一类HX型电力机车齿轮箱自动清洗换油设备的设计开发

崔家保 张旭 杨康 许昭 慕显龙 李强

摘要：机车齿轮箱油具有润滑、清洗、防锈、散热、排污等作用，齿轮箱油品的质量决定机车的正常运行和使用寿命。针对目前 HX 型电力机车齿轮箱换油效率低、换油不彻底等问题，设计制作一种便携式电力机车齿轮箱自动清洗换油设备，该设备的整体结构为可移动车体，将设备的零部件集成安装在车体上，提高了设备现场使用灵活性，且系统设置有自动和手动两种模式，通过 PLC 控制实现了齿轮箱油的循环清洗、定量换油、油液加热保温等功能。经过测试，该设备能高效完成齿轮箱油的清洗换油工作，验证了该设备的实用性和可靠性。

关键词：自动换油；机车齿轮箱；循环清洗；装置设计

中图分类号：U279                             文献标志码：A

机车齿轮箱是机车传动系统中的重要部件之一，齿轮箱的传动平稳性和可靠性直接影响机车的运行安全。在机车齿轮箱使用过程中，需加入齿轮箱油[1-5]。机车齿轮箱油具有润滑、清洗、防锈、散热、排污等作用，齿轮箱油品的质量决定机车的正常运行和使用寿命[6-10]，润滑失效是机车齿轮箱在服役阶段故障的主要表现形式之一，润滑失效会加剧传动系统的磨耗，降低齿轮箱的传动性能。HXD1C 机车是嘉峪关机务段运用的主型货运机车，按运行公里结合修程在 C2时进行换油，因现场条件所限，实施不落轮重力自流方式进行换油时，存在底部金属磨粒、沉淀无法排除等问题，因此注入新油后，会造成新油污染、油品质量下降，在冬季气温低的情况下，会出现重力排油缓慢或无法排出等问题。

经了解，目前我国机车检修工装中，针对机车齿轮箱自动清洗换油的专门设备还属于空白。为解决上述换油方式存在的问题，研制一种操作简单、移动便捷的齿轮箱清洗换油设备，采用 PLC 控制，有着良好的人机交互性。

1现状调查

现阶段，各机务段普遍采用的换油方式有两种。

（1）通过拧开齿轮箱下方的放油堵，采用重力排油方式。

因机车齿轮箱油品黏度较大、流动性差，受外界环境温度的影响大，在25℃时，采用这种换油方式只能换出70%～80%的润滑油，换油不彻底，且存在注油量无法精确控制、油料成本浪费、劳动强度大、工作效率低、易造成现场污染等问题。

（2）解体齿轮箱，对各部件及齿轮箱内部清洗后组装

这种清洗方式质量高，但需要拆装齿轮箱，技术要求高、工作量大、清洗及换油效率低，不适合机车齿轮箱保养要求。

2系統设计

2.1系统组成

齿轮箱自动清洗换油设备系统组成见表1所列，主要包括驱动系统、控制系统、机械结构，设备外观如图1所示。

2.2设备主要参数

设备供电采用220 V交流电源供电和48 V应急蓄电池供电；控制方式为：电液驱动；操作方式：彩色触摸屏，可在彩色触摸屏上完成对设备的控制及关键参数设置和查看，主要参数见表2所列。该设备的工作温度为-10℃～45℃，有较好的耐腐蚀性、抗震性及兼容性，能够满足机车组齿轮箱自动清洗换油工作要求。

2.3系统原理图设计

系统集成了电机、液位计、加热器、流量计、压力表、重力传感器等多种元件，设置了支持快换的加油口和放油口，预留了通气孔，系统原理如图2所示。

2.4元件选择

具体设计参数见表3所列。根据设计参数要求进行计算，完成泵、电机、传感器、电源、控制阀和液压辅助元件的选定。

3功能实现

设备使用 PLC 进行控制，通过触摸屏进行指令下发，控制齿轮泵启停、调速，加热器启停，电磁球阀管路切换，从而实现油液的抽吸、过滤、加热等功能；通过轮询方式实时采集油液重量、油液温度，管路内油液流量等关键数据，并在触摸屏上实时显示。最终实现如图3所示。

4机械结构仿真分析

本设备上集成安装了电机、辅助泵、电控箱、新旧油箱等重量较大的器件，考虑到现场需要进行频繁移动，所以对设备机械结构强度要求较高。因此在初期设计时，定量其结构尺寸设计是否满足强度要求是必要的。

本论述采用Solidworks软件对该设备机械结构在实际工况下的受力进行分析与计算[11-12]，校核其安全性、经济性和实用性。对设备的机械结构部分进行结构静力学有限元分析[13-14]，在实验条件无法满足的情况下验证设备的机械结构在外力作用下是否满足强度及刚度要求，包括模型建立、结构分析、校核验算等内容，其结果为该设备的结构设计和生产制造提供了有力的理论依据。

