牵引齿轮传动中的新设计和新工艺
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2021年2月第49卷第4期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSFeb 2021Vol 49No 4DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2021 04 035本文引用格式:杨树峰,王晓鹏,陈超,等.高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势[J].机床与液压,2021,49(4):173-179.YANGShufeng,WANGXiaopeng,CHENChao,etal.Researchstatusandtrendofgearboxdesignforhigh⁃speedEMU[J].MachineTool&Hydraulics,2021,49(4):173-179.收稿日期:2019-10-10基金项目:国家重点研发计划(2018YFB2001700)作者简介:杨树峰(1986 ),男,博士研究生,研究方向为齿轮传动技术㊂E-mail:yangshufeng8610@163 com㊂通信作者:刘世军(1962 ),男,硕士,研究员,博士生导师,主要研究方向为齿轮传动㊂E-mail:Lsj769@163 com㊂高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势杨树峰1,2,王晓鹏1,陈超1,刘世军1(1 郑州机械研究所有限公司,河南郑州450052,2 中原工学院机电学院,河南郑州450007)摘要:齿轮箱是高速动车组动力转向架的核心部件,其性能直接影响运行的安全可靠性㊂介绍了目前国内高速动车组齿轮箱结构及安装方式㊂根据齿轮箱的结构,分别从齿轮㊁支架㊁箱体㊁润滑密封等方面描述了国内外高速动车组齿轮箱设计方法的研究现状及存在的问题㊂提出了后期应重点针对齿轮箱的造型设计㊁故障诊断与健康管理和极端环境下的产品性能等方面开展相关研究,为深入研究高速动车组齿轮箱提供了参考㊂关键词:高速动车组;齿轮箱;设计方法;研究现状中图分类号:U260 332ResearchStatusandTrendofGearboxDesignforHigh-speedEMUYANGShufeng1,2,WANGXiaopeng1,CHENChao1,LIUShijun1(1 ZhengzhouResearchInstituteofMechanicalEngineeringCo.,Ltd.,ZhengzhouHenan450052,China;2 SchoolofMechanicalEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,ZhengzhouHenan450007,China)Abstract:Gearboxisthecorecomponentofhigh-speedEMUpowerbogie,itsperformancedirectlyaffectsthesafetyandrelia⁃bilityofoperation.Thestructureandinstallationofthegearboxofhigh-speedEMUindomesticwasintroduced.Accordingtothestructureofthegearbox,theresearchstatusandexistingproblemsofthegearboxdesignmethodofthehigh-speedEMUathomeandabroadweredescribedfromtheaspectsofgear,bracket,box,lubricationandsealing.Itwasproposedthattheresearchshouldfocusontheshapedesign,faultdiagnosisandhealthmanagementofthegearboxandtheproductperformanceinextremeenvironment.Itprovidesreferenceforthein⁃depthstudyofhigh⁃speedEMUgearbox.Keywords:High⁃speedEMU;Gearbox;Designmethod;Researchstatus0㊀前言1964年,世界上首条高速铁路 东海道新干线投入运营,列车运行时速高达210km,产生巨大的轰动效应㊂近半个多世纪,世界各国都在努力进行铁路技术装备和现代化管理的研究,高速铁路技术取得突破性进展㊂我国于2004年开始从川崎重工㊁庞巴迪等公司引进并合作生产高速动车组,研究出适合我国的CRH1㊁CRH2㊁CRH3和CRH5型系列动车组㊂2008年,我国第一条高速铁路 