DCCX-120型齿轮箱轮对轴箱组成研制及振动特性分析

杨俊杰 胡崟凯 丁 忍 宫 峰

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

DCCX-120型电传动作业车是大型养路机械和高铁线路中的电传动作业装备，用于对大型铁路养路机械(以下简称“大机”)线路电力机车牵引及高铁线路接触网维护保养，确保电力机车和高铁的行驶安全，保证接触网的技术状态和供电可靠。该作业车以电传动方式为主，在无接触网线路运行时，可借助发动机驱动电机工作，具有低碳、低噪音、环保且能够低恒速牵引和作业的特点[1]。随着环保要求越来越严格，电传动工程作业车在大机、高铁及城市轨道养护领域将广泛推广使用已是大势所趋。齿轮箱轮对轴箱组成作为电传动作业车齿轮传动系统的关键部件，高速自行和低速牵引作业都是由它驱动，其稳定可靠性与整车运行安全密切相关[2]。因此，研制出匹配DCCX-120型电传动作业车要求的齿轮箱轮对组成具有重要意义。

1 齿轮箱轮对主要技术参数

DCCX-120型电传动作业车齿轮箱轮对主要技术参数如下：

最大轴重：23 t；

轮径(新轮/半磨耗)：915/870 mm；

速比：5.43；

中心距(一级/二级)：215/316 mm；

最高设计和联挂速度：120 km/h；

作业速度：(2～16) km/h；

电机额定功率：225 kW；

短路扭矩：23 000 N·m；

额定转速：930 r/min；最高转速：4 197 r/min。

2 齿轮箱轮对轴箱组成结构特点

DCCX-120型车轴齿轮箱由二级斜齿轮传动组成(见图1)，车轴齿轮箱输入端与电机输出端之间由鼓型齿联轴节过渡连接，电机输出的扭矩通过联轴节传递到齿轮箱的输入端，齿轮箱从动端与车轴过盈连接，带动轮对转动，轮对通过左、右轴箱组成部件安装在转向架上，从而驱动整车的运动。

1—车轴；2—联轴器；3—车轴齿轮箱；4—车轮； 5—右轴箱组件；6—左轴箱组件。图1 齿轮箱轮对轴箱组成图

齿轮箱主动端侧与转向架直接通过吊挂组件过渡紧固连接，吊杆组件由具有缓振作用的橡胶球关节和吊杆体组成，由调整垫片调整输入轴高度。吊杆组件下端与上箱体的对应吊杆座连接，上端与转向架吊挂安装座相连接，即可将齿轮箱安装紧固在所需要的高度位置。

车轴齿轮箱主要由箱体、二级传动齿轮、吊杆组件和轴承支撑件等零部件组成，这些主要零部件的性能决定了DCCX-120型齿轮箱的整体性能。

3 齿轮箱轮对轴箱组成关键技术

3.1 齿轮箱箱体的设计

箱体采用分体式，剖分面通过车轴中心线与水平成19°夹角，主动轴承座为整体结构，增加其刚性。齿轮箱上、下箱体均采用仿圆形结构，有利于减小箱体的体积、重量，降低噪声及其辐射面积，提高了箱体的刚性，同时也提高了齿轮的泵油效果，有利于齿轮和轴承的润滑。

下箱体最低处设有放油孔和油样传感器接口，为便于箱体内润滑油的排出及油样传感器的连接，箱体底部设有倾角，增加齿轮油流动性。齿轮箱上部设有呼吸器、注油口和观察窗，便于齿轮箱添加润滑油及观察箱体内的从动齿轮工作状态。

