某型螺伞齿轮齿面接触优化技术研究.pdf

文章编号:():./.某型螺伞齿轮齿面接触优化技术研究刘 莹陈瑞兴魏世晨周 骥(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏 常州)摘 要:齿轮箱是轨道交通转向架的常用部件起到传递扭矩转速、驱动轮对前进的作用 受限于接口空间的限制低地板轻轨车用齿轮箱一般含有螺伞齿轮副结构螺伞齿轮接触是否良好是影响齿轮箱性能的关键因素 本文对某型低地板轻轨车齿轮箱的螺伞齿轮点蚀问题进行研究根据摩擦磨损原理分析引起故障的原因重点对螺伞齿轮相关支撑结构进行优化设计并采用 软件对比校核齿面接触应力同时优化齿轮参数、材料和装配工艺提高承载能力和抗疲劳性能通过加载疲劳试验验证优化后的螺伞齿轮性能 优化后的螺伞齿轮传动平稳噪声较低齿面接触状况良好关键词:低地板轻轨车螺伞齿轮副齿面点蚀接触分析优化设计中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:刘莹陈瑞兴魏世晨等.某型螺伞齿轮齿面接触优化技术研究.轨道交通材料():.收稿日期:作者简介:刘 莹()女本科高级工程师从事轨道交通齿轮传动系统相关技术研究 引言低地板轻轨车是一种新型、环保便捷的轨道交通出行工具具有转向架结构紧凑及复杂的特点齿轮箱是转向架的关键零部件起到传递扭矩和转速、驱动轮对前进的作用 受限于外部接口空间低地板齿轮箱大多数采用含螺伞齿轮副的传动模式在不同的运行工况下螺旋伞齿轮齿面承受循环、交变载荷齿轮表面接触是否良好是影响齿轮箱使用性能的关键因素之一齿面点蚀是齿轮接触面最常见的故障之一在交变载荷的反复作用下产生黏着磨损金属材料由塑性变形产生微小裂纹进一步引起裂纹扩展最后形成表面金属脱落形成点蚀 若点蚀不断扩散严重时将导致齿轮断裂引起齿轮失效关于点蚀研究国内、外对于圆柱斜齿轮的研究较多 年 等基于线弹性断裂力学采用有限元法对渐开线齿轮齿面点蚀的形成进行了数值预测 年 等通过 疲劳试验机研究了奥贝球铁齿轮的疲劳点蚀表明采用该材料的齿轮具有良好的抗疲劳点蚀性能 年宋永乐等对影响齿轮微点蚀的齿面粗糙度、油温等主要因素进行分析开发了微点蚀计算软件在工程实践中航空、汽车等领域螺伞齿轮的应用较多在轨道交通尤其是低地板轻轨车领域螺伞齿轮的运行经验较少齿轮的齿面接触状态受影响因素较为复杂除了材料性能、工艺方法、齿面结构等内在因素齿轮箱结构、润滑油黏度、外部振动冲击等因素均对齿轮副的接触状况有一定的影响螺伞齿轮的齿面接触状态将直接影响车辆走行部的工作状态因此也是值得研究和关注的重点领域本文对某型低地板轻轨车齿轮箱的螺伞齿轮点蚀问题进行研究根据摩擦磨损原理分析引起故障的原因并对齿轮箱和螺伞齿轮相关支撑定位结构和螺伞齿轮参数进行优化设计基于弹性理论和采用 软件对比校核齿面接触状况同时优化齿轮材料和工艺、控制螺伞齿轮的加工和组装项点并通过齿轮箱加载疲劳试验验证优化后的螺伞齿轮性能 螺伞齿轮箱技术方案某型低地板轻轨车正线运行一段时间后经拆解检查发现齿轮箱润滑油浓稠发黑且颗粒物较多螺伞齿轮表面出现点蚀状况如图 所示受限于接口空间和传动比等因素的影响该齿轮箱采用螺旋伞齿轮 圆柱斜齿轮的两级传动方式由轴承承载齿轮产生的轴向力和径向力轴承外部安装密封通常采用机械密封或者端面密封结构技术方案如图 所示应用研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 螺伞齿轮点蚀示意图一级螺伞齿轮二级斜齿轮轴承车轮密封系统图 齿轮箱方案布置示意图齿轮箱输入端采用正交螺伞齿轮副螺伞齿轮轴承受电机输入扭矩其由两个圆柱轴承和一个四点接触球轴承支撑如图 所示密封盖定位密封圈轴承螺伞齿轮副图 螺伞齿轮副支撑示意图该齿轮箱采用格里森螺旋伞齿轮传动效率高、承载能力强、传动平稳、噪音小 检查发现轴承定位密封圈(图 中的“”)出现松动痕迹 点蚀原因分析引起齿面表面点蚀的原因一般有以下几点:()齿轮接触强度不足()加工或组装过程中齿面接触不良()线路运行中载荷过大周期性的法向压力和接触压力较大()异常振动和冲击()润滑油选型不合适等本文从运行线路、设计及工艺、制造及组装等项点入手分析在线路运行中齿轮啮合接触面承载过程中同时存在着滚动摩擦和滑动摩擦不但承受交变的接触压应力同时承受剪切应力 接触应力周期性的作用引起摩擦表面微粒脱落的现象为疲劳磨损微粒在齿轮摩擦面引起的磨损为磨粒磨损这两者都是不可避免的在瞬时过载的工况下螺伞齿轮轴承受异常轴向力(图 中的箭头所示)轴承定位密封圈(图 中的“”)发生轴向滑移对轴承失去轴向定位作用导致轴承内外圈偏离螺伞齿轮轴发生轴向窜动造成齿面干涉齿轮偏载至齿顶区域 同时齿轮接触面在相对滑动时发生了黏着磨损产生了黏着剪断再黏着再剪断的过程 