京津城际铁路开始运营,2010年拥有完全自主知识产权的CRH380A㊁CRH380B型动车开始运行,实现了由仿制向创造㊁从摸索到突破的复兴之路,使我国成为了高铁里程数最长的国家㊂高铁的舒适㊁便捷㊁高效㊁准时等优势已经深入民心,但是,我国对高速重载牵引齿轮箱的研究起步较晚,整体水平与发达国家相比还有较大差距,因此,在动车组齿轮传动技术等方面还需参照国外的相关标准进行设计㊂高速动车组齿轮箱是动车组列车的动力驱动核心部件,也是保证列车正常运行的关键零部件㊂由于列车运行速度快,需面对高温高寒㊁潮湿㊁沙尘多等极端恶劣的运行环境,对齿轮箱的设计提出了更高的要求,特别是在齿轮抗载荷㊁齿间啮合㊁润滑㊁箱体强度㊁密封等方面㊂目前,小空间㊁轻量化㊁高功率密度[1]已经成为齿轮箱的设计趋势㊂1㊀高速动车组齿轮箱结构根据车型的不同,齿轮箱安装方式及传动方式也不相同,具体统计见表1㊂齿轮箱将牵引电机的转矩传递给轮轴,齿轮箱内包括小齿轮轴,它与一个直接安装在车轴上的齿轮箱相啮合,其传动方式分为斜齿轮传动和锥齿轮转动2种㊂齿轮箱的箱体由直接安装在轮轴上的圆锥滚柱轴承支承㊂平衡杆安装在转向架和齿轮箱之间,用于承受作用在齿轮箱上的各种扭矩载荷,包括由牵引和制动引起的负荷㊁转矩振动和牵引电机短路引起的转矩振动[2]㊂表1㊀高速动车组齿轮箱汇总序号实用车型传动方式安装方式模型1CRH1CRH2CRH380A斜齿轮传动平衡杆吊装2CRH5锥齿轮传动平衡杆横装3CRH3CRH380B斜齿轮传动C形托架2 高速动车组齿轮箱设计研究现状2 1㊀齿轮设计高速重载齿轮传动在高速轧机㊁高速列车及航空发动机等中得到广泛应用,运行中需承受较高的载荷,运行速度高,工况相对复杂㊂因此,对高速重载齿轮传动进行非线性动力学㊁计算机辅助工程㊁制造系统工程等基础理论研究尤为迫切㊂高铁齿轮箱采用一级渐开线齿轮传动方式,在设计齿轮的过程中充分考虑因轮齿时变啮合刚度㊁齿侧间隙和传递误差等非线性因素引起的传动不稳定现象,对高速重载齿轮传动的稳定性展开研究㊂大连理工大学的学者根据齿轮传动中出现的非线性动力学现象,如混沌和分岔现象[3],结合高速动车牵引齿轮箱的特点,建立斜齿轮-扭-轴非线性动力学模型,采用定性和定量的方法,研究了激励频率㊁啮合阻尼和齿侧间隙对系统产生混沌和分岔的规律和机制㊂西南交通大学的学者采用集中参数法建立基于多种非线性因素的齿轮系统动力学模型[4],研究了齿轮传动系统在内㊁外部激励作用下的轮齿间啮合力传递及变化规律㊂以上对动力学模型的分析是基于理论研究的,缺乏实验性的验证㊂传动模型的精确建模是进行齿轮啮合研究的基础,通过对齿轮各曲线方程的推导,根据齿轮空间啮合原理,完成动车组齿轮箱斜齿轮对模型的精确装配[5]㊂有学者基于VisualC++和SolidWorks,利用MFC类型库对列车牵引齿轮进行参数化设计,实现了模型的设计㊁建模㊁装配一体化设计[6]㊂由于高速列车传动齿轮的制造和装配误差的影响,以及齿轮基节误差的作用,导致齿面载荷突变㊁啮入和啮出位置载荷集中等现象,需进行齿面修形研究㊂在齿廓修形研究中,主要针对主动轮齿顶㊁齿根的变形量和长度等参数展开研究[7-8],可结合啮合理论和实际工况对齿轮修形量进行计算㊂有学者根据齿轮在啮合过程中齿轮副的热弹变形[9-10],对斜齿轮采用直修形的方式,研究齿轮修形曲线,并运用VB及ANSYS/APDL语言编制了一套基于热弹变形的齿轮修形软件,实现齿轮修形的可视化操作[11]㊂在齿向修形研究中,郑州机械研究所团队针对动车组传动齿轮副触底误差及齿面载荷分布不均的问题,通过将小齿轮直线修形㊁鼓形修形和大齿轮的螺旋角修形相结合的方式[12],使传递误差减少26 42%,线载荷减小43 64%,使齿面接触区域分布更加合理;LIU和PARKER[13]考虑齿轮动载荷分布㊁时变啮合刚度和齿廓修形等因素的影响,建立了齿轮非线性分析模型,研究了齿廓修形对多啮合齿轮系统振动响应的影响规律㊂陈思雨等[14]利用准静态接触下的有限元计算方法得到不同修形量的啮合刚度和静态传递误差,研究不同齿廓修形量和修形长度对齿轮动态行为的影响,并提出根据W齿轮副的振动幅值及动态因子来确定最佳的修形参数,使齿轮副啮合的接触斑点㊁齿面线载荷分布以及传递误差明显降低,㊃471㊃机床与液压第49卷传动更加平稳㊂2 2㊀轴承选型齿轮箱轴承为高速轨道列车运行的支撑部件,运行中承受极大的轴向载荷及径向载荷,其性能的稳定性及寿命直接影响动车组运行安全㊂目前,高速轨道列车所需的电机轴承㊁齿轮箱轴承㊁轮轴轴承全部被瑞典SKF㊁德国FAG㊁日本NTN等国外知名厂商垄断[15]㊂由表1可知,CRH1和CRH3系列均采用一级斜齿轮传动,如图1所示,输入轴上装有1个四点接触球轴承和2个圆柱滚子轴承[16]㊂四点接触球轴承承受轴向载荷,与轴承座内圈采用间隙配合;圆柱滚子轴承承受径向载荷,采用过渡配合的方式装入轴承座㊂输出轴采用圆锥滚子轴承面对面布置㊂CRH5型高速动车组采用一级锥齿轮传动方式,如图2所示,输入轴上同样安装有1个四点接触球轴承和2个圆柱滚子轴承;输出轴上安装有圆锥滚子轴承和双列圆锥滚子轴承[17]㊂圆锥滚子轴承可承受较高的轴向力,安装后可通过调整轴向游隙提高轴承的旋转精度和承载能力[18]㊂图1㊀一级斜齿轮传动图2㊀一级锥齿轮传动2 