地铁车辆转向架齿轮箱失效型式分析

吴四二

（合肥市轨道交通集团有限公司，安徽合肥 230001）

1 转向架齿轮箱概述

1.1 齿轮箱结构

平行轴式结构是地铁车辆转向架齿轮箱最典型的传动结构，主要分为上下壳体、输入齿轮轴、输出大齿轮等几个部分。大齿轮热套或冷压至车轴，输入齿轮轴通过小轴承支撑安装在箱体内，齿轮箱箱体通过大轴承支撑安装在车轴上。齿轮箱采用架悬式安装，通过吊杆的一端连接至吊杆连接座，吊杆的另一端与构架相连。齿轮箱多采用静、动密封相结合的密封方式，在输入及输出贯通部位采用非接触迷宫式密封，如图1 所示。

图1 齿轮箱结构示意图

1.2 齿轮箱工作特性

齿轮箱在地铁车辆的使用过程中起到降速增扭的作用，其典型的工况特点为频繁启停，加速和减速时间短，速度快。按目前地铁修制，日常只做目视检测，齿轮箱的拆箱检查只有在集中的大修期才会进行，因此齿轮、轴承必须具有高可靠度。为保证齿轮、轴承有较长的寿命，合适的润滑是必要保障。

齿轮箱润滑主要采用内部油液飞溅的方式，输出大齿轮旋转时将润滑油搅起并飞溅至箱体壁，箱体内壁设置的挡油板和集油槽起到导油和集油的作用。润滑油通过箱体油道流至润滑点对轴承进行润滑。润滑性能的好坏主要取决于工作油膜形成的难易程度和有效性，这是齿轮箱是否能够保证设计寿命的关键因素。

1.3 齿轮箱失效影响系数

根据齿轮箱零部件重要程度及其在齿轮箱系统中的不同表现，通过失效影响系数对齿轮箱进行失效影响分析，如表1 所示。

表1 齿轮箱主要零部件失效影响分析表

2 转向架齿轮箱失效型式与分析

在齿轮箱的各种失效型式中，齿轮和轴承这2 个最关键传动部件关注度最高，直接关系到齿轮箱的正常运行和行车安全，日常维护的主要手段是通过目视和油标视孔窗观察润滑油状态，对齿轮箱工作状态进行粗略判断。因此，本文主要对齿轮箱的传动齿轮、轴承、密封及润滑油失效型式进行分析和讨论。

2.1 齿轮箱齿轮失效

齿轮是地铁齿轮箱中的核心部件，直接影响到动力传递平稳性、齿轮箱噪声，齿轮的承载能力也决定了齿轮箱的使用寿命。齿轮采用圆柱斜齿轮，材料选用合金钢，如G20CrNi2Mo，精度需达到6 级以上，主要从齿轮强度、胶合承载能力及啮合性能等对齿轮进行失效分析，相应的参数标准如表2 所示。

表2 齿轮参数标准

2.1.1 轮齿断裂

轮齿断裂是齿轮传动中最普遍的失效型式，一种是由于啮合过程中重复产生的弯曲应力造成的疲劳折断，另一种是由于偶发的瞬时过载引起的过载折断。

（1）轮齿疲劳折断。主要表现为参与啮合的1 个轮齿在载荷作用下首先出现断裂，在弯曲应力的不断作用下，该轮齿的齿根圆角处首先产生疲劳裂纹，随着循环应力的不断作用，圆角处的裂纹不断发展，逐渐扩展至整个轮齿，导致其断裂。所以疲劳折断的断口区域一般由源区、扩展区和断裂区组成。

（2）过载折断。表现为瞬时过载致使载荷超过了齿轮材料弯曲强度而断裂，如图2 所示。一般发生在齿轮承受最大弯曲应力的齿根部位，断口平直且粗糙。由于材料脆性过大或运行过程中瞬时过载和冲击，在齿根处产生脆性折断，很多时候其他零件的失效也会造成偶发的过载现象，比如轴承失效后造成的卡滞或者传动轴偏斜造成轮齿楔紧等。

