悬挂式单轨齿轮箱轴承润滑设计与验证

秦 军

(重庆凯瑞车辆传动制造有限公司 重庆 401122)

0 引言

目前我国的悬挂式列车研发进入了高峰期，各整车厂不断有新的悬挂式列车进行整车试验。悬挂式列车齿轮箱相对于传统轨道交通(比如地铁、有轨电车)用齿轮箱增加了垂向、纵向和横向承载的功能[1]，加上轨道限界的限制，齿轮箱的输入轴通常被设计成很大的仰角，高达35°。齿轮箱输入轴上仰的结构对输入端轴承的润滑提出了极大的挑战，下文介绍一种大仰角悬挂式单轨齿轮箱输入轴承的润滑结构设计及试验验证。

1 齿轮箱总体及输入轴承布置

齿轮箱结构如图1所示：箱体作为齿轮箱的安装主体，输出轴通过2个圆锥滚子轴承水平安装在齿轮箱箱体上，输入轴通过3个轴承(圆柱滚子轴承1+四点接触球轴承+圆柱滚子轴承2)倾斜安装在齿轮箱箱体上(见图2)，输入轴与水平面成35°夹角。

图1 齿轮箱总体结构布置

图2 输入轴轴承布置

2 大仰角轴承润滑的难点分析

轴承润滑的关键要素之一是轴承位置的油量，过多或者过少都不利于润滑。润滑油量过多会导致轴承滚子搅油功率增加，从而导致轴承发热量增加，过多的润滑油也可能导致迷宫密封出现渗油；润滑油量过少会因为轴承滚子缺乏足够的润滑，导致轴承异常发热。

此项目中由于外部结构的需要，齿轮箱输入轴被设计成35°的大仰角。大仰角使得远端轴承的最高位置高于搅油大齿轮的顶部，为使油池中的润滑油能够进入轴承位置(至少进入轴承中部位置)，油池必须设计在搅油齿轮的顶部附近，较高的油池收集到的飞溅润滑油量就会大量减少。此项目中如果使用常规搅油润滑方案，远离齿轮的四点接触球轴承、圆柱滚子轴承2的润滑油量可能会很少，甚至不能满足润滑要求。

3 齿轮箱输入轴承润滑设计

基于上述分析，此项目针对输入轴承的润滑设计了两种不同的方案。

方案一的输入轴承润滑设计：在齿轮箱运行中，通过被动大齿轮的转动进行搅油，挡油筋将飞溅的润滑油进行阻挡，被阻挡的润滑油和附着在箱体壁上的润滑油在重力的作用下流入设置在箱体壁上的油池内，然后通过油道将润滑油引导进入轴承内部，实现轴承的润滑，详细结构如图3所示。

图3 输入轴轴承润滑方案一

方案二的输入轴承润滑设计：在齿轮箱内部设置油泵，进行泵油润滑。油泵的动力来自于齿轮工作时动力的一个分支，齿轮箱的输出轴上设计一个取力主动圆柱齿轮，取力从动圆柱齿轮设置在一个支架上，支架与底部盖板做成一个整体安装在箱体底部。取力从动齿轮通过两个深沟球轴承与支架进行定位安装，深沟球轴承通过飞溅的润滑油实现润滑。油泵通过螺钉连接在支架上，油泵的动力路径：输入轴→输出轴→取力主动齿轮→取力从动齿轮→油泵，润滑油的路径：油池→油泵进油口→油泵→油泵出油口→管道1→管道2→管道3→轴承位置→回到油池，详细结构如图4所示。

图4 输入轴轴承润滑方案二

4 试验验证

轴承是否得到良好润滑，通常通过监控轴承在运行中的温度来判断，而轴承安装在轴承座、箱体内部，不易直接检测其表面温度，通过间接测量轴承座的表面温度来评价轴承的运行温度是比较简单且经济的。轴承的润滑设计是否满足要求，通过模拟台架试验验证是一种简单且经济的方式。

4.1 空载试验

试验主要根据车辆在平直轨道、坡度轨道(上、下坡)、轨道超高的情况下来设计不同的模拟工况。齿轮箱坐标系定义如图5所示，试验台布置如图6所示，试验工况模式如表1所示，试验油位设置为低油位，油量约4.5 L，倾斜角度为：X轴±0.5°，Y轴±5.7°，每种倾斜角度均按照表1各工况正反转连续运行。对两种润滑设计方案分别进行试验。

图5 齿轮箱坐标系定义

图6 齿轮箱空载试验台布置

表1 齿轮箱空载试验工况

试验中使用红外线测温仪进行检测，每5 min记录一次。试验结果表明：两种润滑方案设计，密封都满足要求。方案一的润滑效果明显低于方案二，其中，方案一的最高温度比方案二高23.2 ℃，润滑油温升高18.1 ℃，详细结果如表2所示。

4.2 加载试验

基于加载试验的成本考虑，加载只进行了润滑效果更好的方案二齿轮箱试验。齿轮箱加载试验台布置如图7所示，加载试验在齿轮箱水平状态、润滑油中油位(约4.85 L)、风速5 m/s的条件下进行。加载各工况按表3单独进行，各工况下正反转连续运行。

表2 两种润滑方案的试验结果

图7 齿轮箱加载试验台布置

表3 齿轮箱加载试验工况

试验过程使用温度传感器采集轴承座表面温度和润滑油温度，试验结果表明：润滑方案二的设计，密封满足要求，且能够满足齿轮箱的温度设计要求，说明润滑方案二的设计是有效的。试验结果如下：在工况1下，轴承座的最高温度为84.4 ℃，润滑油最大温升为34.0 ℃；在工况2下，轴承座的最高温度为88.2 ℃，润滑油最大温升为40.1 ℃；在工况3下，轴承座的最高温度为71.3 ℃，润滑油最大温升为20.7 ℃。

通过空载试验下两种润滑方案的温度差异值可以推测出，在加载工况下，方案一的轴承座最高温度可能达到111.4 ℃，不能满足齿轮箱的温度设计要求(齿轮箱设计温度限值不大于100 ℃)。

5 结论

轴承润滑设计是齿轮箱设计的重要项点，通过对悬挂式单轨齿轮箱大仰角输入轴承的两种不同润滑设计方案的验证，可以说明：

(1)传统轨道交通齿轮箱的搅油润滑设计方案可能不满足大仰角轴承润滑的需求。

(2)大仰角的悬挂式单轨齿轮箱输入轴承的润滑设计通过泵油强制润滑是可以满足设计要求的。

(3)强制润滑油泵通过合理的结构设计可以与齿轮箱集成在一起，而无须通过外部泵站及动力进行泵油润滑。