3㊀支架设计目前,高速列车采用的齿轮箱安装方式主要有齿轮箱吊杆和C形支架2种吊挂方式,其结构简图分别如图3㊁图4所示,在悬架连接处都安装有弹簧橡胶模块,该模块既可以较好地承受载荷,也可在弹簧失效时起到一定的承载作用㊂图3㊀吊杆吊装简图㊀㊀㊀图4㊀C形支架吊装简图HOLZAPFEL和BASSMANN[19]在吊杆支架的基础上研制出C形支架㊂相比于吊杆吊挂,C形支架使受力分散到2个位置,更加可靠㊂目前,以CRH2㊁CRH380A为代表的日系动车组均采用了吊杆吊挂式安装,以CRH3㊁CRH380B为代表的德系动车组则采用了C形支架安装方式,2种安装方式均属于弹性安装㊂有学者分别计算了不同齿轮箱安装方式对车辆动力学性能的影响,在低速状态下吊杆吊挂方式振动加速度更小,但在350km/h以上时,C形支架表现更佳[20-23]㊂2 4㊀箱体研究随着高速动车组向高可靠㊁高速㊁舒适等趋势发展,对齿轮箱提出了更高的要求㊂箱体作为齿轮箱的支撑件,其稳定性㊁安全性直接影响动车行业的发展㊂目前,箱体均采用铝合金铸造成型,箱体结构的高强度㊁轻质化一直是箱体的发展方向㊂(1)箱体CAE分析学者们分别从模态分析㊁静力学分析㊁谐响应分析等方面对箱体强度进行研究[24],根据箱体存在的应力集中现象,提出箱体改进方案[20],采用等损伤准则[25]㊁Steinberg积累损伤三区间法[26]等方法对箱体进行疲劳寿命的评估㊂针对出现故障裂纹的箱体,采用金相检测和实际测试的实验方法进行研究[27-28],指出箱体固有频率与轨道激励在低频存在共振现象,为箱体的改进指明方向㊂(2)箱体优化设计在箱体轻量化方面,学者们以体积最小为目标函数[29],采用灵敏度分析法和物理规划法,对箱体进行稳健优化分析;利用HyperMesh软件中的拓扑和形状优化功能对箱体进行优化设计[30],降低最大变形量和等效应力;以容差和优质率为目标函数[31],采用模糊理论与容差多面体法对箱体装配尺寸链进行优化㊂2 5㊀密封及润滑的研究高速动车组驱动齿轮箱的密封设计技术至关重要,密封性能的优劣直接影响到齿轮箱零部件的使用寿命以及高速动车组运行的安全性和可靠性㊂为了保证齿轮箱的高效工作,其传动轴的轴端通常采用非接触式迷宫密封㊂2 5 1㊀密封性能研究(1)迷宫密封结构㊂为了增强迷宫密封的性能,学者们提出了不同的方案:①分别设置阶梯密封外环和内环[32];②在轴两侧的油路设置2-3道内装有带切口的涨圈的环形槽[33];③将内挡油环的外环面处理成超疏油膜层,将外挡油环的外环面处理成超疏水膜层[34];④增加径向密封以及轴向密封的长度间隙比[35];⑤将密封齿齿形锐化(减小夹角和齿顶长㊃571㊃第4期杨树峰等:高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势㊀㊀㊀度)[36];⑥将迷宫密封更改为阶梯式迷宫密封,减小密封间隙,增加密封空腔[37]㊂通过采用不同的结构方案,阻止箱体内润滑油泄漏以及外界水分㊁杂质进入箱体㊂(2)密封数值模拟㊂学者们主要采用了数值模拟和实验研究相结合的方式进行密封数值模拟,裘雪玲[38]从不同压比㊁密封齿顶间隙㊁进气预旋等方面对泄漏量进行研究;田华军等[39]从密封齿的节流间隙尺寸㊁齿间回油效果㊁齿尖厚度等方面展开研究;还有学者研究空腔数量和深度[40-41]㊁进出口压差㊁转速[42]对泄漏系数的影响㊂2 5 2㊀润滑性能研究国内高速动车齿轮箱齿轮油一般是选用设备说明书上推荐的品牌及型号,但是由于受到运行环境及复杂工况的影响,有时需要根据齿轮载荷㊁摩擦副相对速度㊁工作温度等参数选取[43]㊂有学者通过在齿轮油中添加TiO2[44]或者钼元素[45]来提高齿轮油的抗载和耐磨性能㊂齿轮油在不同转速和载荷下表现出的摩擦特性也不同[46],刘杰等人[47]提出了有效润滑油量的概念,并探讨与浸油深度㊁大齿轮转速的关系,当齿轮啮合线速度为35m/s时,搅油损失急剧增大[48],中车的高军团队通过实验方法对齿轮油中的硫添加剂[49]和换油周期[50]进行了研究㊂2 6㊀齿轮箱性能研究动车组齿轮箱传动系统性能一直是研究重点,目前主要采用仿真实验和在线监测的方式来评估齿轮箱性能㊂(1)在仿真实验方面,研究人员将齿轮箱温度㊁振动[51]㊁噪声[52]㊁传动效率㊁可靠性为评价指标,采用定性㊁定量的筛选方法,开发了动车组齿轮传动性能综合评价软件[53]㊂有学者针对运行中存在的负压现象,研制了相关实验设备[54],以验证箱体性能㊂(2)在在线监测方面,有学者通过研究齿轮油中铁元素性能的退化数据[55],建立了齿轮箱的性能评价方法;学者还研制了基于涡流技术的非接触探伤仪[56];张伟伟[57]设计了基于光纤布拉格(Bragg)光栅传感器的动车组齿轮箱的实时振动监测系统;邓晓宇[58]根据检测数据和非参数的核密度估计方法,建立 齿轮箱振动阈值数据库 与 齿轮系统故障特征频率库 ,确保齿轮箱的安全运行㊂3㊀高速动车组齿轮箱的展望随着我国铁路行业的不断发展,高速动车组运行将呈现 高速㊁重载㊁全天候 