地铁探伤机车轮对驱动装置的设计开发

王 林，罗晓龙

(四川众能传动科技有限公司，四川 德阳 618000)

0 引言

地铁探伤机车主要是用于地铁线路钢轨的探伤检测，检测钢轨表面及内部裂纹情况，排除隐患风险，确保地铁行车安全。作为地铁探伤机车传动系统中的重要组成部件，轮对驱动装置的设计和开发尤为关键。传统的地铁探伤机车通常以柴油机作为动力源，机车最高运行速度为60 km/h，轮对驱动装置体积大、重量重，轮对驱动装置齿轮箱最底面距离钢轨面较近，有一定的行车安全隐患。四川众能传动科技有限公司为中车资阳机车有限公司研发了一款用于电机驱动的地铁探伤机车轮对驱动装置，具有低碳、环保、速度快、体积小、重量轻、安全性能高等特点，在地铁机车中应用前景广阔，本文对其研发过程进行了详细阐述。

1 轮对驱动装置的结构特点

地铁探伤车传统系统如图1所示。二级轮对驱动装置(二级箱+轮对)和一级轮对驱动装置(一级箱+轮对)安装在机车转向架上。电机通过输入传动轴驱动二级轮对驱动装置，二级轮对驱动装置通过中间传动轴驱动一级轮对驱动装置，2种驱动装置的车轴各自与车轮相连，最终实现将电机的转速和扭矩传递至车轮，驱动机车运行。

1—二级轮对驱动装置(二级箱+轮对)；2—一级轮对驱动装置(一级箱+轮对)；3—输入传动轴；4—中间传动轴；5—车轴；6—轨面。

2 轮对驱动装置的主要技术参数和设计要求

2.1 主要技术参数

轮对驱动装置主要技术参数如下：轨距：1 435 mm；轮径：840 mm(新轮)；轴重：14 t；启动牵引力：260 kN；持续牵引力：162 kN；持续速度：8 km/h；最高速度：100 km/h；二级箱传动比：3.38；一级箱传动比：2.07。

2.2 设计要求

1)传动方式：二级箱为圆柱齿轮传动+螺旋锥齿轮传动，一级箱为螺旋锥齿轮传动。

2)能适应双向运行。

3)润滑方式：为保证齿轮箱内齿轮、轴承在8～100 km/h时速范围内均能充分润滑，必须使用飞溅润滑加强迫润滑。

4)箱体限界：齿轮箱下箱体最低位置与车轴中心高差不得超过260 mm。

3 轮对驱动装置的设计

3.1 箱体设计

机车运行时，车轴齿轮箱受到轨道的冲击和振动，对箱体的强度、韧性都有较高的要求[1]，根据材料综合性能和经济性，选用ZG230-450材料能满足需求。为降低箱体重量和噪音，箱体局部外观采用仿圆形设计，箱体各轴承支撑座处设置加强筋，提高其强度和刚度。二级箱外形图如图2所示，一级箱外形图如图3所示。

1—上箱体；2—中箱体；3—下箱体；4—输入轴组成；5—中间轴组成；6—车轴组成；7—透气帽；8—注油口；9—可视油标；10—放油口；11—拉臂座。

1—上箱体；2—下箱体；3—输入轴组成；4—车轴组成；5—透气帽；6—注油口；7—可视油标；8—放油口；9—拉臂座。

为验证箱体强度及刚度，须对其进行有限元分析。经分析，在最恶劣工况(启动)下，二级箱箱体最大等效应力106 MPa，一级箱箱体最大等效应力110 MPa，箱体最大等效应力均小于箱体屈服强度230 MPa。箱体强度、刚度满足最恶劣工况下的使用要求，可认为箱体在各种工况下是安全可靠的。

3.2 传动齿轮设计

设计输入已给定传动比，二级箱和一级箱螺旋锥齿轮传动级的传动比相同，先对螺旋锥齿轮对进行设计。机车运行过程扭矩很大，对锥齿轮的强度要求很高，故选择强度高、寿命长、啮合平稳，且设计和工艺均比较成熟的格林森制弧齿锥齿轮，材料选择淬透性、韧性好的18CrNiMo7-6低碳合金钢，齿部进行碳淬火处理[2]。为提高齿轮齿根弯曲疲劳强度，应尽量使用大模数齿轮，根据传动比要求，最终确定齿数比为14/29，齿轮大端端面模数Mt为16.5 mm。

对于二级箱，还需要确定圆柱齿轮的参数。根据总传动比3.38，螺旋锥齿轮级传动比2.07，计算得圆柱齿轮级传动比i=3.38÷2.07≈1.63。圆柱齿轮的材料和热处理方式与螺旋锥齿轮一致。为降低冲击和噪音，选择圆柱斜齿轮，最终确定圆柱斜齿轮齿数比为30/49，法向模数Mn为9，螺旋角β为16.5°。

