SS7 型电力机车

311-1 班 陈航宇

• 划解法，采用子结构技术，建立电力机车传动齿轮系统的三维有摩擦接触分析有限元模型，对包括主、从动齿轮和轴在内的整体模型进行计算，定量分析了影响强度的几个因素。

• 齿轮分析模型必须满足 3 个要求：• (1) 三维而且具有相当的规模，应能体现齿廓曲线等对强

度的影响； (2) 啮合部位用三维摩擦接触模型模拟；• (3) 支撑系统的情况也要包括在模型中使之能够反映受力

后变形对啮合状态的影响程度。用现代计算力学进行齿轮传动系统三维接触强度分析是齿轮分析的新方法，能使传统计算方法难以定量的因素在计算模型中具体确定，从而提高计算精度

• 图 1 　 SS7 传动齿轮系统简图 • 参　数 主动轮 从动轮• 模数 13 13• 齿数 / 个 20 72• 顶隙系数 0.4 0.4• 齿顶系数 1.0 1.0• 齿形角 /(°) 22.5 22.5• 材料 20Cr2Ni4 15CrNi6

• 　结构模型 • 　计算模型采用三维整体结构，啮合区网格加密，使之能够体现齿形

对强度的影响。非啮合区网格可疏一些，能够起到弹性体传递载荷的作用就行。部分子结构网格图如图 2 所示。　　采用子结构技术可以使总刚度矩阵阶次大幅度下降，特别是对齿轮这类结构，每个齿都完全相同，用子结构技术来计算有很大的优势，而且只要生成基本部分(1 个或数个齿 ) ，整体模型通过对基本部分调用就可完成。本次计算共有 7 个基本子结构模式，整体模型 ( 不包括轴 ) 如图 3 所示。　　另外，主、从动轮作为接触的两个物体，啮合部位按有摩擦接触模型处理。严格地讲，对每个齿轮来说从开始齿顶的接触到最后从齿根脱开这一过程中，每个不同瞬间由于齿轮旋转接触部位不同应力分布也不同。为了了解轮齿受力全过程，我们取 3 个相邻齿作为啮合部考察对象，分别计为齿 1 、齿 2 、齿 3( 见图 5) 。以齿 2 为主，取其开始啮合到脱开这一过程的 5 个瞬时 ( 以下分别记为瞬时 1 ～瞬时 5 ，其中瞬时 3 为单齿啮合 ) 为计算工况，分析接触力、齿根应力以及偏载和齿间力的分布

• 载荷模型• 　需要说明的是，本次计算的目的是探讨

计算方法，模型虽然根据 SS7 型电力机车齿轮结构建立，但没有考虑齿轮变位和动载等的影响，读者参考本文提供结果数据时应充分注意。计算载荷为机车启动时的力矩 M=0.0485×107 N.mm 作用在主动轮电机轴上

• 滚刀法向齿形滚切齿轮参数• （ 1）齿轮滚刀的长度由切削部分长度和轴台长度 2 部分组成。齿轮滚刀的切削部分长度包括：包络出两侧完整齿形所需的长度、切除齿槽中的金属所需的长度、两端的边牙长度以及轴向窜刀长度。滚刀的轴台是用来检验滚刀安装是否准确的基准。

• 　　包络出两侧完整齿形所需的长度 Lm=tgBb0（ r2a0-r20cos2at-r0sinat）式中： Bb0 滚刀渐开线基本蜗杆的基圆螺旋角； At 滚刀渐开线基本蜗杆的端面压力角； ra0 滚刀外径； r0 滚刀分圆直径。 o切除齿轮齿槽中的金属所需的滚刀长度 Lc=（ 2ra-h） hcosW 式中： ra被加工齿轮的顶圆半径； h被加工齿轮的全齿高； W 滚刀轴线对齿轮端面的倾斜角。

• （ 2）滚刀法向齿形滚切齿轮参数主动从动齿数 13100 模数 6压力角 /（ b） 20螺旋角（ b） 20 顶隙系数 0.250.25 结构参数滚刀外径选为 160mm. 根据实际机床情况，主动齿轮滚刀内径选为 40mm ，从动齿轮滚刀内径选为 50mm.