图2 齿轮过载导致齿根断裂示意图

2.1.2 齿面点蚀

齿轮点蚀是闭式齿轮传动的主要失效形式，失效机理为在脉动循环的齿面接触应力不断作用下，在一定深度的轮齿内部产生疲劳裂纹，裂纹逐渐发展并扩展至轮齿表面，从而在齿面造成金属脱落形成麻点状的凹坑，如图3 所示。同时，齿面发生点蚀后，齿廓形状发生变化，传递误差增大，振动和噪声随之增加。一般齿面节线附近的齿根部分首先发生点蚀，原因在于节线附近齿面相对滑动速度低，油膜形成困难，较少的轮齿啮合对数也使得节线处的接触应力较大。一般评价轮齿是否点蚀失效的标准为点蚀面积不超过齿轮工作面积占比的50%，点蚀坑最大尺寸不超过齿轮模数的15%。

图3 齿轮齿面点蚀示意图

2.1.3 齿面胶合

齿面胶合多见于低速重载的应用工况，是一种严重的黏着磨损形式，由于传递载荷较大，不易形成有效油膜，使相互啮合轮齿在啮合过程中瞬时温度过高，金属尖点直接接触并发生粘连，造成热胶合，或由于传动过程中出现偏载，致使有效油膜遭到破坏，形成冷胶合。由此可见润滑不良，齿面间无法形成有效的工作油膜是产生胶合的重要原因，尤其是发生胶合后两齿面继续相对运动时，较硬的齿面将会沿滑动方向将较软齿面上的部分材料撕下并形成沟纹，如图4 所示，而且胶合后不但齿面温度升高，振动和噪声也会随之增大。

图4 齿轮齿面胶合示意图

2.1.4 齿面磨损

在齿轮传动中，齿面磨损的型式较多，磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损是4 种典型的磨损型式，如图5 所示。尤其在粉尘环境中，灰尘、砂粒及非金属物磨粒性颗粒进入齿轮箱内，极易形成磨粒磨损。齿面磨损将引起振动和噪声增加，严重时，由于过度磨损，齿厚变薄从而引起轮齿折断。在齿轮箱运转初期，都会有较高的磨损速度和磨损量，通过一段时间的跑合磨损后，轮齿结合面渐渐光滑，磨损速度减缓，因此，齿轮箱在轻载下进行跑合可为正常磨损创造良好的前提条件。

图5 齿轮齿面磨损示意图

2.2 齿轮箱轴承失效

齿轮箱中较为常用的是圆锥滚子轴承，有的也在输入齿轮端采用圆柱滚子轴承+球轴承的配置方式。对于地铁齿轮箱轴承的要求为在200 万km 或一个大修期内不需要进行额外的维修，因此需要轴承具有较好的抗疲劳性能，能承受地铁中的振动冲击及高温等影响，因此地铁齿轮箱失效型式中，轴承的疲劳剥落、烧损极其常见。

2.2.1 疲劳剥落

疲劳剥落是轴承失效型式中比较典型的一种，也是比较严重的失效型式，这与齿轮的点蚀剥落有相似之处，主要变现为滚道和滚动体在交变载荷的不断作用下，其内部产生疲劳裂纹，随着裂纹不断发展至滚动体或者滚道表面，造成金属剥落形成凹坑，如图6 所示。引起地铁齿轮箱轴承故障的主要原因包括装配不当、润滑不良、水份或异物侵入等，此外也有因过度运转导致的载荷超标等造成的损坏。

图6 轴承剥落示意图

2.2.2 烧伤及磨损

轴承烧伤是轴承失效常见的型式，其失效机理是滚动体及保持架的急剧发热导致轴承工作表面硬度降低，从而使磨损加剧，出现失效。地铁齿轮箱工况多为粉尘、高温辐射等，因此轴承极易受到粉尘、水和其他异物的污染和高温环境的影响，造成滚道和滚动体间有效油膜受到破坏或者润滑油变质，导致润滑不良，形成磨损或烧伤，如图7 所示。一旦磨损不断加剧，轴承的正常工作游隙遭到破坏，异响和振动也会随之加剧，此时需及时对齿轮箱进行排查并处理，防止出现对其他传动件造成更大的破坏性后果。