关于齿轮螺旋角方向的确定，由于圆柱斜齿轮和螺旋锥齿轮在啮合过程中会产生轴向力，其轴向力的方向跟齿轮旋向有关。选择合适的螺旋角方向，使中间轴上圆柱大齿轮(齿数为49)与螺旋小齿轮(齿数为14)的轴向力相反，从而抵消一部分轴向力，降低该轴上轴承的轴向载荷，提高轴承的使用寿命。经受力分析，最终确定齿轮螺旋角方向为：圆柱小齿轮(右旋)—圆柱大齿轮(左旋)—螺旋小齿轮(左旋)—螺旋大齿轮(右旋)。

齿轮参数确定后，须对其强度进行计算校核。根据设计输入，齿轮箱存在启动、持续、高速3种工况，使用KISSsoft软件按照IS0 6336-2006《直齿轮和斜齿轮承载能力计算》以及IS0 10300-2001《锥齿轮承载能力计算方法》分别对圆柱斜齿轮和螺旋锥齿轮的3种工况进行强度校核[3]，校核结果如表1和表2所示。

表1 圆柱斜齿轮强度校核结果(安全系数)

表2 螺旋锥齿轮强度校核结果(安全系数)

由计算结果可知：齿轮齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度均达到较高可靠度的安全系数，齿轮在启动工况下的静安全系数大于4，齿轮强度满足要求。

3.3 轴承布局设计

圆柱斜齿轮和螺旋锥齿轮在运行过程中会产生径向和轴向2种负载，在轴承布局和选型方面须考虑径向和轴向2个方向的承载能力，且便于安装和调整。综合轴承各方面的性能需要，各轴均采用双圆柱滚子轴承加四点接触球轴承的布局结构，如图4所示。2个NU型圆柱滚子轴承分别置于圆柱齿轮的两端，仅用于承受径向力，四点接触球轴承置于其中一端，仅用于承受轴向力。

1—输入轴；2—法兰；3—圆柱滚子轴承；4—圆柱齿轮；5—圆柱滚子轴承；6—四点接触球轴承；7—闷盖；8—调整垫；9—挡油板；10—端盖；11—油封。

3.4 润滑系统设计

为了使齿轮箱在低速至高速的运行状态下都能有良好的润滑效果，齿轮箱润滑系统采用了飞溅润滑加强迫润滑相结合的方式，如图5所示。

1—油压调节装置；2—下箱体；3—油底壳；4—滤油器；5—齿轮油泵；6—小圆柱齿轮；7—大圆柱齿轮。

飞溅润滑为大齿轮(圆柱大齿轮和螺旋大锥齿轮)浸入箱体内部的油液中，通过旋转搅拌，使油液飞溅至箱壁或各轴承部位。当齿轮箱低速运行时，飞溅润滑无法满足润滑需求，故齿轮箱内设计了一个双向齿轮油泵。齿轮箱运行时，驱动油泵工作，润滑油通过各油道管路完成强迫润滑。为避免机车高速运行时油压过高，造成齿轮箱漏油或油泵过载损坏，在油路中还设置有油压调节装置。齿轮油泵通过油底壳安装在箱体底面，无需拆箱便可取下，便于后期油泵的保养和维修。

4 轮对驱动装置试验

为验证轮对驱动装置的综合性能，需要进行台架试验(见图6)。经正、反转试验验证，轮对驱动装置运行平稳，达到热平衡后的最高温升不超过40℃，各部位未出现泄漏，未出现明显异音和振动，最高噪音不超过85 dB(A)。

图6 轮对驱动装置台架试验示意图

5 应用效果总结

2021年5月，四川众能传动科技有限公司研发生产的探伤机车轮对驱动装置顺利交付贵阳地铁公司使用，至今使用情况良好，满足相关作业要求。

1)轮对驱动装置设计合理，整体运行平稳，机车最高速度运行时，噪音为83 dB(A)，满足地铁探伤机车作业要求。

2)润滑系统运行可靠，机车长时间运行时，轮对驱动装置整机温度维持在55℃(工作环境温度20℃)，各位置无漏油现象，密封性良好。

3)该款轮对驱动装置与传统的内燃机车轮对装置相比较，重量减少了20%，轮对驱动装置齿轮箱最底面与钢轨面距离比传统机车提高了50 mm，机车运行安全性大大提高。

4)该款轮对驱动装置设计的最高速度为100 km/h，传统机车最高速度为60 km/h，机车作业效率大大提升。

5)该款轮对驱动装置的成功研发，提升了公司产品的竞争力，为公司进一步开发地铁调车机车、铁路工程机车等传动系统关键部件积累了宝贵的经验。