在交变载荷的不断作用下齿面磨损加剧并进一步形成点蚀甚至齿面剥落进一步检查发现该批次齿轮箱润滑油使用时间超过 个月润滑油发黑颗粒物多 该齿轮箱初始设计时选用黏度较高的润滑油容易建立承载油膜缓冲抗振性强长时间运行后因氧化等各种原因润滑油黏度下降 油膜变薄润滑油更容易渗透到裂纹中去当齿面滚动方向与裂纹方向一致时滚动体将裂口封住裂纹中的润滑油不能外溢承受很大的挤压力进一步造成裂纹扩展润滑油变质加剧了齿面磨损综上所述判定引起点蚀的主要原因为线路异常载荷和润滑油变质其导致齿轮偏载、齿面异常磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损相互综合作用引起齿面点蚀甚至剥落演化过程如图 所示图 螺伞齿面点蚀演化示意图 优化及校核计算螺伞齿轮的优化主要从机械结构、材料工艺两个方面进行刘 莹陈瑞兴魏世晨等 某型螺伞齿轮齿面接触优化技术研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月结合本项目的实施情况在新方案中采取优化措施避免螺伞齿轮轴轴向窜动 同时选择合适的螺伞齿轮材料及加工工艺对螺伞齿轮参数进行优化控制齿面接触应力提高接触精度防止出现偏载等进一步控制制造加工、组装等过程以提高螺伞的齿面接触质量.支撑定位方式优化原方案中轴承的轴向定位靠密封圈内孔与轴之间的过盈量保证受结构、材料、组装等因素的限制密封圈能够承受的轴向力有限 因此对输入轴结构进行优化使轴向固定避免轴向移动 优化后的螺伞齿轮轴设置卡槽将挡环贴靠轴承内圈并嵌入卡槽内可实现轴向定位避免异常窜动优化后的结构如图 所示卡槽挡环密封盖密封圈轴承螺伞齿轮轴图 优化后的轴向支撑示意图.齿轮参数优化及接触校核计算通过优化螺伞齿轮的压力角和螺旋角等参数以减少接触应力提高安全系数在 软件中建立简化的螺伞齿轮传动模型并进行接触应力仿真计算 该齿轮传动系统采用一级螺旋伞齿轮加第二级圆柱斜齿轮传动轴承作为支撑部件从螺伞齿轮轴施加扭矩输出端进行约束如图 所示 在输入扭矩 的工况下接触应力如图 所示 可见优化后的齿面接触应力减小安全系数提高.材料工艺优化优化后的螺伞齿轮选用优质的低碳合金钢()严格控制原材料的冶金质量如化学成分、非金属夹杂物等提高材料的纯净度以增强其综合机械性能 螺伞齿轮在加工过程中采用渗碳淬火及微粒子喷丸工艺调质处理使金相组织更加均匀细小渗碳层的金相组织更好进一步提高齿轮的芯部性能微粒子喷丸可提高齿轮表支撑轴承主动螺伞齿轮轴 从动螺伞齿轮二级圆柱齿轮图 螺伞齿轮传动模型示意图图 中齿轮接触应力对比示意图面硬度和残余压应力同时降低表面粗糙度从而增强齿轮的承载能力提高齿轮材料的抗疲劳性能.装配工艺优化螺伞齿轮副在加工和装配过程中须精准地控制和反复调节安装距确保接触斑和侧隙达到理想的状态控制项点如图 所示图 齿面接触控制项点示意图理想的接触斑是沿齿宽和齿高方向均不小于装配过程中不断调整齿面接触斑使齿面接触区域尽量在中间部位如图 所示 试验验证组装完成后对螺伞齿轮箱进行疲劳加载试验如图 所示检查螺伞齿轮副的齿面接触状态和疲劳性能刘 莹陈瑞兴魏世晨等 某型螺伞齿轮齿面接触优化技术研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 优化的齿面接触斑示意图齿轮箱螺伞齿轮部位图 齿轮箱加载试验试验结束后拆解齿轮箱进行检查经磁粉探伤优化后的螺伞齿轮齿面接触良好未出现异常磨损等现象如图 所示图 螺伞齿面状态示意图 结论()本文对某型低地板齿轮箱螺伞齿轮齿面点蚀问题进行分析研究分析引起故障的原因判定齿面点蚀为线路异常载荷引起齿轮偏载及润滑油变质引起齿面异常磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损相互综合作用的结果()对螺伞齿轮参数和支撑定位结构进行优化设计通过 仿真软件对比分析齿面接触应力在输入扭矩 时主动螺伞齿轮接触应力为 比优化前下降 安全系数提高()对齿轮材料及加工组装工艺进行优化增强了齿轮的承载能力提高了齿轮副的抗疲劳性能()对螺伞齿轮进行加载疲劳试验试验过程中传动平稳无异常噪声试验后拆解检查发现螺伞齿轮表面接触良好可靠性提高参考文献:.():.():.():.宋永乐李光福陈晓金等.兆瓦级风电齿轮箱齿轮微点蚀分析.重庆大学学报():.籍国宝.摩擦磨损原理.北京:北京农业出版社.孙家枢.金属的磨损.北京:北京冶金工业出版社.蔡琪阳申小兵胡洪波.润滑油对齿面点蚀剥落胶合的影响.中国设备工程():.谭自然.不同失效形式下齿轮副动态接触特性及时变刚度分析.重庆:重庆大学硕士论文.(.):.“”.:刘 莹陈瑞兴魏世晨等 某型螺伞齿轮齿面接触优化技术研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月