地铁齿轮箱检修渗油原因分析及解决方法
摘要
关键词
齿轮箱；密封；渗油；试验
正文
0引言
密封性能是轨道交通车辆用齿轮箱主要性能指标，密封性差导致齿轮箱内部润滑油减少会导致齿轮箱内关键零部件的润滑状况急剧下降，加剧温升，加剧内部零部件磨损，传动性能恶化，导致齿轮、轴承等关键零部件损坏[1]，严重时甚至会影响车辆的可靠性。国外某型地铁齿轮箱在线路上运行时，存在多套渗油现象，齿轮箱与车轴长轴端贯通处，即齿轮箱输出端电机侧渗油如图1所示。线路运行过程中出现渗油现象，在振动及磨损等因素的影响下，随着运行里程的增加，齿轮箱内润滑油含量明显降低，因此必须找出齿轮箱渗油的原因加以防范，并进行针对性且切实可行的改进。
图1地铁齿轮箱输出端渗油
1 齿轮箱密封结构介绍
齿轮箱为两级传动齿轮箱，由主、副箱体组成，分箱面为垂直方向并在箱体侧面最低处设有磁性排油栓，从而便于箱体内润滑油的排出，箱体后部设有加油栓和观察窗。齿轮箱分为静密封和动密封两种方式：整个齿轮箱内，在密封端盖—箱体和轴承座—箱体之间的静密封采用O型圈及密封胶密封；主、副箱体分箱面处等接触部位采用密封胶密封。对于齿轮箱小齿轮轴和车轴等贯通部位的动密封，设计采用非接触式密封，即采用迷宫密封的方式。迷宫密封在实现双向密封的同时，起到了逐步降低齿轮箱内部压力，实现齿轮箱内外部压力均衡的作用。
该地铁齿轮箱的车轴贯通部位采用间隙密封和迷宫密封相结合的非接触密封，内部剖视结构如图2所示。齿轮箱箱体底部设有油池存储润滑油，采用飞溅润滑。在齿轮箱大端电机侧，飞溅的润滑油通过、轴承座上的进油孔，流入轴承内部以润滑轴承[2]，并通过轴承座上的回油孔回流到箱体底部。
图2 输出轴内部剖视图及局部放大图
在齿轮箱工作过程中，齿轮和轴承的旋转造成齿轮箱内部压力高于外部，一部分润滑油经过轴承座与密封环形成的间隙1溢向环形密封腔1。由于环形密封腔有较好的减压作用，大部分溢出的润滑油经过回油孔流回箱体底部。同时在运用过程中，存在少量杂物或液体经过端盖与密封环形成的间隙2进入齿轮箱的可能性，因此端盖上设计了出水口。杂物或液体通过密封环的旋转，将其甩到密封腔2内，并通过出水孔排出，有效防止杂物或液体进入密封结构。
2 渗油原因分析
2.1故障因素分析及拆解排查验证
针对输出端电机侧渗油故障，结合密封结构进行分析并拆解排查验证，列出故障原因分析表，如表1所示。
表1 输出端渗油故障因素排查与验证
序号 | 因素 | 分析 | 拆解验证 | 可能性 |
1 | 轴承外圈未压紧 | 轴承外圈未压紧或大轴承座顶出孔有高点翻边，导致轴承外圈端面与大轴承座的贴合面存在间隙，进而润滑油→贴合面间隙→大轴承座顶出孔，从而引发漏油现象。 | 拆解后，用0.03mm塞尺检查轴承外圈端面与大轴承座的贴合面间隙，符合要求。 | 无 |
2 | 回油孔堵塞 | 密封腔1中的润滑油回油不通畅，导致引发产生的油雾沿着迷宫密封等间隙渗出。 | 拆解后检查回油孔无堵塞现象。 | 无 |
3 | 大轴承座变形 | 大轴承座因检修过程中拆解变形严重，其与轴承外圈的配合面、以及其与轴承外圈端面（内侧）的贴合面存在间隙，进而润滑油→配合面间隙→贴合面内侧间隙，引发漏油现象。 | 拆解后检查，二者过盈配合，无变形。 | 无 |
4 | 大密封圈变形 | 大密封圈因检修过程中拆解变形严重，其与大轴承座及端盖配合处间隙变大，导致原本齿轮箱的迷宫密封结构失效。 | 试验后拆解检查发现密封圈与轴承座之间有较多油流出。进一步检查拆解下的密封圈，对比发现密封圈有一定变形。 | 可能 |
