張增強
（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司）

摘　要：傳動齒輪箱是地鐵車輛的關(guān)鍵零部件，主要用來實現(xiàn)電機的動力傳輸，驅(qū)動車輛前進。針對地鐵齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)、箱體、軸承選型和潤滑密封等設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，為地鐵齒輪箱的設(shè)計提供參考。
地鐵作為現(xiàn)代都市生活中重要的交通工具，已經(jīng)成為各個城市節(jié)約能源、減少污染、緩解交通壓力的主要選擇，截止2015年，中國已有40多個城市獲批建設(shè)地鐵，運營里程近4000公里。我國地鐵車型有Ａ型、Ｂ型和Ｃ型，主要采用動力分散型，即動力來源分散在列車車廂的電動機上，由電動機驅(qū)動車輛前進。帶電動機的車廂稱為動車，不帶電動機的車廂稱為拖車，可針對不同的運營需要選擇每列車上動車和拖車的數(shù)量。
大部分地鐵車輛通過傳動齒輪箱來實現(xiàn)電機的動力傳輸，即齒輪箱輸出與車軸連接，輸入與電機連接，齒輪箱通過懸掛裝置安裝在轉(zhuǎn)向架上，所以傳動齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)、箱體、軸承選擇和潤滑密封結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計時不僅要考慮齒輪箱的需要，同時還要滿足轉(zhuǎn)向架的空間、電機特性和車軸尺寸的要求。
1　地鐵齒輪箱傳動結(jié)構(gòu)
目前國內(nèi)地鐵齒輪箱常用傳動結(jié)構(gòu)有一級斜齒輪傳動和二級斜齒輪傳動，分別如圖1和圖2所示。

一級傳動齒輪箱結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高，可以有效降低維護運營費用，并且占用空間小、重量輕，可以減小轉(zhuǎn)向架簧下重量。但由于地鐵車輛運行速度高，啟制動頻繁，對齒輪強度要求高，所以齒輪設(shè)計時在滿足強度的要求下，受電機尺寸和轉(zhuǎn)向架空間尺寸的限制較大。二級傳動齒輪箱結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但可以有效地提高齒輪箱的承載能力，并且中心距和速比變化范圍大，可以更好地適應(yīng)地鐵車輛提高速度和承載能力的需要，在Ａ型地鐵車輛上得到廣泛使用。
地鐵齒輪箱傳動結(jié)構(gòu)主要根據(jù)車輛的運行速度和承載能力的需要來進行選擇，其結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足轉(zhuǎn)向架空間和結(jié)構(gòu)的需要，強度應(yīng)滿足電機功率、轉(zhuǎn)速及扭矩的特性需要。
2　齒輪箱箱體

2.1箱體材料
地鐵齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，屬于批量化產(chǎn)品，所以箱體制造主要采用鑄造工藝，材料主要選用球墨鑄鐵和鑄造鋁合金。鑄造鋁合金質(zhì)量輕、散熱好，可以有效地減輕齒輪箱的重量，但是由于鋁合金強度低，因此在進行齒輪箱設(shè)計時所有軸承不能直接安裝在箱體內(nèi)，必須增加軸承套，并且所有螺紋孔必須增加鋼絲螺套，才能滿足強度需要，增加了齒輪箱的成本，齒輪箱結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜不易安裝拆卸和維護。球墨鑄鐵強度高，使用廣泛，從經(jīng)濟性、易維護性方面考慮地鐵齒輪箱箱體材料選擇球墨鑄鐵更為合適。
2.2箱體結(jié)構(gòu)
地鐵齒輪箱箱體常用結(jié)構(gòu)有斜剖分式結(jié)構(gòu)和整體式結(jié)構(gòu)。圖3為斜剖分箱體結(jié)構(gòu)，箱體被分為上箱體和下箱體，兩者間通過螺栓連接，這種結(jié)構(gòu)便于拆裝和維護，從使用性和易維護性方面考慮地鐵齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)選擇斜剖分式結(jié)構(gòu)更為合適。整體式箱體結(jié)構(gòu)又有箱蓋在上部和箱蓋在側(cè)面兩種常見結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示。整體式結(jié)構(gòu)箱體加工性好，容易保證輸入和輸出軸承孔的形位公差，但是拆裝麻煩，必須將輸出齒輪與車軸分解后才能將齒輪箱拆開，不易安裝和維護；特別是箱蓋在側(cè)面的結(jié)構(gòu)，對箱蓋安裝的密封性要求高，容易發(fā)生滲漏油故障，應(yīng)盡量避免使用該箱體結(jié)構(gòu)。