的特点[59],而机车驱动系统为适应这些特点,向高速㊁大功率方向发展成为必然趋势,所以必然对齿轮箱的结构㊁承载能力㊁润滑系统及抗胶合㊁振动能力提出更高的要求㊂因此,结合我国高速动车组齿轮箱传动系统的发展现状[60],应从以下几方面加大研究力度:(1)应对高速动车组齿轮箱齿轮从结构设计㊁参数优化㊁动力学性能分析等方面进行创新性研究,开发出适合我国现状的传动齿轮㊂同时,在日常的维修㊁故障解决中及时总结经验,在设计中加以改进,防患于未然㊂(2)目前国内减速机箱体依旧沿用国外的结构,缺乏工业设计㊁艺术设计角度的创新,应该用人机交互等新的设计方法对箱体外观进行研究㊂(3)关于高速动车组列车齿轮箱在线监测㊁故障诊断技术方面的研究还不够深入,难以建立产品的故障诊断与健康管理系统,核心的振动机制研究和故障特征的提取及其对应的信号分析方法都有待深入研究㊂(4)针对高速动车组齿轮箱在极端㊁恶劣环境中运行的研究不够深入,运行中齿轮箱外围气压为瞬态㊁交替变化,导致齿轮箱内气液流场比较复杂㊂用于齿轮箱运行过程相关仿真及实验的设备比较缺失㊂在齿轮箱轻量化设计制造㊁润滑密封㊁高可靠性等方面应重点攻关㊂4㊀结束语高速动车组齿轮箱的设计是一项系统工程,我国对高速重载牵引齿轮箱的研究起步较晚,整体水平与发达国家相比还有较大差距㊂本文作者从高速动车组齿轮箱的结构出发,在齿轮㊁轴承㊁支架㊁箱体㊁密封润滑等方面综述了国内外的研究现状,最后从齿轮设计制造㊁箱体外观设计㊁在线检测㊁极端场合等方面展望了齿轮箱未来的研究方向㊂参考文献:[1]高小平.高速动车齿轮箱产品开发中的计算仿真应用[J].轨道交通装备与技术,2015(5):1-4.GAOXP.ApplicationofcomputationalsimulationinthedevelopmentofgearboxesforhighspeedEMUs[J].RailTransportationEquipmentandTechnology,2015(5):1-4.[2]王伯铭.高速动车组总体及转向架[M].2版.成都:西南交通大学出版社,2014:242-253.[3]褚衍顺.高速重载齿轮传动系统稳定性研究[D].大连:大连理工大学,2012.CHUYS.Studyonstabilityofhighspeed&heavyloadgeartrain[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,2012.[4]全克博.CRH2型动车组齿轮系统动力学特性分析[D].成都:西南交通大学,2015.QUANKB.ThedynamicsanalysisofCRH2multipleunitsgearsystem[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2015.[5]杨萌.高速列车传动系统齿轮可靠性建模研究[D].北㊃671㊃机床与液压第49卷京:北京交通大学,2014.YANGM.Researchonreliabilitymodelingofthetransmis⁃siongearsinthehighspeedtrain[D].Beijing:BeijingJiao⁃tongUniversity,2014.[6]曹从庆.机车车辆齿轮参数化CAD系统研究[D].成都:西南交通大学,2012.CAOCQ.ResearchonaparameterizedCADsystemforthevehiclegear[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2012.[7]黄琦.高速列车传动齿轮齿廓修形及箱体优化设计[D].大连:大连理工大学,2012.HUANGQ.Researchongearprofilemodificationandtheoptimizationdesignforgearboxofhigh⁃speedtraindrivesystem[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,2012.[8]HUZH,TANGJY,ZHONGJ,etal.Effectsoftoothprofilemodificationondynamicresponsesofahighspeedgear⁃ro⁃tor⁃bearingsystem[J].MechanicalSystemsandSignalPro⁃cessing,2016,76/77:294-318.[9]李绍彬.高速重载齿轮传动热弹变形及非线性耦合动力学研究[D].重庆:重庆大学,2004.LISB.Studyoncoupledthermo⁃elasticdeformationandnonlineardynamicemulateabouthigh⁃speed,heavy⁃loadgeartransmissionssystem[D].Chongqing:ChongqingUni⁃versity,2004.[10]姚阳迪.基于热弹变形的高速重载齿轮修形研究[D].重庆:重庆大学,2010.YAOYD.Modificationresearchofhigh⁃speedandheavy⁃loadgearbasedonthermo⁃elasticdeformation[D].Chongqing:ChongqingUniversity,2010.[11]杨玉良.斜齿轮系统热弹耦合及修形减振研究[D].大连:大连理工大学,2016.YANGYL.Researchonthermo⁃elasticcouplingandvi⁃brationdampingwithmodificationofhelicalgearsystem[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,2016.