• （ 3）容屑槽数滚刀的容屑槽数关系到滚切每个齿槽时参加切削的刀齿数。容屑槽数增加，参加切削的刀齿数增加，单个刀齿的负荷减小，切削过程平稳。但增加容屑槽数，又减小了滚刀的可重磨次数。地铁滚刀选用容屑槽数为 10

• 啮合过程应力• 图 6(a) ～ (e)给出齿 2( 从动轮 ) 由开始顶部啮合 (此时齿 3 在根部啮

合 )逐渐下移到根部 ( 齿 3 脱开，齿 1 顶部啮合 ) 的全过程 5 个瞬间啮合处同一剖面主应力 ( 最大压应力 ) 等值线图 (剖面取受力较大一侧距齿宽中心 50 mm ，实线为齿轮轮廓线，虚线为应力等值线，虚线对应的数字是应力等级，相应的应力大小如表 2 所示 ) 。　　啮合瞬时 1 如图 6(a) 所示：齿 2 进入啮合，齿 3尚未脱离，剖面接触点最大应力 210 MPa ，齿根最大拉应力 150 MPa ，最大压应力 150 MPa( 为方便比较，这里给出的应力为该剖面上最大应力，以下各图都是如此，不再说明 ) ，齿 2承受总传递功率的 54% ，齿 3承受总传递功率的 46% 。　　啮合瞬时 2 如图 6(b) 所示：齿 2 啮合在节圆上部，齿 3 在齿根部，接触点最大应力 280 MPa ，齿根最大拉应力 210 MPa ，最大压应力 120 MPa ，齿 2承受总传递功率的 80% ，齿 3承受总传递功率的 20%

• 凸台参数• （ 1）凸角角度 H凸角角度，凸角过大时会使刀

顶圆角 r1 及凸角量 H 变小，设计时应根据凸角部其他参数的匹配关系选择 H值。

• （ 2）凸角量 H凸角量根据轮齿的单边磨削余量及附加挖入量确定，某地铁主动齿轮磨削余量为0.25mm左右， H 确定为 0.3mm ，从动齿轮单边磨削余量为 0.25mm左右， H 确定为 0.4mm.

• （ 3）齿顶圆角半径 r1 齿顶圆角应尽可能大，对提高齿根弯曲强度有利， r1 的最大值受刀顶圆角圆心至刀齿对称中线 E 的限制

• 应力等级 1 2 3 4 5 6 7• (a) 应力 /10 MPa -21 -18 -15 -12 -9 -6

-3• (b) 应力 /10 MPa -28 -24 -20 -16 -12 -8

-4• (c) 应力 /10 MPa -33 -28 -23 -18 -13 -8

-3• (d) 应力 /10 MPa -21 -18 -15 -12 -9 -6

-3• (e) 应力 /10 MPa -24 -21 -18 -15 -12 -9

-6

• 不同模型比较• 内　　容 刚性支撑计算值 实际结构计算值 传

统方法计算值• 接触正压力合力 /kN 96.36 93.83 83.34• 接触力齿向偏差 /% +20.1 +51.2• 　• 接触力齿向偏差 /% -14.7 -48.8• 　• 接触点应力 /MPa -144.8 -370.0• 　• 齿根拉应力 /MPa 109.9 169.8 118.9• 齿根压应力 /MPa -123.8 -170.0 -111.3

• 　结论• 　用现代计算力学的方法做齿轮系统强度计算分析，可以省去文献［ 1］所给出各种应力公式 10 个系数中的 8 个 (Kβ ， Zm ， Zu ， Ze ， Zh ， Y ， Yc ， Ycs) ，这 8 个系数考虑的是齿形、材料、啮合情况和弹性变形对强度的影响。剩下 2 个是考虑工作环境和动荷影响的 Ku 和 Kv 。本文模型中已包含这些内容，而且针对各具体实际结构做了定量描述，计算结果也包括这些因素的影响。后 2 个系数确切讲应属随机的量，这里仍然采用，把动问题作为静问题对待。总之，整体接触分析，优点是明显的。　　 (1) 有限元接触分析计算可以比较准确地分析啮合齿轮强度，将众多的影响因素定量确定在同一模型中，反映实际情况。可以解决机车齿轮这类传递大功率的齿轮系统分析计算。　　 (2) 可以真实确定啮合面形状大小和接触力的分布，并计入修形、变位等实际设计参数的影响。　　 (3) 扭矩加在轴上，准确反映啮合齿受载。　　 (4) 可以按转角计算从一对齿啮合到下一对齿啮合过程中任意瞬时的齿轮强度。　 (5) 可以计算如变速箱那样的由多对齿轮副组成的传动系统。　　 (6) 同样的方法可用于其他机械齿轮系统以及其他种类传动系统如

