地铁齿轮箱渗油原因分析及解决方案

张晶

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，常州 213011）

地铁齿轮箱渗油原因分析及解决方案

张晶

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，常州 213011）

作为动力转向架的关键部件之一，齿轮箱的可靠性直接影响车辆的运行安全，而齿轮箱漏油故障是目前地铁车辆运用过程中发生较为频繁的一种故障模式。本文对该齿轮箱在试验时出现的渗油现象进行分析，识别故障产生的根本原因并提出改进方向。

地铁齿轮箱密封渗油

1概述

地铁齿轮箱常见漏油现象主要有以下几种：通气器漏油、上下箱体接合面漏油、主从动齿轮轴贯通处漏油、油标观察窗漏油。这些漏油现象轻则污染齿轮箱表面，影响美观；重则导致齿轮箱内关键零部件的润滑状况急剧下降，加剧温升，加剧内部零部件磨损，传动性能恶化，导致齿轮、轴承等关键零部件损坏。

某时速100km/h地铁齿轮箱进行型式试验过程中，发现其从动齿轮轴贯通处，即齿轮箱轴端出现渗油现象，如图1所示。存在渗油现象的齿轮箱如果装车运行，在振动及磨损等因素的影响下，随着运行里程的增加，极有可能出现润滑油泄露。所以，必须寻找导致此渗油现象出现的原因加以防范，并提出改进方向。

图1齿轮箱轴端渗油现象

2地铁齿轮箱密封结构介绍

在设计密封系统时，应充分考虑齿轮箱的实际输入、运行工况以及齿轮箱内部零件的各种物理特性。它们之间的关系见图2。

图2齿轮箱内密封元素的关系

为防止润滑油从齿轮箱的小齿轮轴及车轴贯通部位渗漏，该齿轮箱密封系统由接触式密封和非接触式密封两部分组成。

（1）接触式密封。地铁齿轮箱中的接触式密封主要分为2部分。在密封端盖与轴承座之间及轴承座与箱体之间，接触式密封采用O形橡胶圈密封的方式；在上下箱体分箱面处以及其他各处的接触密封，均采用涂密封胶的方式密封。该密封方式结构简单，性能可靠。

（2）非接触式密封。目前，国内外地铁齿轮箱小齿轮轴和车轴贯通部位的密封普遍采用2种方式：一种是唇形密封圈与迷宫密封相结合的半接触式密封；一种是非接触式的迷宫密封。考虑到在运行过程中唇型密封圈材料会发生磨损，磨损严重时，检修和更换安装在转向架上的齿轮箱内的唇形密封圈很不方便［1］，因此在该齿轮箱贯通部位的密封均采用非接触式密封，即机械式迷宫密封。

3　渗油原因分析

3.1设计原因分析

从设计方面考虑，造成齿轮箱轴端漏油现象发生主要有以下四个原因。

（1）齿轮箱迷宫密封设计欠妥，需进行结构改进。齿轮箱内的压力因素对密封系统影响较大。有研究表明：随着齿轮转速的增大，箱内压力逐渐增大［2-3］；密封泄漏量随着进出口压差的增加而呈现线性增长的趋势［4-5］。

该地铁齿轮箱迷宫密封结构在设计时，主要参照某成熟地铁齿轮箱密封结构，采用直通式双密封腔结构。但同该成熟齿轮箱在使用条件上相比，原输入转速为3641rpm，现输入转速为4536rpm，输入转速比之前高出19.7%。随着转速的增大，齿轮搅油损失加剧，齿轮箱温度也随之升高，同时剧烈的搅油产生了更多油雾，齿轮箱内的压力也相应增大。当齿轮箱内部压力与原设计相比增大时，如果继续使用之前的迷宫密封结构，则不能保证良好的密封效果。

（2）没有通气器，箱体内外压不平衡。在齿轮箱设计时，应在箱体上部位置设置通气器，以调节齿轮箱内外压平衡，使箱体内的气压不会因为齿轮箱运转时的油温升高而增大，从而提高箱体分箱面、轴端迷宫处的密封性能。如果没有设计通气器，齿轮箱内外压不平衡，箱内压力积聚，最终导致泄露现象发生。

该地铁齿轮箱在设计时，已充分考虑到通气器的影响。

（3）齿轮箱回油腔设计尺寸太小，使油集聚在密封迷宫处。齿轮箱密封系统不仅包含一整套密封结构，也必须包含回油结构，以保证进入到迷宫密封处的润滑油能够通过回油孔回到箱体内部，从而继续对齿轮和轴承进行润滑。若没有设计回油腔或回油腔尺寸太小，则进油孔不断进油，而回油孔不回油或回油缓慢，就是导致积聚在迷宫密封和轴承座、箱体结合面处的润滑油越来越多，最终在压力差作用下，润滑油只能从迷宫密封间隙处漏出。

该地铁齿轮箱回油孔设计充分考虑到此影响，回油孔直径均大于进油孔，且在齿轮箱每个回油位置都设计有3个回油孔，可以充分回油，如图3所示。

图3轴承座上回油孔示意图

（4）回油腔位置设计不合理。若齿轮箱回油孔位置设图3轴承座上回油孔示意图计不合理，如回油孔位置为水平回油槽与齿轮箱内空间连成一整体，无压力差。齿轮旋转及啮合时飞溅润滑，随着齿轮转速的增大，齿轮箱内油温升高，压力增大，箱内上部充满雾状润滑油，部分润滑油通过进油孔进入轴承内进行润滑，同时箱体内还有部分油雾状态的润滑油在压力作用下通过水平位置的回油孔直接进入回油槽，这样反而会加剧齿轮箱的漏油。