[12]范乃则,田华军,裴帮,等.基于KISSsoft动车组传动齿轮修形优化设计[J].机械传动,2017,41(3):83-87.FANNZ,TIANHJ,PEIB,etal.Modificationandopti⁃mizationdesignofmotortrainunittransmissiongearbasedonKISSsoft[J].JournalofMechanicalTransmission,2017,41(3):83-87.[13]LIUG,PARKERRG.Dynamicmodelingandanalysisoftoothprofilemodificationformultimeshgearvibration[J].JournalofMechanicalDesign,2008,130(12):121402.[14]陈思雨,唐进元,王志伟,等.修形对齿轮系统动力学特性的影响规律[J].机械工程学报,2014,50(13):59-65.CHENSY,TANGJY,WANGZW,etal.Effectofmodi⁃ficationondynamiccharacteristicsofgeartransmissionssystem[J].JournalofMechanicalEngineering,2014,50(13):59-65.[15]张亨飏.高速动车轴承试验台的开发与研究[D].长春:吉林大学,2017.ZHANGHY.Designandresearchonthetestrigofhigh⁃speedrailwayrollingbearings[D].Changchun:JilinUni⁃versity,2017.[16]吴成攀,阙红波,王本涛,等.典型动车组齿轮箱轴承的计算[C]//铁路车辆轮轴技术交流会论文集.大连,2016:107-112.[17]李春蕾,吴承攀,赵艳英,等.标准动车组齿轮箱轴承的选型及开发[C]//铁路车辆轮轴技术交流会论文集.大连:中国铁道学会,2016.[18]刘志恒,张红军.轴箱轴承轴向自由间隙对机车动力学影响分析[J].铁道学报,2006,28(2):48-52.LIUZH,ZHANGHJ.Influenceofaxialfreeclearancesofaxleboxbearingsonlocomotivedynamics[J].JournaloftheChinaRailwaySociety,2006,28(2):48-52.[19]HOLZAPFELM,BASSMANNT.Designinghigh⁃perform⁃ancedrivesfor350km/hhigh⁃speedtrainoperation[J].RailEngineeringInternational,2005,6(4):201-206.[20]胡伟钢,刘志明,李强,等.高速列车齿轮箱载荷识别方法研究[J].铁道学报,2020,42(12):50-57.HUWG,LIUZM,LIQ,etal.Loadidentificationmethodforhigh⁃speedtraingearbox[J].JournaloftheChinaRail⁃waySociety,2020,42(12):50-57.[21]刘杰,刘世军,郭熛,等.基于有限元的高铁齿轮箱箱体载荷计算与结构分析[J].机械传动,2016,40(2):77-81.LIUJ,LIUSJ,GUOB,etal.StructuralanalysisandloadcalculationofCRH380high⁃speedrailgearboxbasedonfiniteelement[J].JournalofMechanicalTransmission,2016,40(2):77-81.[22]YANGJW,YANGMH,LIX,etal.Strengthanalysisandexperimentofhighspeedrailwaygearboxbracket[J].TheOpenMechanicalEngineeringJournal,2015,9(1):266-270.[23]李众.高速动车组转向架齿轮箱安装方式研究[D].成都:西南交通大学,2017.LIZ.Researchoninstallationmethodofgearboxforhigh⁃speedtrains[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2017.[24]王富民,李捷,杨建伟,等.地铁齿轮箱箱体模态及谐响应分析[J].机械传动,2015,39(9):146-150.WANGFM,LIJ,YANGJW,etal.Modalandharmonicresponseanalysisofsubwaygearboxhousing[J].JournalofMechanicalTransmission,2015,39(9):146-150.[25]袁文东.标准动车组齿轮箱箱体强度分析与寿命预测[D].北京:北京交通大学,2016.YUANWD.Analysisonthestrengthandfatigue⁃lifepre⁃dictionofstandardhigh⁃speedEMUgearboxhousing[D].Beijing:BeijingJiaotongUniversity,2016.