工作量陡增，也增加了车轴因维修齿轮箱需要而退轮拉伤及报废的风险概率，使整个维修成本大大提高。

2 国产齿轮箱的研制

2.1 国产齿轮箱的基本技术参数

1）对全磨耗轮的齿轮箱下部距轨面的允许最小尺寸为60mm；

2）电机额定转速为1 800r／min；

3）电机额定扭矩为1 008Nm；

4）电机额定功率为190kW；

5）电机最高转速为3 641r／min；

6）传动型式为鼓型齿联轴节＋单级圆柱齿轮传动；

7）中心距为355mm；

8）传动比为108／17＝6.35；

9）每套传动装置质量≤340kg。

2.2 国产齿轮箱的设计方案

图1（a）为采用垂直分箱型式的上海轨道交通2号线进口齿轮箱，图1（b）为采用上下箱体组合型式的国产齿轮箱。

图1 上海轨道交通2号线进口齿轮箱与国产齿轮箱结构比较

2.2.1 箱体设计

箱体型式采用剖分式，上下箱体均采用仿圆形设计，既可减少箱体体积，又减小了箱体噪声的辐射面积、降低了噪声，同时也减轻了箱体重，提高了泵油效果，有利于润滑。

根据国内外齿轮箱箱体材料应用情况来看，球墨铸铁箱体完全能够满足地铁车辆的使用要求。进口齿轮箱箱体一般采用德国标准球墨铸铁GGG－40，对应我国标准为球墨铸铁QT 400，故国产齿轮箱也采用了相同材料。

按三种工况（额定，起动，短路）分别对箱体进行有限元分析，详见表1、图2、图3所示。从表1中可知：三种工况下箱体的最大应力都小于球墨铸铁QT 400的屈服强度250MPa。故箱体结构强度满足安全运用要求，且箱体变形很小，不会对轴承使用寿命造成影响。

表1 国产齿轮箱箱体有限元分析结果

图2 额定工况下电机正转时国产齿轮箱箱体应力与位移云图

2.2.2 齿轮设计

齿轮基本参数如表2所示，选用20CrMnMo作为齿轮的材料，轮齿部分采用渗碳淬火工艺，齿形参数与原进口齿轮箱的齿轮相同。

图3 额定工况下电机反转时国产齿轮箱箱体应力与位移云图

表2 牵引齿轮基本参数表

按起动、额定、高速三种工况进行强度验算，分别计算齿轮在承受起动扭矩、常规运行工况和承受冲击载荷时的疲劳强度。齿轮承载能力校核按GB 3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》进行。

由表3和表4数据可知，齿轮在各工况的接触安全系数SH都达到一般可靠度甚至超过较高可靠度的SH，min，故齿轮的接触强度是足够的。而齿轮在各工况下的弯曲安全系数SF都达到一般可靠度甚至超过较高可靠度的SF，min，可见轮齿的弯曲强度也是足够的。

表3 GB3480—1997推荐的最小安全系数

表4 齿轮承载能力计算

2.2.3 轴承选用

本齿轮箱选用国外进口的圆锥滚子轴承，主动齿轮两端的小轴承采用2号线原齿轮箱相同型号与品 牌 （TIMKEN663／653），安 装 尺 寸 为 φ82.55 mm×φ146.05mm×41.275mm（轴承内径×轴承外径×轴承宽度）。由于新设计齿轮箱所安装的车轴尺寸增大，故从动齿轮两端选用的大轴承型号为FAG573160，不同于2号线原齿轮箱，其安装尺寸为φ210mm×φ285mm×41mm。齿轮箱上的圆锥滚子轴承采用面对面的安装方式，从而使得拆卸轴承和调整轴向游隙较为方便。选用的大小轴承的计算寿命均超过了120万km，满足设计要求。

2.2.4 润滑和密封系统

考虑到上海轨道交通2号线齿轮箱的使用及维护要求，齿轮箱润滑油采用与原齿轮箱相同，牌号为SHELL Spirax A90。齿轮箱密封系统采用接触式密封和非接触式密封。在轴承座与箱体之间的密封均采用“O”形圈与乐泰587密封胶联合密封。磁性油堵和注油螺塞处则采用组合密封垫圈密封。对于齿轮箱中贯通部位的密封，均采用非接触式密封，即贯通部位的密封为间隙密封和带有甩油环的机械式迷宫密封的联合密封方式。