该地铁齿轮箱回油孔设计充分考虑到此影响，将回油孔的位置设计为垂直向下，如图4所示，并通过下箱体铸造凸台直接通向齿轮箱下部，以防油雾回流，避免因回油腔位置不合理造成的齿轮箱轴端漏油。

3.2制造原因分析

（1）相对运动零件（迷宫密封处）尺寸配合间隙过大，制造时出现尺寸公差及同轴度误差。齿轮箱迷宫密封处相对运动零件间必须存在合理的间隙。间隙过大，会增加泄漏量，降低迷宫密封的工作效率；间隙过小，若轴承座出现振动偏移的情况，轴承座和密封环之间会发生碰撞，导致轴承座和密封环之间的密封间隙增加，降低迷宫的密封效果。可见，若在加工制造过程中出现尺寸公差及同轴度误差，可能会引起上述情况。

该地铁齿轮箱轴承座和密封环之间的间隙设计为0.75mm。通过复查零件检验记录，显示密封零件各间隙满足技术要求，无制造误差。

（2）通气器不通。在分析设计原因时已介绍，若通气器不能正常使用，将导致齿轮箱内外压不平衡，箱内压力积聚，最终导致泄露现象发生。因此，若在加工制造过程中，通气器没有加工通，则会出现漏油情况。

经过对通气器进行拆解检查，发现该通气器满足技术要求，能够正常使用。

（3）回油腔内部存在异物，影响回油效果。在分析设计原因时已介绍，进入到迷宫密封处的润滑油能够通过回油孔回到箱体内部，从而继续对齿轮和轴承进行润滑。若回油腔内部存在异物，将会影响回油效果，出现进油孔不断进油，回油孔回油缓慢，积聚在迷宫密封和轴承座、箱体结合面处的润滑油越来越多，最终在压力差作用下，润滑油只能从迷宫密封间隙处漏出。此外，回油腔内部存在异物，如加工残留铁屑等，主要是由于完成齿轮箱箱体加工后和齿轮箱组装前，没有对齿轮箱进行细致的清洗工作，没有及时发现回油腔内部异物，导致润滑油回油不畅。

经过对拆解后的齿轮箱箱体进行检查，发现回油孔内并无异物。

3.3组装原因分析

（1）O型圈组装时出现切断、变形，密封胶涂抹不均匀，出现间断现象等。若组装时，O型圈没有放置好，导致组装过程中O型圈出现切断、变形等失效现象，O型圈无法起到密封作用，或接合面密封胶涂抹不均匀，或有些部位没有涂到等，都有可能引起齿轮箱轴端部位漏油发生。由于箱体和轴承座之间的接合面不可能是100%的平面接触，加工过程平面上难免会有高点存在，这些不平度就要靠O型圈及密封胶进行补偿。如果出现上面提到的组装问题，O型圈及密封胶不能很好补偿平面，则会出现轴承座和箱体之间的贴合面漏油。

经过对拆解后的齿轮箱进行检查，发现O型圈及密封胶状态正常。

（2）加油量过多。该地铁齿轮箱设计油位为没过大齿轮2个齿高，加油量为3L。经过检查组装记录，确认加油量正常。

4　分析结论及改进建议

通过从设计、制造、组装等方面对漏油现象进行详细分析，得出结论如下：

（1）设计方面：引起齿轮箱轴端漏油现象的四个原因中，齿轮箱安装有通气器、齿轮箱回油孔尺寸合适，且回油空位置能够使润滑油顺利回到箱体内部、齿轮箱回油孔能够通向齿轮箱下部，可排除以上三个原因。迷宫密封结构属于借用件，由于齿轮箱的输入参数与借用项目不同，可考虑对迷宫密封结构进行研究改进，使改进后的迷宫密封更适合现有项目的工况。

（2）制造方面：密封零件满足技术要求，无制造误差、通气器能够正常工作、回油腔内部无加工残留铁屑等异物，能够正常回油，可排除制造方面的原因。

（3）组装方面：O型圈无切断和变形现象、密封胶涂抹均匀且无间断现象、润滑油油量正常，满足使用要求，可排除组装方面的原因。

综上所述，针对齿轮箱渗油故障，应从设计改进方面着手，针对实际工况改进设计借用的迷宫密封结构，以期从根本上减少该齿轮箱渗油现象发生的可能性。

［1］林丽，刘卫华.基于FLUENT的迷宫密封机理研究［J］.中国机械工程，2007，（18）：2183-2186.

［2］黄守龙，王祖亮，马大为.空腔倾向对泄漏影响的流动分析［J］.推进技术，1995，（2）：40-45.

［3］王建中，黄守龙.直通式迷宫密封的静态工作特性［J］.武汉工业大学学报，1994，（4）：86-90.

［4］丁学俊，杨彦磊，肖国俊，等.迷宫密封流场与泄漏特性研究［J］.流体机械，2006，（4）：14-18.

［5］王琰，王丽娜，张开林.错齿式迷宫密封流场及泄漏量的数值分析［J］.机械，2012，（1）：11-14.

Cause Analysis of Oil Leakage in A Subway Gear Box

ZHANG Jing
（Qishuyan Zhongche Locomotive Vehicle Technology Research Institute Co Ltd，Changzhou 213011）

As power steering rack is one of the key components，the reliability of the gear box directly affects the safe operation of the vehicle，and gear box oil leakage fault is existing subway cars use process occurred more frequently of a failure mode.In this paper，the gear box in the test of the phenomenon of oil leakage analysis，identify the root cause of the failure and put forward the direction of improvement.

Metro，gear box，seal，oil leakage