4.1设备机械结构上施加的载荷条件

根据设备元器件的实际重量，确认在设备机械结构上施加的载荷条件见表4所列。

4.2设备机械结构材料性能参数

设备结构材料采用 Q235B钢，该材料具有良好的拉伸强度、韧性和铸造性，被广泛应用于焊接结构件[15]，具体属性见表5所列。

4.3模型建立及网格划分

4.3.1  模型建立

首先使用Solidworks根据设计尺寸建立设备机械结构的三维模型[16]，并将模型导出为有限元软件识别的格式，模型如图4所示。

4.3.2 网格划分

网格数量的多少直接影响计算结果精度和计算量大小，一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高。为了能够很好地解析该设备机械结构的应力应变情况，在划分网格的时候对一些尺寸较小的地方进行了网格细化。

首先进行网格的无关性验证，在满足网格疏密均匀的前提下，对网格尺寸进行准确定义，确定最终的网格生成参数。

设备机械结构的网络分布如图5所示。从图5看出，网格总数量为1042949，网格节点数量为2461987，并且网格分布均匀，可以满足计算要求。

4.4设备机械结构分析

设备机械结构在实际工作中承受表4所列的静载荷，对其机械结构按照结构静力学进行分析，划分完网格之后给设备机械结构施加符合实际的静载荷边界条件，然后在有限元分析软件中进行仿真计算，待计算收敛后获取机械结构的总体变形量分布，如图6所示。

由图6看出，机械结构总体变形量最大的地方分布在油箱支撑梁中间段处，最大值为0.050925 mm；变形值由油箱支撑梁中间位置向两边递减，并且总体变形量分布值均匀过渡；其余部位总体变形值介于0.02～0.05 mm，可以忽略。由于设备机械结构总体变形量很小，小于机械结构设计与装配偏差，完全不影响其工作。因此，该设备机械结构的设计满足刚度要求。

对设备机械结构进行应力分析，确定设备机械结构的应力分布情况，如图7所示。

由图7看出机械结构的大部分结构其等效应力值在2 MPa左右，并且应力分布值均匀过渡，而最大等效应力位置出现在泵电机支撑梁中间位置处，其最大值为13.188 MPa，最大等效应力由该接触面向槽钢下表面均匀递减；其余部位的应力值都小于3.5 MPa。

等效应力最大处方管的材料为 Q235B，经查 GB150-2011得钢号为 Q235B、钢板标准为 GB713，使用状态为热轧、控轧，正火处理，厚度为4 mm，在20℃以下的材料的许用应力[σ]=148 MPa，完全大于最大等效应力13.188 MPa 。根据畸变能密度理论，槽钢在该等效应力状态下不会发生屈服破坏。

4.5设备机械结构有限元分析结果

根据以上计算结果得出：设备机械结构中所有零件的总体变形量在设计及装配允许的误差范围之内，所有零件的等效应力在材料的许用应力范围之内，故该设备机械结构中所有零件满足强度及刚度的要求。

5实验测试

为了测试本设备的实用性，将本设备在嘉峪关机务段进行现场测试。将设备的抽、排油口通过配有快换接头的连接管接在机车齿轮箱上，设备启动后，通过触摸屏进行控制操作，能够正常完成机车齿轮箱的等量换油、加注新油、回收旧油、排空油箱、循环清洗及油液加热等功能。

对一个齿轮箱（7 L 油液）进行加油、排油、清洗试验测试，结果见表6～表8所列，使用该设备后，除去装卸油堵、接拆油管的时间，从一个齿轮箱中排出旧油时间为5～8 min，向一个齿轮箱加注新油时间为2～4 min，对一个齿轮箱进行内容循环冲洗时间为0.25～0.35 h，且油液经过过滤系统后，其品质有了较为明显的提升。

综上所述，使用该设备后，能够减少换油时间、改善油液品质，有效提升机车齿轮箱维护保养工作效率，节约了人员成本，减少了油液浪费。

6结论

本论述通过综合应用 PLC 控制、传感器检测等技术，研制了一种 HX 型电力机车齿轮箱自动清洗换油设备，通过有限元分析技术验证了装置結构设计的合理性，实现了等量换油、加注新油、回收旧油、循环清洗、油液加热等功能，满足了机车齿轮箱换油清洗的工艺要求，且该装置将所有器件集成安装在小车上，结构紧凑、移动方便，使用该设备后能够减少工作时间，减轻劳动强度，有效提高机车齿轮箱维护保养工作效率；同时能够实现废油封闭回收，避免了环境污染和油液浪费。经过现场实际测试，设备噪音小、效率高、运行稳定、操作简便，能满足各 HX 型机车的齿轮箱换油清洗工作，在低温状态下仍有较高的作业效率，具有良好的社会效益和经济效益。

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