AC0102型电动列车齿轮箱维修替代研究-项目小结修改

AC01/02型电动列车齿轮箱维修替代研究

主要研究单位：上海轨道交通维护保障中心

南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

主要研究人员：浦汉亮、沈豪、王建兵、黄智勇、吴刚、张晨、郭慧明

一、研究背景

（一）项目背景

上海地铁AC01/02型列车于1998年从德国引进，其传动装臵采用德国VOITH 公司提供的SE16-1（SE355）型齿轮箱。齿轮箱箱体及箱盖采用球墨铸铁制成，采用垂直分箱形式。小齿轮轴采用铬镍合金钢制成，大小齿轮都采用螺旋齿形，由铬镍合金钢制成，齿面淬火。大小齿轮两侧都采用圆锥滚子轴承。齿轮箱内的齿轮采用油浴润滑，飞溅起来的润滑油通过集油槽流入轴承，对轴承进行润滑，最后再流回齿轮箱。

由于该齿轮箱采用垂直分箱形式，给齿轮箱开箱检查及维修带来诸多不便，必须进行退轮，工作量大大增加，也带来了由于需要维修齿轮箱而退轮的车轴拉伤甚至报废的风险机率，同时由于退轮原因而增加了本来不需更换的零部件，整个维修成本提高。

（二）立项依据及必要性

AC01/02型列车采用全进口的齿轮箱，现今采购成本为近35万/套，备件采购周期长达6—8个月，给日益增长的维修工作带来了较严重的瓶颈。由于目前正准备开始对AC01/02型列车实施首轮大修工作，故结合该型列车大修作业的同时，借此机会对该类型齿轮箱进行开发研制，希望通过AC01/02型列车齿轮箱的国产化，对未来该车型齿轮箱的备件采购寻找另一条出路，。为此开展本课题研究很有必要，对今后车辆维修中有效降低采购成本，缩短采购周期具有重要意义。

二、主要研究内容

（一）项目目标

通过AC01/02型列车齿轮箱的开发研制，形成能替代进口件的样机，并通过运行试验，推进国产齿轮箱的的自主制造能力，加速国产化速度。

（二）研究内容

本项目通过对国内外各类轨道交通齿轮结构与形式的调研，结合上海地铁AC01/02型列车齿轮箱的现状，对其结构进行优化设计，通过有限元强度计算及计算机辅助设计，对齿轮箱箱体、齿轮、轴承选用、密封、吊挂装臵进行设计，并对样机进行研制，后对其进行型式试验与装车试验，以验证其是否满足上海地铁AC01/02型列车的使用。

1、国内外现状调研

国外地铁车辆传动齿轮箱箱体材料有采用铝合金、铸钢和球墨铸铁。而随着球墨铸铁铸造技术和工艺的成熟，球墨铸铁材料在欧洲开发的地铁齿轮箱上得到了广泛的应用；在齿轮方面，国外通过先进的设计思想和加工技术及热处理技术开发出了低噪音、长寿命、高可靠性的齿轮副；在密封方面，采用优化设计和先进的加工技术，不断改进齿轮箱的密封结构，开发出了可靠的齿轮箱的密封系统。

此项目的合作方南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司先后成功开发了昆明动车、上海地铁1 号线、广州地铁1 号线、北京地铁、伊朗德黑兰地铁、上海轨发A 型地铁等城轨车辆齿轮箱和联轴节，完全具备了高强度铝合金齿轮箱、球墨铸铁齿轮箱和铸钢齿轮箱开发和批量化生产能力；齿轮箱的密封系统已经形成了两项专利技术（发明专利号：03131680.8,实用新型专利号：03222455.9），并在我所开发的齿轮传动系统中得到广泛应用。

2、技术参数

1）车辆基本参数

车辆最高运行速度：80km/h

车轮直径（新/全磨耗）：840/770mm

车辆限界（齿轮箱下部距轨面的允许最小尺寸）（全磨耗轮）：60mm

2）牵引电机基本参数

电机额定转速：1800rpm

电机额定扭矩：1008Nm

电机额定功率：190kw

电机最高转速：3641rpm

3）齿轮传动装臵基本参数

型式：鼓型齿联轴节＋单级圆柱齿轮传动

中心距：355mm

传动比：108/17＝6.35

传动装臵重量（每套）：≤340kg

3、齿轮箱的设计

1）箱体设计

箱体型式采用剖分式，上下箱体均采用仿圆形设计，既可减少箱体体积，又减小了箱体噪声的辐射面积，降低了噪声，同时也减轻了箱体的重量，提高了泵油效果，有利于润滑。

根据国内外齿轮箱箱体材料应用情况来看，球墨铸铁箱体完全能够满足地铁车辆的使用要求，进口齿轮箱一般采用GGG-40材料，对应我国标准为QT400 材料，故国产齿轮箱也采用相同材料。

