关于和谐号动车组齿轮箱油路结构优化研究

吴臻易　赵浩杰　刘斌普

摘 要：通过对某型和谐号动车组齿轮箱轴承故障原因及结构机理分析，针对特定工况下齿轮箱轴承润滑不良问题制定了齿轮箱结构优化方案，从而提升齿轮箱的受油量，降低轴承干磨的概率。同时该方案通过了台架试验、模拟仿真、型式试验等一系列的试验验证，证明在保证原有结构可靠性基础上，对于改善轴承润滑不良的问题效果明显，现方案已经进入批量改造实施阶段，改造完成后动车组经跟踪应用效果良好。

关键词：齿轮箱 油路 轴承 仿真 温度

1 引言

2022年1月，某型和谐号高速动车组接连报出多起齿轮箱小轴温度报警故障，故障件拆解后发现齿轮箱PW侧轴承内圈挡边磨损。

进一步数据分析发现，故障均发生在 0℃左右低温环境和特定速度区间（140km/h-240km/h），分析因齿轮箱磨合不充分，在低温环境、特定速度区间、齿轮箱正转、润滑油量偏少等特定条件下，齿轮箱车轮侧小轴承受油量减少，导致轴承瞬时润滑不良，内圈大挡边与滚子干摩擦，造成轴承温升突变。

2 齿轮箱结构机理

2.1 设计结构

该型动车组装用的齿轮箱为整体式铝合金箱体，一级斜齿轮传动，大小轴均采用圆锥滚子轴承，小轴轴承型号R70-25g3QWAP6B。齿轮箱采用飞溅式油润滑方式，润滑油型号JRK65/KRG 75W-80/VT 75W-80，黏度等级75W-80，油量3.1L（中刻度线）。

2.2 受油路径

正转：大齿轮逆时针旋转（由电机侧看向齿轮箱），润滑油从大油池搅起，沿大齿轮旋转方向甩向小齿轮侧轴承，经两侧轴承及PM侧回油孔后落入小油腔。

反转：大齿轮顺时针旋转，将润滑油从大油池搅起后直接甩向小齿轮侧轴承，经过两侧轴承及PM侧回油孔后落入小油腔。

3 优化方案

3.1 结构优化

为改善PW侧轴承润滑条件，增加其受油量，对箱体、PW 轴承座和箱盖密封垫进行改造。在维持齿轮箱主体结构不变的基础上，对箱体、轴承座增加Φ5mm的联通孔，同时箱盖密封垫设置缺口，利用上箱盖斜度将润滑油经密封垫缺口→箱体孔→PW轴承座孔→PW侧轴承，形成新增油路。

具体方案如下：

（1）箱体：在箱体上箱盖安装面的PW侧轴承上方处增设倾斜角度约63.7°、直径Φ5mm通孔，上孔口倒角处理。

（2）PW轴承座：在PW轴承座上方与箱体通孔对应处增设倾斜角度约15°、直径Φ5mm 通孔，上孔口倒角处理。

（3）密封垫：箱体通孔对应的密封垫处设置半径 5mm 的长条形缺口。

（4）标识：齿轮箱结构优化后，在齿轮箱铭牌旁刻打“G”标识，与原结构齿轮箱区分。

3.2 方案验证

3.2.1 受油量试验

通过试验台跑合，对齿轮箱结构优化方案有效性开展台架试验，对比了相同时间内结构优化前后PW侧及PM侧轴承受油量，具体如下：

（1）增加油路后，PW侧轴承受油量较原结构齿轮箱增加约100%～300%。

（2）增加油路后，正转PW侧轴承受油量与PM侧（反转）轴承受油量相当。

3.2.2 强度分析

对优化后齿轮箱箱体进行强度校核，短路扭矩10050N.m，正转工况下齿轮箱Φ5mm通孔处最大应力 48.5MPa，反转工况下Φ5mm通孔处最大应力56.3MPa，相对于箱体材料的疲劳极限78.4MPa，安全系數分别为1.62和1.39。

对优化后轴承座进行强度校核，短路扭矩10050N.m，正转工况下轴承座Φ5mm通孔处最大应力 44.5MPa，反转工况下轴承座Φ5mm通孔处最大应力 31.5MPa，相对于轴承座材料的疲劳极限147MPa，安全系数分别为3.30和4.67。

3.2.3 模态分析

对优化前后箱体和PW轴承座的模态进行计算分析，由计算结果可知，优化前后的箱体和PW轴承座各阶模态特征频率与振型均基本一致，局部结构优化对其振动特性的影响可忽略。

3.2.4 密封分析

为验证密封垫加工后密封性能，考虑螺栓预紧力， 对原方案及优化方案密封垫面压进行计算，结果表明优化前后密封垫处面压基本一致，无明显下降部位。

3.2.5 型式试验

根据《TJ/CL277-2014 动车组齿轮箱组成暂行技术条件》开展了优化方案齿轮箱例行试验及高温特性试验、低温启动、温升平衡试验、最高试验转速加载试验，试验结果满足要求，见表2。

3.2.6 温度分析

基于齿轮箱低温启动及温升平衡试验，对结构优化前后的GW/GM/PW/PM侧轴承的温升速率、温度进行对比分析，各部位轴承温度特征无明显差异，各密封部位状态良好。其中PW侧轴承在低温启动时的温升速率略有降低，温升平衡试验时的最高温度值略有增加，见表3。

统计该型高速动车组2400余套齿轮箱PW侧轴承历史温度，最高为104℃，对比优化前后PW侧轴承温升平衡温度（117.8℃/118.0℃），分析优化后齿轮箱PW侧轴承夏季高温环境运行时最高温度基本无变化，可以确保夏季高温季节运用稳定性。

4 总结

通过对某型动车组的齿轮箱轴承挡圈磨损导致温度升高故障的原因进行深入分析，从齿轮箱结构机理出发，提出了完整的齿轮箱油路改造优化方案，并经过台架试验、模拟仿真、型式试验等一系列手段验证方案对改善上述故障失效模式切实有效，具有较大的应用价值。

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