齿轮箱主动端左侧连接有吊杆组件，吊杆组件上端与转向架连接，下端与箱体连接，将齿轮箱紧固安装在合适位置。

由于箱体纵向尺寸较长，上箱体表面分布了较多加强筋，有效提高了箱体的刚性，同时增强了箱体的散热效果(见图2)。

1—吊杆组件；2—观察窗；3—呼吸器；4—加强筋；5—上箱体；6—注油口；7—下箱体；8—油标；9—油样传感器接口；10—放油口。图2 齿轮箱主视图

3.2 吊杆组件球关节设计

吊杆组件主要由两端橡胶球关节和中间吊杆体组成，其中球关节是关键零件，起缓冲减振作用，属于易损易耗件，需要校核球关节在最恶劣工况(短路工况)下的球关节强度。

球关节各部件的材料牌号及其力学性能如表1所示。

表1 球关节各部件材料力学性能

在电机启动工况下，计算得到球关节各零件最大等效应力结果。

由图3可知，芯轴球关节短路工况下局部承受最大等效应力为218.0 MPa，小于芯轴与外套材料的屈服极限245 MPa，因此两者强度均能满足使用要求。橡胶关节启动工况下承受的最大主应力为12.32 MPa，小于橡胶材料的许用强度15 MPa，因此，橡胶关节在短路工况下不会被破坏，能够满足工作要求。

图3 短路工况下球关节应力分布图

3.3 轴箱体设计

DCCX-120型作业车轴箱体采用拉杆式结构，通过干摩擦式导柱定位方式进行装配定位，由于轴箱体在车辆运行时承载较大，需要对其在满载短路工况下进行强度校核计算，计算结果如图4所示。

图4 满载短路工况下轴箱体应力分布图

由图4可知，在短路工况下，轴箱体最大应力出现在左侧平面与立柱过渡圆弧处，与实际相符，最大值为234.11 MPa，小于轴箱体材料ZG270-500屈服极限270 MPa，所以轴箱体满足工作要求。

3.4 车轴设计

车轴采用LZ50钢材料，轴颈为160 mm，轮座为206 mm，轴身为194 mm，轴承座为210 mm。车轴过渡圆弧和轴身采用滚压处理，提高表面压应力和表面质量。

对车轴进行疲劳强度校核，根据EN 13104—2001《Railway application-Wheelsets and bogies-Powered axles-Design method》和TB/T 2705—2010《车辆车轴设计与强度计算方法》对车轴进行计算。确定车轴危险截面如图5所示。

LZ50钢的许用应力按EN 13104标准规定的EA1N钢选用，计算得到各弯扭载荷综合作用下各截面应力计算结果，校核单如表2所示(限于篇幅，列出部分截面应力结果，未列出的安全裕度均大于1.1)。

图5 车轴计算危险截面示意图

表2 车轴各危险截面应力校核结果

由表2可知，各危险截面中安全裕度最小的为1.02>1，因此，车轴疲劳强度满足整车工作要求。

4 台架试验及振动特性分析

4.1 台架试验

由铁科院国家铁路产品质量监督检验中心对DCCX-120型齿轮箱轮对进行台架试验，试验内容按照TB/T 2180—1997《电气化铁道接触网综合检修作业车技术条件》要求执行。

试验结果表明：(1)轴箱轴承温升为31.5 ℃，最高温度为61.3 ℃；(2)齿轮箱轴承最高温度为79.6 ℃，最高噪声值为82.3 dB(A)；(3)试验时无异常、无渗漏。试验结果达到标准和整车使用要求。

4.2 振动特性分析

为了验证轴箱组成是否满足整车各工况要求，对其进行从零加速至最高速度120 km/h的试验(见图6)，记录左、右轴箱部件三向振动加速度数据，根据GB/T 6075.1—1999标准,振动烈度用10～1 000 Hz范围带宽的振动速度均方根值(mm/s)进行评价[3]。计算其振动速度均方根值结果如图7所示。

图6 齿轮箱试验过程照片

图7 0～696 r/min加速工况振动速度计算结果

由图7可知，加速到最高速的过程中，轴箱测点各方向的振动速度有效值均小于2 mm/s，说明轴箱位置振动状态良好，振动烈度较小，满足ISO 20816-1标准中二类C级9.3 mm/s要求。

5 结束语

通过台架试验和振动特性分析结果可知：(1) 主动齿轮轴及车轴贯通部位，无渗漏现象，密封良好；(2)轮对轴箱组成整体运行平稳，振动烈度很小，满足整车在正线和高铁线路各工况下的作业要求；(3)电传动作业方式利于环保，具有低碳、低噪声特点，适合在正线和高铁领域广泛应用。