• 承载力• 考虑到特殊情况 ,小车的承载力必须按 25ｔ来进行设计 ,既要重量轻、便于搬动拆装 ,又必须满足隧道限界要求。为此 , 构架和滚动轮的设计是关键。

• 构架设计• 列车转向架轮对的固定轴距为 2500ｍｍ ,

但由于受单元制动器安装位置和Ａ车的ＡＴＣ线圈安装支架的影响 ,经对几种车型转向架轮对几何尺寸的实测 ,救援运载小车的构架最小长度不能小于 1100ｍｍ , 构架长度确定在 1360ｍｍ最为合适 ; 轮对内侧与电机传动齿轮箱侧壁距最小为 25ｍｍ , 构架内侧板厚度则宜为 20ｍｍ。

• 构架支撑板材质的选用• 救援运载小车的构架单件重量控制在 15ｋｇ左右。经反复比较 , 支撑板材质选用钛合金板材 , 这样既能满足构架轻量化要求 ,又有足够的强度和刚度。

• 材料热处理• 对小车轮轴的热处理裂纹、支撑板的弯曲

和扭曲、小车车轮踏面裂纹等问题 , 可通过改变热处理方案和加工方法来满足其技术要求。 由于小车构架的钛合金支撑板长达1.4ｍ ,厚度才 2ｃｍ , 在加工时板的弯曲、扭曲很大 ,致使成品合格率很低。为此 ,经过几个月的反复试验 ,才确定了最佳热处理方案 , 使支撑板达到技术要求。

• 滚动轮设计• 1) 滚动轮直径确定 地铁列车转向架最低点 ( 齿轮箱 )离钢轨顶面最小距离为 60ｍｍ , 加上托轮高度 (50ｍｍ +10ｍｍ ) 的限制 , 滚动轮外直径不能大于 240ｍｍ ;扣除轮缘高度 28ｍｍ , 确定滚动轮踏面直径应为 180ｍｍ。

• 2) 滚动轮踏面的接触应力计算 因滚动轮承重量大、几何尺寸受限制 , 在计算出滚动轮踏面的接触应力后再确定其材质、结构、热处理方案等。其踏面的接触应力为 :

• 式中 :Ｐｊ为滚动轮计算承重量 ,Ｐｊ =ＫＣ ×ＰＸ , 其中ＫＣ为冲击系数 ( 取 1.3),ＰＸ为每个滚动轮平均静态承重量 ;ｂ为滚动轮与轨道的接触宽度 ;Ｄ为滚动轮直径(18ｃｍ ) 。经计算 , 滚动轮踏面的平均静态计算接触应力为 3360ＭＰａ 3) 滚动轮轮形的确定

• 3) 滚动轮轮形的确定• 由于滚动轮直径小、受力大 , 采用标准踏面会在曲线区段发生轮缘与

外轨侧面的剧烈磨擦 , 形成滚动轮踏面和轮缘的严重磨耗 , 因此不能采用铁路标准的锥形踏面轮形。所以 ,将踏面设计成磨耗形 ,既科学也合理。磨耗形踏面可在同样的接触应力下 ,减缓踏面的磨耗及剥离 ,容许更高的轴重。滚动轮在运行时承受的横向冲击力 , 可以采用特种轴承和润滑脂解决。 等效斜度是轮轨几何关系和设计磨耗形踏面车轮的一个重要参数。斜度为 1 20∶ 的锥形踏面 ,它的踏面斜度是个常数 ,与钢轨顶面形状、轨底坡和轨距等的大小无关。磨耗形踏面车轮的等效斜度为 :

• 式中 :ｒ 0,ｒｉ分别为较大的和较小的车轮滚动圆半径 ;ｙ为轮对偏离线路中心线的位移。 实际上 ,Ｊ是轮对每单位横向位移时左、右两滚动圆半径差的一半。Ｊ是指轮对处于平衡位置附近 (约 2 ～ 3ｍｍ ) 时的数值 ,并以常数表示。当轮对相对于轨道作较大的横向位移时 ( 如在小半径曲线上 ), 等效斜度是个变量 , 或以非线性等效斜度特性来表示。设 Δｒ =(ｒ 0-ｒｉ )/2,则Ｊ =Δｒ /ｙ =ｆ (ｙ ) 。

• 表 1 铝合金铸造齿轮箱存在的同题与对策• 问 题 对 燕• r悬挂座安尘系数小 破损 采用高强度设计 (增加悬挂座璧覃 )• 对 燕• 容许应力小 螺垃屈服 螺纹牙破损 采用镶套螺鼓 (Insert螺纹 )• 问题• L抗飞散物冲击强度低 破损 采用日形庳壁结构• 对 燕• 杨匠模量低 {耋 小 接 ： ． 采用高日 U 性设计• 问 题 • F低温时轴承间隙减少 轴承饶损 提高轴承润滑性能 (改进培油方式 )• 对 燕• 热变形大 高握时轴晕间隙增大 轴承保持架损伤 控制热

