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摘 要: 介绍了 CRH3A 型动车组齿轮箱的技术参数及其关键技术， 并说明了其结构特点、工作原理及型式试验情况等。试验结果表明，齿轮箱运行平稳、润滑良好、密封可靠、各性能指标符合设计要求，能够满足CRH3A 型动车组的使用要求。 关键词: 动车组; 齿轮箱; 结构设计; 仿真计算 CRH3A 型动车组基于我国线路条件研制，不仅核心部件和制造技术自主化，还充分考虑了中国复杂的地理气候条件和运营环境，具有安全可靠、高智能化、易于维护、节能环保、 经济实用等特点。CRH3A 型动车组是目前国内唯一既适合时速 200km 至 250 km 客运专线，又适合时速 160 km 至 250km 城际铁路的动车组。 齿轮箱是动车组运行的关键部件之一， 其可靠性直接影响动车组的运行安全。本项目通过对齿轮箱的技术参数、 结构特点、 关键技术研究、 结构设计、计算分析以及型式试验， 研制出 CRH3A 型动车组齿轮箱。 一、主要技术参数 齿轮箱的主要技术参数如下: 静态轴重，17 000kg; 齿轮传动比，3.682; 齿轮中心距，380 mm; 最大运营速度，250 km/h; 电机功率( 持续) ，352 kW; 电机功率( 电制动) ， 418 kW; 牵引电机额定转速为3 572 r/min。 二、结构特点 根据 TJ/CL 277—2014《动车组齿轮箱组成暂行技术条件》，齿轮箱采用轴悬方式， 从动齿轮安装在车轴上，输入齿轮轴通过齿式联轴节与电机输出轴连接，传递扭矩，驱动轮对。 齿轮箱采用一级圆柱斜齿轮传动;悬挂方式采用 C 型支架和叠层橡胶弹簧弹性悬挂， 缓解构架和齿轮箱之间的振动; 箱体采用高强度铝合金铸造; 输出轴采用单列圆锥滚子轴承， X 型方式排布; 输入端轴承采用 NU + QJ + NU 排布; 采用飞溅式润滑方式和非接触迷宫密封方式。 齿轮箱外形如图 1 所示。 三、关键技术 1、齿轮副设计 由于牵引电机高转速、 高扭矩的要求，传动齿轮需承受较大的启动扭矩， 同时考虑低温冲击性能要求，结合国外机车及高速动车组齿轮箱牵引齿轮的设计经验，最终采用渗碳淬火钢 18CrNiMo7－6及喷丸强化工艺。 经过计算分析，确定齿轮技术参数如下。 模数: 7 齿数: 22 /81 法向压力角: 20° 螺旋角: 18° 齿顶高系数: 1 顶系系数: 0． 45 精度等级: 5 ISO1328 法向变位系数: 0.3172/－0.1807 运用 MASTA 软件，对齿轮的传动质量、强度、胶合承载能力等进行仿真计算，齿轮传动质量的计算结果如下: 端面重合度，1.46; 轴向重合度，0.86;总重合度，2.32; 滑动系数，1.01 (小齿轮)、1.03(大齿轮) 。齿轮承载能力的计算结果如表 1 所示。为提高齿轮啮合的平稳性，降低啮合噪声，改善齿面接触情况，提高齿轮齿面承载能力和疲劳寿命，对主动齿轮和从动齿轮进行了齿廓和齿向修形。 2、箱体结构设计 动车组高速、 高强度运行，要求齿轮箱的设计高强度、轻量化，箱体采用高强度铸造铝合金材料， 满足动车组运行要求［1］。齿轮箱箱体由上箱体和下箱体组成( 见图 2)。分箱面角度为一、三象限45°，输入轴轴承座整体设计在上箱体， 提高其加工精度和整体的刚度， 上箱体通过叠层橡胶弹簧与C型支架相连。箱体上部设有观察孔， 便于观察齿轮啮合情况，在箱体最低处设有排油孔，便于箱体内润滑油的排出。箱体外壁两侧设计有对称加强筋， 提高结构的强度和刚度，同时也增大散热面积; 箱体内部设有集油槽和润滑通道，确保齿轮箱系统的良好润滑。 运用 ANSYS 有限元计算分析软件，对箱体进行静强度、 疲劳强度和模态计算分析，优化结构设计，从理论上改善箱体承载力的分布， 确保箱体结构设计合理。