按三种工况（额定，启动，短路）分别对箱体进行有限元分析后得出结论：三种工况下箱体的最大应力都小于QT400材料屈服强度250MPa。箱体结构强度满足安全运用要求，且箱体变形很小，不会对轴承使用寿命造成影响。

2）齿轮设计

齿轮选用20CrMnMo作为齿轮的材料，轮齿部分采用渗碳淬火工艺，齿形参数与原齿轮相同。

按起动、额定、高速三种工况进行强度验算。分别计算齿轮在承受启动扭矩、常规运行工况和承受冲击载荷时的疲劳强度,根据计算可知齿轮的接触强度与弯曲强度是足够的。

3）轴承选用

本齿轮箱选用国外进口的圆锥滚子轴承，主动齿轮两端的小轴承采用2号线原齿轮箱相同型号与品牌：TIMKEN663/653，安装尺寸为?82.55×?146.05×41.275。由于新设计齿轮箱所安装的车轴尺寸增大，故从动齿轮两端的选用的大轴承型号不同于2号线原齿轮箱，为FAG573160,安装尺寸为：?210×?285×41。齿轮箱上的圆锥滚子轴承采用面对面的安装方式，从而使得拆卸轴承和调整轴向游隙较为方便。

选用的大小轴承的计算寿命均超过了120 万公里，满足设计要求。

4）润滑和密封系统

考虑到上海地铁2 号线齿轮箱的使用及维护要求，齿轮箱润滑油采用与原齿轮箱相同,牌号为SHELL Spirax A90。齿轮箱密封系统采用接触式密封和非接触式密封。在轴承座—箱体之间的密封均采用O形圈与乐泰587密封胶联合密封。磁性油堵和注油螺塞处则采用组合密封垫圈密封。对于齿轮箱中贯通部位的密封，均采用非接触式密封，即贯通部位的密封为间隙密封和带有甩油环的机械式迷宫密封的联合密封方式。

5）齿轮箱吊挂和安全托设计

齿轮箱吊挂结构根据提供的接口和测绘数据进行设计，结构与原箱体一样。吊挂的相对转向架中心的位臵和接口图的尺寸一致，通过测绘和接口图，在箱体上凹进去一个圆弧让开吊挂体的外圆。吊挂在满足强度的前提下，减小了吊挂座的外形尺寸，减少了箱体的重量。

原齿轮箱的安全托从箱体上垂直伸出，国产化齿轮箱安全托与箱体连接处偏向电机侧，一是为了紧靠箱体，增加强度；二是吊挂座尺寸减小，若安全托还是和原结构一样，会出现安全托与吊挂座之间存在小缝隙，铸造工艺困难；三是减少箱体重量。

4、齿轮箱的试制

1）箱体的试制

箱体铸造采用多道内浇口分散进铁，防止箱体背面型砂局部过热，保证进铁的箱体背面不会形成表面缩凹缺陷。铸件厚壁部位，使用了发热冒口和冷铁并用的方式,在合箱面上贴冷铁，最大限度利用发热冒口的补缩铁液，防止合箱面缩松缺陷。由于箱体结构复杂，在模具设计时，增加了砂芯的数量，以保证铸件尺寸、外观合格。箱体铸造后进行抛丸、打磨，磁粉探伤，射线探伤，并取样进行各项理化性能分析，均符合技术要求。

对箱体铸件进行合箱面及相关部位按图纸要求进行机加工。

2）齿轮的试制

对主动齿轮按如下工艺进行加工：备料—锻造—正火—粗车—超声波探伤—半精车—滚齿—齿廓倒角—渗碳、淬火—喷丸—车端面、打中心孔—打钢印—精车—划线—钻孔—粗磨—磨齿—磁探—精磨—检查验收—清洗包装

对从动齿轮按如下工艺进行加工：备料—锻造—正火—半精车—超声波探伤—滚齿—倒角、打钢印—渗碳—划线—钻孔—剥碳—淬火—喷丸—精车—划线二—钻油孔—精车槽—磨内孔及平面—磨齿—磁粉探伤—检查验收—清洗包装

3）齿轮箱称重检查

对组装后齿轮箱进行了称重，齿轮箱重量（包括从动齿轮，不含联轴节、吊杆及车轴重量）约306kg。

5、国产齿轮箱的试验

国产齿轮箱样品研制后，为验证其性能确实满足地铁列车使用的要求，进行了空载跑合试验，型式试验及装车考核试验。

1）空载跑合试验

齿轮箱的空载跑合试验按照跑合试验曲线要求的转速及时间进行。齿轮箱在跑合过程中，各密封处未出现润滑油泄露，齿轮箱运转声音正常。齿轮箱的跑合试验时间为1小时，期间齿轮箱各处温升正常，并未超过试验大纲要求的最高温度90℃。旋开磁性油堵，发现油堵上吸附有泥状铁屑，没有出现大块颗粒铁屑，说明齿轮箱各零部件处于正常的磨合期。