图7 轴承烧损示意图

图8 轴承座与箱体的贴合面漏油示意图

2.3 齿轮箱密封及润滑油失效

齿轮箱密封通常采用静密封与动密封相结合的方式，其中在车轴贯通部位采用非接触式动密封（迷宫密封），在合箱面、轴承座端等无相对运动的接触面采用密封垫或涂抹密封胶等静密封方式。

2.3.1 密封失效

（1）输出轴侧漏油。齿轮箱常见的漏油表现为输出轴侧漏油，漏出的油吸附大量的灰尘覆盖在输出轴端面，潜在的漏油点主要是2 处：①轴承座与箱体的贴合面处，如图8 所示；②迷宫密封处，如图9 所示。为彻底查找泄漏点，应对输出轴端面油污清理干净后持续跟踪，确定漏点位置。

（2）箱体结合面漏油。地铁齿轮箱箱体结合面一般采用密封胶进行密封，箱体结合面漏油如图10 所示。造成漏油的原因主要包括：①齿轮箱箱体合箱面平面度或粗糙度不符合技术要求；②密封胶涂抹操作不规范，安装过程中涂抹量不够，结合面未涂满，有断点，合箱后结合面不能完全密封，长时间运行后，随着齿轮箱的振动，油雾不断渗入到密封胶的间隙，导致润滑油从缝隙中慢慢渗出，随着运行时间的延长，最终出现漏油现象；③紧固螺栓扭矩未达到标准或未按对角紧固的方式紧固，齿轮箱结合面紧固螺栓未涂螺纹紧固胶，运行过程中振动较大时紧固件松动导致紧固失效，紧固时未按对角紧固的方式进行，后紧固的螺栓达到规定扭矩后仍会存在结合面未贴紧现象；④密封胶未固化，过早进行跑合试验，齿轮箱内高压油气的冲击使密封胶形成雪花状印记，导致合箱面密封胶失效，出现漏油。

2.3.2 润滑油失效

齿轮箱一般选用合成润滑油，润滑油有较好的粘温特性，1 年或15 万 km 才进行换油。日常使用中，润滑油帮助齿轮箱带走热量，也在齿轮、轴承等部件中形成油膜，降低齿轮、轴承的机械磨损。日常维护中，多通过观察润滑油颜色的变化来间接了解齿轮箱工作正常与否。

（1）润滑油发黑。润滑油发黑多数是由于齿轮箱维修更换新轴承造成的，一般新轴承涂有一层防锈油，装配时如未对轴承防锈油进行清洗，就会导致润滑油与轴承防锈油混合，从而使润滑油变黑，若2 种油混在一起发生化学反应，润滑油的润滑性能更会大打折扣。还有一种情况是由于齿轮箱厂内例行试验所用润滑油多次重复使用造成的，例行试验用油对箱体内部的冲刷清洗作用会导致润滑油逐渐变脏，若将变脏的跑合油加入其他齿轮箱进行试验，则会对箱体造成污染，使正常的润滑油出现发黑的现象，如图11 所示。

图9 车轴迷宫密封处漏油示意图

图10 箱体结合面漏油示意图

图11 润滑油发黑示意图

（2）润滑油乳化。润滑油乳化多数因为齿轮箱内部进水造成的，在暴雨天气、轨行区有较深积水或洗车作业时，水有可能通过迷宫密封和透气孔进入齿轮箱内部，进水后通过液位镜观察齿轮箱油位会有明显地升高，油的颜色呈乳白色，如图12 所示。乳化直接导致润滑油性能下降，润滑油膜形成困难，造成齿轮轴承等零部件急剧磨损，最终导致轴承损坏、齿面剥落等失效情况的发生。

3 结语

地铁车辆转向架齿轮箱是一个综合系统，齿轮、轴承以及密封和润滑彼此间又相互影响，这是齿轮箱常见的失效型式特点。本文通过对地铁车辆转向架齿轮箱常见失效型式进行总结，对齿轮、轴承、密封及润滑等主要失效型式及产生机理和原因进行分析，为地铁车辆转向架齿轮箱的维护和失效预防提供了有效技术支撑，对齿轮箱故障诊断和预防具有借鉴意义。

图12 润滑油乳化示意图