2.3 齿轮箱的试制

2.3.1 箱体的试制

箱体铸造采用多道内浇口分散进铁，防止箱体背面型砂局部过热，保证进铁的箱体背面不会形成表面缩凹缺陷。铸件厚壁部位，使用了发热冒口和冷铁并用的方式，在合箱面上贴冷铁，最大限度利用发热冒口的补缩铁液，防止合箱面缩松缺陷。由于箱体结构复杂，在模具设计时，增加了砂心的数量，以保证铸件尺寸和外观合格。箱体铸造后进行抛丸、打磨、磁粉探伤、射线探伤，并取样进行各项理化性能分析。分析结果均符合技术要求。

2.3.2 齿轮的试制

对主动齿轮按如下工艺进行加工：备料—锻造—正火—粗车—超声波探伤—半精车—滚齿—齿廓倒角—渗碳、淬火—喷丸—车端面、打中心孔—打钢印—精车—划线—钻孔—粗磨—磨齿—磁探—精磨—检查验收—清洗包装。

对从动齿轮按如下工艺进行加工：备料—锻造—正火—半精车—超声波探伤—滚齿—倒角、打钢印—渗碳—划线—钻孔—剥碳—淬火—喷丸—精车—划线二—钻油孔—精车油槽—磨内孔及平面—磨齿—磁粉探伤—检查验收—清洗包装。

2.3.3 齿轮箱称重检查

对组装后齿轮箱进行了称重，齿轮箱质量（包括从动齿轮，不含联轴节、吊杆及车轴质量）约306kg。

3 国产齿轮箱的试验

国产齿轮箱样品研制后，为验证其性能是否满足地铁列车使用的要求，进行了空载跑合试验、型式试验及装车考核试验。

3.1 空载跑合试验

齿轮箱的空载跑合试验按照图4所示的跑合试验曲线要求的转速及时间进行。齿轮箱跑合试验台实景图见图5所示。

图4 跑合试验曲线

图5 齿轮箱跑合试验台实景图

齿轮箱在跑合过程中，各密封处未出现润滑油泄漏，齿轮箱运转声音正常。齿轮箱的跑合试验时间为1h，期间齿轮箱各处温升正常，并未超过试验大纲要求的最高温度90℃。旋开磁性油堵，发现油堵上吸附有泥状铁屑，没有出现大颗粒铁屑，说明齿轮箱各零部件处于正常的磨合期。

3.2 型式试验

型式试验按表5的参数进行。每次加载试验正反向各一次，试验时间为6h。试验过程中用风机对齿轮箱以10m／s的风速进行了冷却。

表5 型式试验技术参数

齿轮箱在整个型式试验过程中运行平稳，无异常噪声及振动；齿轮箱温升正常，各处最高温升未超过60℃，最高温度未超过110℃；齿轮箱密封性能良好，在运行过程中，各密封处未出现泄漏情况，能够满足地铁车辆的使用要求。齿轮箱型式试验台实景图见图6所示。

图6 齿轮箱型式试验台实景图

3.3 装车考核试验

齿轮箱经过型式试验后，即开始装车试运行。装车考核期间，在上海轨道交通2号线列车上安装了2台国产齿轮箱。装车试运行期为3万km。在装车试运行期内，在大小齿轮轴承处的箱体上贴了温度试纸。每天检查温度试纸上的温度及齿轮箱是否有渗油现象，同时将国产齿轮箱与进口齿轮箱的温度进行对比。

经过3万km的运行考核后，2台国产齿轮箱均未发生渗油，大小齿轮轴承处的温度未超过70℃，与进口齿轮箱温度对比均在5℃之内。装车后的国产齿轮箱见图7。

图7 装车后的国产齿轮箱

4 结语

经过各项试验后表明，上海轨道交通2号线车辆国产齿轮箱密封可靠、润滑性能良好、运行平稳、总体性能良好，满足了上海轨道交通2号线地铁车辆的运行要求。也有效降低了车辆维护成本，缩短了同类备件的采购周期。

［1］吴宗泽.机械设计实用手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］徐灏.机械设计手册.第3卷［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［3］GB 3480—1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法［S］.