2）型式试验

在型式试验中，试验齿轮箱在整个试验过程中运行平稳，无异常噪声及振动；齿轮箱温升正常，各处最高温升未超过60℃；最高温度不超过110℃，齿轮箱密封性能良好，在运行过程中，各密封处未出现泄漏情况，能够满足地铁车辆的使用要求。

3）装车考核试验

齿轮箱经过型式试验后，即开始装车试运行。装车考核期间，在上海地铁2号线列车上、安装了2台国产齿轮箱。装车试运行期为30000km。在装车试运期内在大小齿轮轴承处的箱体上贴上温度试纸，每天检查温度试纸上的温度，及齿轮箱是否有渗油现象。同时，将国产齿轮箱与进口齿轮箱的温度进行对比。

经过30000km运行考核后，2台国产齿轮箱均未发生渗油，大小齿轮轴承处的温度为超过70℃，与进口齿轮箱温度对比均在5℃之内。

（三）关键技术、难点及创新点

本项目的关键技术及难点主要包括：

1）齿轮箱总体结构的布局设计的优化

为满足现有转向架安装接口尺寸的要求，在车轴轮座及齿轮座扩大的前提下，本项目中必须对齿轮箱总体结构布局进行重新设计。

2）齿轮的强度设计、材料选择及热处理工艺与齿轮的啮合修形。

3）齿轮箱箱体铸造技术、齿轮热处理技术、加工工艺、组装工艺的研究。

本项目的创新点主要包括：

1）结合车轴的改进，对齿轮箱内的大齿轮与车轴的接口尺寸进行了大幅度的修改，确保动车轮对满足现有转向架安装接口的需要。

2）对原齿轮箱中一些不合理或对维修不便的结构进行改进，大大提高该车型齿轮箱的可维修性。

三、主要研究成果

通过本项目的研究，形成了一系列齿轮箱研制及试验报告，及完整的齿轮箱生产工艺，研制出国产化齿轮箱3台，其中2台进行了装车试验，发表了2篇论文，《上海地铁2号线车辆齿轮箱国产化研制和试验》已在《城市轨道交通研究》2012年第6期发表，《上海地铁AC01/02型电动列车齿轮箱轴承游隙的确定和调整》，已在《机车车辆工艺》2011年第3期发表，并形成一支具有核心竞争力的轨道交通关键零部件研发的技术团队。

项目的总体研制报告包括以下内容：

1）上海地铁2号线箱体强度计算

2）上海地铁2号线齿轮强度计算报告

3）上海地铁2号线轴承寿命计算报告

4）齿轮箱图纸

5）上海地铁2号线齿轮传动装臵的研制质量计划

6）上海2号线齿轮箱生产流程及质量保证计划

7）上海地铁2号线主、从动齿轮生产流程质量控制计划

8）上海2号线齿轮箱检验计划

9）上海地铁2号线主从动齿轮验收作业指导书

10）上海地铁2号线检测报告

11）上海地铁2号线齿轮传动装臵的研制型式试验报告

12）上海地铁2号线齿轮传动装臵的研制总体验收技术条件

13）上海地铁2号线齿轮箱使用维护说明书

四、应用前景与效益预测

AC01/02型列车齿轮箱国产化研制研制成功后，将使上海地铁具有对现有车辆齿轮箱技术改进的能力，提升了对列车关键部件技术开发能力，为未来AC01/02型车型齿轮箱的备件采购寻找出一条可行的方案。

由于进口齿轮箱及其备件采购成本高、周期长，使维修成本控制困难，且该进口齿轮箱结构较不合理，其采用垂直分箱面给维修工作带来很多困难，使人力成本提高及工作效率降低。因而此维修替代项目对齿轮箱进行了国产化，方便了未来维修的备件供应，并改进了分箱面型式，将垂直分箱面改为水平分箱面，大大降低了维修工作量，整个维修量比原进口齿轮箱下降了50%，工作效率提高了40%。

国产化齿轮箱的研制成功使齿轮箱备件的采购成本下降了近80%，进口的齿轮箱采购成本为近35万/套，而国产批量生产的齿轮箱价格在5—8万元之间。因而项目成果具有重要经济效益。

本项目成果可大规模运用到现有AC01/02型列车上，同时其技术也可运用到其它进口列车的齿轮箱替代上，可有效降低采购成本，缩短采购周期，项目的潜在的经济意义与应用前景将会是很大的。