㊃771㊃第4期杨树峰等:高速动车组齿轮箱设计研究现状及趋势㊀㊀㊀[26]潘红明.基于三区间法的高速动车组齿轮箱体疲劳寿命研究[D].成都:西南交通大学,2016.PANHM.Studyongearboxfatiguelifeanalysisbystein⁃bergmethod[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2016.[27]HUWG,LIUZM,LIUDK,etal.Fatiguefailureanalysisofhighspeedtraingearboxhousings[J].EngineeringFail⁃ureAnalysis,2017,73:57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国内齿轮研究现状及问题研究一、本文概述齿轮作为机械传动系统中的核心元件,其性能与精度直接影响到整机的运行效率和使用寿命。
随着国内制造业的飞速发展,齿轮研究在技术创新、材料研发、加工工艺和质量控制等方面取得了显著成果。
然而,与国际先进水平相比,国内齿轮研究仍面临一些亟待解决的问题和挑战。
本文旨在全面梳理国内齿轮研究的现状,深入剖析存在的问题,以期为相关领域的科技人员和企业决策者提供有益的参考和借鉴。
通过系统分析国内齿轮研究的发展历程、技术特点、优势与不足,以及未来发展趋势,本文将为推动国内齿轮研究的进步和创新提供理论支持和实践指导。
二、国内齿轮研究现状分析近年来,随着制造业的快速发展和高端装备需求的日益增长,国内齿轮研究取得了显著进展。
齿轮作为机械传动系统中的关键部件,其性能和质量直接影响着整机的运行效率和可靠性。
因此,国内学者和企业在齿轮设计、制造、材料、热处理以及检测等方面进行了大量研究和探索。
在设计方面,国内研究团队已经能够利用先进的计算机辅助设计(CAD)和仿真分析技术,对齿轮的几何形状、齿面接触、载荷分布等进行精确计算和模拟。
这不仅提高了齿轮的设计精度,也缩短了新产品的开发周期。
在制造工艺方面,国内齿轮加工设备不断更新换代,高精度、高效率的加工技术得到广泛应用。
数控机床、激光切割、精密磨削等先进加工技术的使用,显著提升了齿轮的加工精度和表面质量。
在材料研究领域,国内已经开发出多种高性能齿轮材料,如高强度钢、渗碳钢、粉末冶金材料等。
这些新型材料的应用,极大地提高了齿轮的承载能力和耐磨性。
在热处理技术和检测手段方面,国内也取得了显著进步。
通过优化热处理工艺,可以显著改善齿轮的力学性能和抗疲劳性能。
先进的无损检测技术和精密测量设备的应用,使得齿轮的质量控制更加严格和准确。
尽管国内齿轮研究取得了诸多成果,但仍存在一些亟待解决的问题。
例如,与国际先进水平相比,国内齿轮在高端应用领域仍存在一定的差距,齿轮的可靠性和寿命有待进一步提高。
采煤机牵引部总体设计一、引言采煤机是煤矿煤炭开采的重要设备,具有效率高、生产率高、节约人力、降低劳动强度等特点。
牵引部作为采煤机重要组成部件的之一,负责采煤机的行动。
本文着重探讨采煤机牵引部的设计及优化方法。
二、采煤机牵引部的组成结构采煤机牵引部主要由齿轮箱、电机、传动轴、链轮和轨道等组成。
齿轮箱:它是采煤机重要的传动装置之一,其结构一般为斜齿轮传动。
电机:一般由交流电动机和直流电动机构成,它是驱动采煤机牵引部工作的主要能量来源。
传动轴:传动采煤机牵引部的动力通过传动轴传递。
链轮:链轮组成采煤机轨迹的一部分,其直接确定采煤机的走向。
轨道:也是构成采煤机轨迹的重要组成部分,主要作用是保证采煤机在稳定的轨迹上移动。
三、采煤机牵引部设计的主要工作环节1、动力选型设计:选用合适的电机、减速机、传动轴和链轮,高效地将电能转化为机械能,保证采煤机牵引部的正常运行。
2、轨道设计:轨道要考虑采煤机的载重和工作环境的特殊条件,保证采煤机在稳定的状态下移动,并避免轨道的脱节和损坏。
3、滚动轴承选型设计:轴承的选型及其设计直接关系到采煤机牵引部的使用寿命,选用优质的滚动轴承可以显著改进采煤机牵引部的使用寿命和减少维修次数。
4、链轮设计:链轮的选型、材料、热处理、制造和装配等是影响采煤机牵引部寿命的关键因素。
5、支架设计:采煤机牵引部的支架承受着相对较大的载荷和冲击力,在设计和装配时需要保证其刚度和精度。
四、采煤机牵引部的优化方法在采煤机牵引部设计的过程中,需要根据实际情况调整和优化设计方案,具体方法包括以下几点:1、合理选型:对动力、轨道、滚动轴承、链轮和支架等要注意合理选型,保证与采煤机的匹配度及适应性。
2、材料选择:对于链轮、滚动轴承等零部件的选材,要求高强度、耐磨损、长寿命和较低的斜率摩擦系数等特殊要求。
3、技术工艺改进:当设计方案中有不足和错误的地方,需要在生产和制造的过程中进行调整和改进,确保采煤机牵引部的设计能够真正地转化为实际效益。
关于CRH5型动车组牵引传动系统常见故障分析摘要:动车组传动系统为动车组的动力传输装置,CRH5型动车组牵引传动装置区别于其他高速动车组传动系统,独具特点。
CRH5型动车组牵引传动系统由牵引电机、万向轴、齿轮箱三大部件组成。
