高速动车组齿轮箱故障分析及疲劳强度研究

1.齿轮箱箱体内部异物[4]

1）A型齿轮箱内部异物案例分析

（1）某型高速动车组齿轮箱在更换润滑油时，发现齿轮箱油位观察孔位置附着白色颗粒物质，经现场确认为组装过程中白色泡沫保护挡板脱落的颗粒。

（2）某型高速动车组齿轮箱在库内做二级修，排油过程中发现有铁丝状金属异物。案例如图1-2所示。

图1-2　A型齿轮箱内部异物

2）B型齿轮箱内部异物案例分析

（1）某型高速列车齿轮箱温升异常故障：动车组限速140km/h，报警温度160°C，齿轮箱分解后发现大量铝屑。

（2）某型高速列车齿轮箱在日检时防水挡圈脱出，齿轮箱分解后发现纸片。

（3）某型高速列车齿轮箱温升异常故障：动车组限速140km/h，报警温度146°C，齿轮箱分解后发现铝片。案例如图1-3所示。

图1-3　B型齿轮箱内部异物

3）齿轮箱内部异物影响

齿轮箱内部异物对润滑油的品质会造成极坏的影响，同时会造成齿轮箱润滑油路流通不畅，严重时可能导致油路阻塞，使得轴承因润滑不充分发生热轴报警故障。此外，齿轮箱内部存在的金属异物会加速齿轮箱旋转件磨损，导致轴承损坏，性能失效。

2.齿轮箱润滑油变黑

1）润滑油变黑案例分析

图1-4　齿轮箱润滑油发黑

导致润滑油变黑的根本原因是齿轮箱润滑油产生氧化反应。A、B两种型号齿轮箱润滑油变黑现象如图1-4所示。此外，根据对齿轮箱润 滑油异常油样的检测发现：齿轮箱内发黑的润滑油中铁含量基本偏高。这表明齿轮箱内部存在异常磨损。同时对润滑油发黑的齿轮箱进行分解检查，发现齿轮箱内确实存在异常磨损现象。

2）润滑油发黑原因简析[4]

（1）在对A型润滑油发黑的齿轮箱分解检查中，发现数起FAG圆锥滚子轴承保持架偏磨故障。(www.xing528.com)

（2）在对B型润滑油发黑的齿轮箱分解检查中，发现多起圆锥滚子轴承内圈与车轴松脱打滑，故障特征如图1-5所示。

图1-5　滚动轴承故障

对润滑油发黑的齿轮箱分解检查后得到如下信息：

（1）根据润滑油检测结果，润滑油发黑与Fe含量有显著的关联性。

（2）A型齿轮箱润滑油发黑且Fe含量超过350×10-6，轴承保持架存在偏磨故障。

（3）B型齿轮箱润滑油发黑且Fe含量超过200×10-6，部分轴承存在问题。

3.B型齿轮箱箱体强度问题

针对齿轮箱出现裂纹导致漏油的情况进行调研统计分析，发现只有B型齿轮箱箱体存在裂纹故障;对所有齿轮箱裂纹部位检查后发现，裂纹均发生在齿轮箱箱体的上部齿面观察孔和下部油位观察孔周围。

对裂纹位置统计得出，52%的裂纹出现在齿轮箱的上箱体，48%的裂纹出现在齿轮箱的下箱体，如图1-6所示。

图1-6　高速动车某齿轮箱箱体裂纹位置

齿轮箱箱体产生裂纹原因分析：

基于齿轮箱箱体的模态计算和线路试验测试结果，发现B型齿轮箱箱体存在以下现象：①B型原结构齿轮箱存在580Hz模态主频，与线路激扰主频580Hz吻合，导致列车运营时出现箱体局部共振现象；②B型原结构齿轮箱箱体的铸造及机加工质量存在缺陷；③B型原结构箱体最薄处的厚度仅为9mm，而A型箱体最薄处的厚度为12mm，箱体厚度对其强度的影响很大；④对B型原结构齿轮箱箱体材料及断口进行测试，结果表明：断面上存在可见气孔。通过宏观观察，齿轮箱裂纹起源于箱体的内表面，裂纹以疲劳方式扩展直至开裂。试验分析如图1-7所示。

图1-7　齿轮箱箱体开裂微观分析

高速列车齿轮箱箱体出现裂纹，在国外也有案例：日本新干线高速列车齿轮箱出现过箱体断裂，导致齿润滑油全部漏光并露出大部分齿轮的重大事故，如图1-8所示。目前我国高速动车组的运营速度已经达到350km/h，随着更高速动车组技术的发展，其后期运营速度的不断提升，动车组各个部位的服役环境将会更加复杂，齿轮箱箱体的工作环境也将变得更加恶劣，高速动车齿轮箱箱体将会面临安全运营上的严峻挑战。

图1-8　日本新干线某高速列车齿轮箱开裂故障

目前国内对于高速动车组齿轮箱箱体出现裂纹导致其失效的原因尚处初期研究阶段，对于齿轮箱箱体在实际服役线路中的动态振动行为特性及动应力对其造成的损伤鲜有系统性的研究报道。本书在对某型高速动车组齿轮箱箱体裂纹等故障系统调研的基础上，基于线路试验、台架试验、刚柔耦合动力学仿真计算及有限元分析法，深入重点开展齿轮箱箱体在高速动车组整车振动环境下的动态振动特性及其疲劳失效研究。