5 | 存在其它未识别的漏油油路 | 存在其它尚未识别的漏油油路，引发大轴承座轴承外圈顶出孔漏油。该因素可以通过在上述顶出孔加注润滑油或清洗剂进行进一步验证。 | 加注清洗剂，清洗剂从大轴承座上的顶出孔流出。因轴承外圈倒角位置与顶出孔部分重合，造成轴承外圈端面未完全堵住顶出孔而存在一个宽约1.5mm的间隙，如图6所示。 | 可能 |
图3 输出端渗油油路排查
2.2齿轮箱渗油原因分析
在齿轮箱运转过程中，轴承外圈端面未完全堵住大轴承座轴承外圈顶出孔，造成飞溅的润滑油→箱体上的集油板、油沟→大轴承座上的进油孔→轴承外圈倒角位置与大轴承座形成的间隙→大轴承座轴承外圈顶出孔，致密封腔1中持续存在相对大量的润滑油，引发产生大量的油雾会沿着迷宫密封间隙、间隙2向箱体外部外溢，从而产生渗油现象。
图4 输出端渗油油路分析
由于齿轮箱在大修时拆解密封圈导致密封圈发生变形，密封圈与轴承座的间隙1变大，导致轴承中大量的油通过间隙1流到密封腔1中，同时密封圈的变形也影响其与端盖的迷宫密封间隙，进而导致密封腔1中油雾沿着迷宫密封间隙、间隙2向箱体外部外溢。同时因轴承外圈倒角的设计公差以及同批次轴承间实际倒角大小均存在较大变量，加上顶出孔位置的偏差，引起轴承外圈倒角位置与大轴承座形成的间隙不同、顶出孔的漏油量不同，同时每套齿轮箱经过大修后密封圈变形量也不同，进而造成不同齿轮箱表现出不同程度的渗油现象。
针对以上分析的齿轮箱输出端电机侧动密封渗油的原因，提出两个相应的解决方案：
（1）防止轴承外圈顶出孔出油：使用内六角螺钉及铜垫圈安装至轴承座上轴承外圈顶出孔中，螺钉涂螺纹锁固胶上扭矩，画防松标记，防松标记贯穿螺钉头部，延伸至轴承座上。
（2）变形大的密封圈进行更换：拆解输出轴电机侧大密封圈，取新的大密封圈进行热套安装。
为验证改进方案的有效性，分别对改进前的齿轮箱及改进后的齿轮箱进行试验对比，试验分为例行试验、热平衡试验及高速跑合试验，试验结果如下表2所示及图5所示。
表2 输出端渗油改进前后试验对比
序号 | 试验项目 | 试验参数 | 改进前 | 改进后 |
1 | 例行跑合试验 | 按照例行试验大纲 | 在最高速阶段，端盖出水口位置出现渗油现象 | 未出现渗油现象 |
2 | 热平衡跑合试验 | 输入轴转速：3669rpm 跑合时间：2.5h | 未出现渗油现象 | 未出现渗油现象 |
3 | 高速跑合试验 | 输入轴转速：+4853rpm，-4853rpm | 端盖出水口位置出现渗油 | 未出现渗油现象 |
图5 改进后试验结果
经过试验对比发现，改进前的齿轮箱在例行试验高速阶段及高速跑合试验在端盖出水口存在一定程度的渗油现象，而改进后的齿轮箱均未出现渗油的现象，说明分析的渗油原因较为准确，采取的改进措施也有效可行。
4 结束语
在齿轮箱大修过程中，应充分考虑密封圈的变形是否对迷宫结构产生影响，加严密封圈内孔变形量控制标准，重点识别易渗油部位，通过优化装配工艺提升齿轮箱的密封可靠性。此外，齿轮箱设计时需参考以往故障案例，严格控制零件公差尺寸，避免工艺孔位置与油路设计干涉以及大修周期内因橡胶件老化导致的密封不严，降低齿轮箱在线路运用过程中发生渗油的风险。
参考文献
[1] 张晶.地铁齿轮箱渗油原因分析及解决方案[J]. 现代制造技术与装备，2016，14：203.
[2] 李枫.高速动车组齿轮箱渗油原因分析与改进[J]. 轨道交通装备与技术，2013（3）：30-35.
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