3　軸承選型
為了提高齒輪的傳動平穩(wěn)性，減小齒輪箱的沖擊、振動和噪聲，地鐵齒輪箱主要選擇斜齒輪，特別是一級傳動齒輪箱螺旋角一般都要超過15°，所以在軸承選型時必須同時考慮承受徑向力和較大的軸向力，并且滿足轉(zhuǎn)速和空間尺寸的要求。齒輪箱設(shè)計時主要選用圓錐滾子軸承，軸承選用面對面布置形式，便于軸承的拆裝和游隙調(diào)整（如圖1所示）。但隨著地鐵車輛運行速度和承載能力的不斷提高，地鐵齒輪箱輸入轉(zhuǎn)速和扭矩也不斷加大，為了同時滿足轉(zhuǎn)速和扭矩的需要，又不能增加軸承的空間尺寸，所以輸入軸軸承選擇兩個圓柱滾子軸承加一個四點角接觸軸承，由圓柱軸承承受徑向力，四點角接觸軸承承受軸向力（如圖2所示）。地鐵齒輪箱在設(shè)計時主要考慮輸入軸軸承的選型，其他軸系主要選擇圓錐滾子軸承，輸入軸軸承可以選擇圓錐滾子軸承，也可選擇圓柱滾子軸承加四點角接觸軸承的配置形式，前一種配置形式結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝和調(diào)整，但受到輸入轉(zhuǎn)速和扭矩的限制；后一種形式雖然軸承數(shù)量增加，但適應(yīng)性強，可滿足不同速度和承載能力的需要。
4　潤滑與密封
地鐵齒輪箱潤滑和密封系統(tǒng)關(guān)乎齒輪箱的使用可靠性，滲漏油故障是目前地鐵齒輪箱運行過程中較為頻繁的故障模式。地鐵齒輪箱主要采用飛濺潤滑，將輸出大齒輪浸入油池中，齒輪旋轉(zhuǎn)將潤滑油帶到嚙合齒面上，并且將潤滑油攪動起來，通過在箱體內(nèi)壁中合適的位置增加擋油板和集油槽，從而使?jié)櫥土魅胼S承中對軸承進行潤滑。齒輪箱采用非接觸式機械迷宮密封，同時可在結(jié)合面上增加橡膠密封圈，在機械迷宮的迷宮腔內(nèi)設(shè)置回油孔。在潤滑和密封設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾點：
（1）選擇合理的大齒輪浸油深度，浸油深度不夠?qū)⒉荒鼙ＷC足夠的潤滑油被攪動起來，從而不能使軸承和齒輪得到充分的潤滑；浸油深度過高會使齒輪攪油損失加大，從而導(dǎo)致齒輪箱溫度過高。
（2）由于地鐵齒輪箱是正反兩個方向都可以運行，因此在增加擋油板時應(yīng)考慮齒輪的旋轉(zhuǎn)方向；地鐵啟制動頻繁，啟動加速度大，所以應(yīng)增加集油槽使軸承在齒輪箱剛開始運行時得到潤滑。
（3）盡可能多的設(shè)置回油孔的數(shù)量，回油孔位置應(yīng)選擇在齒輪箱的負(fù)壓區(qū)，保證回油流暢，并且需要設(shè)置通氣裝置，均衡齒輪箱內(nèi)外的壓力。
（4）盡量增加機械密封的迷宮數(shù)量，減小滲油可能性，增加密封可靠性；增加橡膠密封圈時必須考慮密封圈安裝方便，安裝位置合理。
5　結(jié)語
本文對地鐵齒輪箱的齒輪傳動結(jié)構(gòu)、箱體材料及結(jié)構(gòu)、軸承選型和潤滑密封系統(tǒng)進行了研究，分析了各關(guān)鍵技術(shù)在設(shè)計時的不同選擇和注意事項，為地鐵齒輪箱的設(shè)計者和使用者提供參考。
參考文獻：
[1]沈豪，吳剛.上海軌道交通2號線車輛齒輪箱國產(chǎn)化研制和試驗[J].城市軌道交通研究，2012（6）：74－77.
[2]關(guān)云輝，林新海，吳國慶.上海軌道交通1號線“增擴編”車輛用齒輪箱的研制[J].城市軌道交通研究，2012（9）：105－107.
[3]張晶.地鐵齒輪箱滲油原因分析及解決方案[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（6）：144-146.

來源：《機械工程與自動化》2017年第5期