静强度计算是在电机短路扭矩和最大冲击载荷作用下，箱体的最大应力值为 107.6 Mpa，小于材料的屈服极限 190 MPa; 疲劳强度是在电机启动扭矩和疲劳冲击载荷作用下，箱体的最大应力为30.3 MPa，小于材料的疲劳极限80 MPa; 模态计算箱体的固有频率， 避免与线路激扰频率接近而引起共振，1阶自由模态频率为 619Hz，远大于最大输入转动频率，远小于最小啮合频率为2157 Hz。 3、润滑和密封结构设计 齿轮箱采用飞溅式润滑，在箱体底部设置油池，用隔墙将油隔成3个油池，之间用连通孔连通，两侧为回油油池，中间为润滑油池，利用浸入润滑油池液面的轮齿在旋转过程中将油液甩起，甩起的油液一方面润滑啮合的两齿轮，另一方面飞溅到箱体内的集油槽中，油液顺着集油槽流入油腔中润滑轴承，之后润滑油通过回油孔回到油箱底部重复使用。 齿轮箱的密封应能在保证齿轮、轴承正常润滑的情况下阻止润滑油的泄漏；防止外部水、粉尘、砂粒等进入齿轮箱。 密封结构分为两种，一种为平面静密封，一种为非接触式三腔迷宫动密封。合箱面、轴承座、 端盖以及观察窗等与箱体结合处均采用涂平面密封胶的方式密封。主动齿轮轴和车轴贯通部位采用非接触式三腔迷宫密封，同时在接触缝隙处增加小凹槽进一步加强密封效果，其原理是将密封结构分为油腔、回油腔和集水腔( 隔离腔) 3 个腔， 油腔主要用于收集润滑轴承的润滑油并及时返回油箱; 回油腔用于收集从油腔泄漏的润滑油， 通过回油槽和回油孔返回油箱; 集水腔用于收集并排出水和灰尘，防止其通过回油腔进入齿轮箱内部。其特点是无磨损、发热量低、低能量损耗、长寿命、免维护、功能不受旋转方向影响。对动密封方案进行仿真分析，计算结果认为，该结构压力出口处均无润滑油流出，密封效果较好。 密封结构及仿真结果如图3、图4所示。 4 悬挂装置设计 齿轮箱悬挂装置采用 C 型支架及叠层橡胶弹簧减振方式( 见图 5) 。齿轮箱通过 C 型支架安装在转向架构架上，该结构尽可能地减小了联轴节与电机轴之间的相对位移量，从而保证扭矩的有效传输。叠层橡胶弹簧可以减少冲击，其预压行程为6mm，工作行程为4～5 mm，垂向刚度取5.3× ( 1±15% )kN /mm，横向刚度为 245 N /mm， 电绝缘性能应满足DC50 V 恒压电源测试条件下，电阻值不小于40MΩ，使用寿命6年或480万km。叠层橡胶弹簧与压板之间设有调整垫片，用来调节安装高度。 依据C型支架接口尺寸，对C型支架结构及材料选择设计多种方案， 对其质量和最大应力进行分析对比，最终选择既有3型车用支架， 材料为30CrNiMo8 锻造。 C 型支架作为关键承载部件，既连接转向架构架，又连接齿轮传动系统， 根据受力分析，对C型支架进行静强度及疲劳强度有限元计算分析。静强度计算是在电机短路扭矩和最大冲击载荷作用下，C型支架的最大应力值为 329.49Mpa，小于材料的屈服极限 666MPa(见图6) ; 疲劳强度是在电机启动扭矩和疲劳冲击载荷作用下， C 型支架的最大应力为70.20 MPa，小于材料的疲劳极限333MPa(见图7)。计算结果表明，C 型支架有足够的安全裕度。 四、型式试验 为保证动车组的运行安全， 对研制的齿轮箱进行了型式试验。试验项点包括: 例行试验、 低温启动试验、高温试验、倾斜试验、加载试验、噪声测试、振动测试、箱体和C型支架静强度试验、 箱体模态试验等。 试验结果表明: 箱体和 C 型支架强度满足使用要求，且与理论计算值相符; 润滑密封性能可靠; 齿轮箱在－40℃时能够正常启动，在低温环境下能够正常使用; 齿轮箱在加载情况下，工作正常，箱体热平衡最高温度为 83.3℃，齿轮箱散热性能良好。 试验结果满足试验大纲及相关标准要求，且在整个试验过程中，未出现齿轮箱渗油、漏油的现象，各项指标表现良好。 中车北京南口机械有限公司 王丽平 硕士研究生学历，工程师，从事轨道齿轮箱结构设计工作。
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