牵引电机产生的牵引力通过万向轴及齿轮箱传导至车轮上,最终产生了牵引作用。
本文通过牵引系统常见故障的分析,研究出可行性的预防方法,可以有效地规避动车组运行风险。
关键词:动车组牵引系统故障分析一、 CRH5型动车组牵引传动装置的基本特点CRH5 型动车组每辆动车组配置两个动力转向架,其中 1,2,4,7,8 车为动车,全列共有动力转向架10个,动力转向架是由一根动轴和一根拖轴组成的两轴转向架。
动轴布置在车厢的内侧。
动轴传动系统由牵引电机、扭矩过载保护器、万向轴、车轴齿轮传动箱、轮对组成。
电机纵向布置在车体下方,并采用螺旋弹簧弹性悬挂。
齿轮传动箱通过轴承安装在动轴上,抗齿轮箱回转的反作用杆安装在齿轮箱下方,反作用杆在齿轮箱端装有橡胶弹性关节,在构架端装有球形关节。
机械传动装置仅动力转向架具备,由齿轮箱、万向轴、安全装置和电机组成,减速齿轮按安装在动力轴上通过万向轴和安全装置与电机相连,为改善转向架动力学性能,在转向架设计过程中,特别关注了质量分配的最优化以及纵向面和横向面惯性的最小化,尽可能把所有的质量都分配在二系悬挂系统上,使簧间质量达到最小化。
CRH5 型动车组将牵引电机悬挂在车体底架上,与将电机安装在构架上相比,大大降低了簧间质量,通过最小化簧间质量,可有效地改善转向架的高速直线运行性能。
电机体悬结构的设计还会提高牵引电机的可靠性和可维护性:一是打开裙板和底板可以从侧面和底下接触到牵引电机;二是每个转向架只需配备一个牵引电机;三是无需将转向架从车体上拆除就可以很容易地将牵引电机卸下,方便牵引电机的检修,减少了检修拆卸的工作量。
二、CRH5 型动车组牵引传动装置常见故障解析2.1 牵引电机常见故障2.1.1轴承故障导致电机故障电机轴承故障使电机输出扭矩与万向轴端扭矩产生较大的扭矩差,从而导致安全装置的安全卸油螺栓被剪断,但由于电机输出轴温度急剧升高导致安全装置失效,安全装置内圈与电机输出轴之间产生相对摩擦转动而使电机输出轴和安全装置内圈迅速升温,最后导致电机输出轴严重扭转变形,同时安全装置内圈因严重磨损和烧熔,使得安全装置脱离电机输出轴而与万向轴一起掉落在安全护栏上;(1)故障原因a. 轴承润滑不良b. 轴承承受外力冲击作用c. 轴承本身的结构满足不了运用要求(2)故障预防方法a.启动电机时听取电机有无异响;在电机未启动输出端自由状态下转动输出端,听取有无异音;在动车运行中监控电机上方有无震动。
齿轮传动装置的润滑和密封设计实验报告实验目的:随着铁路运输的高速化和重载化,交流传动机车的应用越来越多,国外先进国家在20世纪80年代就对交流传动机车进行研制并投入运用。
国内南车集团某机车厂研制的首台大功率交流传动机车采用了很多新技术、新设计,其中传动齿轮箱的润滑密封就采用了有别于目前国内大部分机车齿轮箱润滑密封的新技术、新设计。
实验过程:目前国内大部分机车牵引电机采用直流电机,轴承润滑采用脂润滑。
机车采用了交流牵引电机,由于高转速、重负荷等原因,润滑脂已经不能满足轴承润滑的要求,必须进行油润滑,因此齿轮箱油除保证齿轮的正常润滑外还必须保证电机轴承的润滑。
在列车以120km/h 运行时,从动齿轮齿顶圆处的线速度为26.8m/s。
在此速度下,齿轮箱中的润滑油被充分搅起,同时由于传动能量的损失引起润滑油温度的升高,箱体内部充满了润滑油的气、液混合物,使齿轮同时得到了飞溅润滑。
在箱体内部设计出简单而有效的集油、导油结构。
箱壁上的润滑油经集油槽与导油槽进入牵引电机接油斗,从而将油输送进电机进行轴承润滑。
为保证牵引电机的齿轮和轴承充分有效的润滑,保障机车的行车安全,同时满足机车绿色环保的要求,必须设计出可靠的密封结构。
机车传动齿轮箱的密封接口见密封接口1、2是安装固定面,无相对运动,是静密封,直接采用简单可靠的0型密封圈密封。
密封接口3处存在着从动齿轮与箱体的相对运动,是动密封。
较早的国外机车以及国内大部分机车此处的密封多采用的迷宫密封与接触(毛毡)密封共存的密封结构。
对于速度较低的机车,用此结构能够在一定时间内有较好的密封效果,但随着毛毡的磨损,以及间隙迷宫的粗犷,齿轮箱内润滑油会逐渐向外泄漏并且量越来越大,严重影响到牵引齿轮的寿命、传动的可靠性和行车安全,造成铁路沿线的环境污染,因此齿轮箱需及时更换毛毡,如此反复,给检修带来了不便。
机车在以120km/h的速度运行时,传动齿轮箱密封接口3处的线速度为10.4m/s,在此线速度下,毛毡很快被磨损,密封结构对于交流传动机车传动齿轮箱难以达到理想的密封效果。
电力牵引传动控制系统:核心技术与应用优势一、电力牵引传动控制系统概述电力牵引传动控制系统,作为现代轨道交通领域的关键技术,以其高效、环保、低噪音等优势,逐渐成为我国铁路、城市轨道交通等领域的主流驱动方式。
该系统主要包括电力变换、电机控制、传动装置及监控系统等部分,通过先进的控制策略,实现列车牵引与制动的高效运行。
二、电力牵引传动控制系统的核心技术1. 电力变换技术电力变换技术是电力牵引传动控制系统的核心,主要包括整流、逆变和滤波等环节。
通过对输入的电能进行高效转换,为电机提供稳定、可靠的电源供应,确保列车在各种工况下都能实现优异的牵引性能。
2. 电机控制技术电机控制技术主要针对牵引电机进行精确控制,包括速度、转矩和位置控制等。