• 驱动装置的构造• 齿轮箱为铸钢制造的整体式结构，在齿轮• 箱内部目绕着大齿轮安装有润滑油导槽。通过• 大齿轮的旋转，把齿轮箱内的润糈油带入齿轮• 箱上部的贮油器。在各轴承上均设有润滑油道。• 齿轮箱悬挂装置采用垂直悬吊方式。转向• 架构架与齿轮箱通过缓冲橡胶连接。另外，在齿• 轮装置侧面设有接地装置，该装置与齿轮箱绝• 缘安装。• 此外，还采用了通过弹簧压力将碳刷压靠• 在与车轴配合安装的滑环上的结构。

• (1) 齿轮箱• 在箱体材质方面，不再采用在 0 系列、 i00• 系列和 200 系列动车上使用的铸钢齿轮箱，而采• 用汽车变速箱和差动齿轮箱等所使用的铝合金• 铸件。另外，在结构上也取消了焊接在原齿轮• 实现这些对策是花费了很多时间的。• 例如，考虑到动车运行中粘附在地板下的• 雪块落下导致卷上道碴而猛烈撞击齿轮箱，进• 行了在 200~300km／ h速度下以道碴实物撞击• 齿轮箱的试验。• 通过上述改进，包括上盖在内， 300 系列动• 车的铝合金铸件齿轮箱体与 200 系列动车的铸• 钢箱体相比，重量减轻了 12,0kg 。• 200 系列新干线动车和 300 系列新干线动车• 用齿轮装置的外观，有着明显的不同。另外，作• 为参考。表 2列出了东日本铁路公司开发铝合金• 铸造齿轮箱体及齿轮装置的经过。• (2) 大齿轮• 大齿轮是驱动装置最重要的部

• (2) 大齿轮• 大齿轮是驱动装置最重要的部件之一，对• 其实施减重时要慎重处理。在材质方面，要求在• 确保必要强度的同时又具有较好减重效果的材• 料，实际上是没有的。• 因此，以现车试验数据为基础，重新进行了• 齿轮强度设计。通过重新研究齿轮与车轴压配• 合部分的形状等措施来实现齿轮形状的优化，• 虽然与 200 系列动车的大齿轮相比，其减重有困• 难，但新型齿轮还是减轻了 24kg

• (3) 车轮与车轴• 就车轮而亩，麓着其直径的减小，旋削余

量• 也减少。车轴采用对强度影响不大的中心

都经加工的空心车轴。

• 表 2 铝台金翻齿轮箱厦齿轮装 t 的开发经过• 齿轮箱形状 l 现车运行 l 开发时间• 带油兜的水平分箱形 1984年 3月• (曩有线路用 )• 带油麓的整体形 270km ， h试验 1985年 l0月• 带油兜的水平分箱形 1985年 l1月• 下部膏面囊育开口的油 210km ， h试验 1988年 9月• 兜• 带形状记忆台盘棚造的• 自动油量弭节装置‘一 1886年 12月• 度• 带形状记忆台叠制造的• 自动曲量调节装置 (二 1987阜 2月• 攻 )• 3 轴承式 (原有线路甩 ) 1987年 9月• 小尺寸轻型的永平分箱 1988年 3月

• 轻型化与开发技术的动向• (1)关于齿轮箱• 要开发出具有很高机械性能• 的材料，这种材料要求非常轻且• 具有减振特性• (2)关于齿轮• 要开发出高强度材料的齿形• 和加工方法。关于加工方法，作者• 认为老而新型的。喷丸硬化加工”• 是一种有发展前途的加工方法。• 最近，通过加强质量管理，喷丸加• 工作业的可靠性有了显著提高，• 因此，是否可以采用这种工艺，是• 一个很值得研究的问题。

• (5)关于密封方式• 小齿轮轴与车轴贯通部的密• 封以迷宫式密封为主流，但是，由• 于齿轮装置的小形化和转速的提高，使齿轮箱• 内的压力上升，实际上存在着空稿 c 的迷宫式结• 构因而难以防止漏油。最近，已出现了在圆周速• 度 30m／ s 下在试验台上连续运转 3000h 而不漏• 油的油封。这种油封也有用在机车车辆齿轮装• 置上的可能。

谢谢