采用矢量控制、直接转矩控制等先进控制策略,实现电机的高效、稳定运行,降低能耗,提高列车运行品质。
3. 传动装置技术传动装置技术主要包括齿轮箱、联轴器等部件,将电机输出的动力传递到车轮,实现列车的牵引和制动。
通过优化传动装置的设计,降低噪音、提高传动效率,确保列车运行的安全性和舒适性。
4. 监控系统技术监控系统技术负责对整个电力牵引传动控制系统进行实时监控,包括故障诊断、保护、数据处理等功能。
通过集成化、智能化的监控手段,提高系统的可靠性和运行稳定性。
三、电力牵引传动控制系统的应用优势1. 节能环保电力牵引传动控制系统采用电能作为动力来源,相较于传统燃油驱动方式,具有显著的节能环保优势。
同时,系统的高效运行有助于降低能源消耗,减少污染物排放。
2. 运行速度快电力牵引传动控制系统具有较高的功率密度,能够实现列车的快速启动、加速和制动,提高运行速度,缩短运行时间。
3. 维护成本低相较于传统传动系统,电力牵引传动控制系统结构简单,故障率低,维护方便。
通过智能化监控手段,可实现故障预警和远程诊断,降低维护成本。
4. 噪音低、舒适性高电力牵引传动控制系统采用交流电机驱动,相较于直流电机,噪音更低,振动更小,提高了乘客的舒适度。
动车组牵引传动系统的构成与工作原理动车组牵引传动系统的构成与工作原理1. 引言动车组是现代高速铁路的重要组成部分,而牵引传动系统则是动车组的核心部件。
牵引传动系统能够提供动力,并将其传递到车轮上,使列车得以正常运行。
本文将深入探讨动车组牵引传动系统的构成与工作原理,以便更全面地理解其在高速铁路运输中的重要作用。
2. 构成动车组牵引传动系统由多个关键部件组成,包括牵引逆变器、牵引变压器、牵引电机、传动装置等。
2.1 牵引逆变器牵引逆变器是动车组牵引系统的核心组件之一,它负责将来自供电系统的直流电转换成交流电,为牵引电机提供供电。
牵引逆变器能够根据列车的运行状态和要求来调整输出电压和频率,以实现精确的牵引力控制。
2.2 牵引变压器牵引变压器通常位于牵引逆变器和牵引电机之间,其主要作用是将牵引逆变器输出的交流电转换成适合牵引电机使用的电压。
通过牵引变压器的变换,牵引电机可以得到稳定和可控的电压供应,从而实现牵引力的精确控制。
2.3 牵引电机牵引电机是动车组牵引传动系统的关键部件,负责将电能转换为机械能,驱动车轮的转动。
牵引电机通常采用交流电机,其结构紧凑、效率高,并具有良好的低速和高速特性。
牵引电机的输出扭矩和转速能够根据车速和牵引力需求进行精确的调节。
2.4 传动装置传动装置是将牵引电机的转动传递到车轮上的重要组件,其主要有轴、轴承、减速器等部件组成。
传动装置的设计旨在减小能量损失和噪音产生,并提高动车组的牵引性能和行驶平稳性。
3. 工作原理动车组牵引传动系统的工作原理可以简单地概括为:通过供电系统向牵引逆变器提供直流电源,牵引逆变器将直流电转换成交流电,输出给牵引变压器;牵引变压器将交流电转换成适合牵引电机使用的电压;牵引电机将电能转换为机械能,并通过传动装置将转动传递到车轮上,从而推动列车运行。
具体来说,牵引逆变器能够根据列车的速度以及牵引力需求对输出电压和频率进行调节。
在加速过程中,牵引逆变器提供较高的电压和频率,以提供足够的牵引力;而在减速和制动过程中,牵引逆变器通过降低电压和频率来控制牵引力的减小。
牵引传动技术课程心得体会在现代机械制造产业中,牵引传动技术是一项非常重要的技术。
在这项技术中,涉及到大量的机械传动原理、齿轮传动、带传动、链传动等方面的知识。
在我学习牵引传动技术课程期间,自己也有了一些心得和感悟。
首先,在学习牵引传动技术的过程中,需要认真学习机械传动的原理和方法。
在关于机械传动的知识中,先要掌握一些基本的原理,比如张力、速度比、功率等。
这些原理需要结合具体的案例进行理解,比如,在设计传动系统时需要考虑两个传动点间的张力平衡,输入和输出轴的速度比和功率匹配等。
此外,在学习的过程中还要了解齿轮传动、带传动和链传动这三种机械传动方式。
因为在不同的设备和场合中,选用适当的传动方式可以提高效率和安全性。
其次,学习牵引传动技术需要比较多的计算和运算知识。
在传动设计的过程中,需要用到相应的计算公式和数据。
比如,齿轮传动涉及的参数有模数、齿数、压力角等,需要进行计算并根据结构要求进行选择。
而带传动则需要考虑带迹长度、张力、带宽等参数,进行结构设计。
除此之外,运算的过程中需要保证精准度和准确性,因此计算的过程要认真严谨。
第三,掌握传动设计的流程和方法。
在传动设计的过程中,需要进行以下几步:确定传动类型、选择传动方式、计算传动比、选择传动部件和组装。
在这些步骤中,需要想到管理的角度,进行计划和安排。
此外,在选择传动部件时需要注意部件的质量和精度,以保证传动的效果和寿命。
最后,需要学习传动技术的实践操作。
在实践中可以更好的了解机械传动原理和系统实际的效果。
在实践操作中,需要注意传动系统的运行状态和参数,从而判断其效果和安全性。
当遇到问题需要及时调整和解决问题,从而提高传动效率和安全性,减少故障率,延长使用寿命。
总结来说,学习牵引传动技术课程主要是要掌握传动原理、计算方法和传动设计流程。
在这些方面需要注重理论学习,也要有一定的实践经验。
只有不断提升自己的技术水平,才能在现代机械制造产业中有更好的发展前途。