跟上现代铁路的速度一一牵引齿轮，现代铁路机车的“纤绳”跟上现代铁路的速度一一牵引齿轮，现代铁路机车的“纤绳”跟上现代铁路的速度铁路提速，零部件的发展也要提速！超常性能给零部件提出了哪些特殊要求？零部件发展如何足艮上铁路的速度？—策：刈媛皈故滕宵龙牵引齿轮,现代铁路机车的 铁路机车牵引齿轮是电力机车 电传动内燃机车牵 引传动装置中 重要零件,它传递牵引电动机所 生的转矩,牵引列车前进.随着 略高 速，重载的发展,其所承受 静载，动载不断增大,服役条件 为苛刻.机车牵引的速度 不断提，牵引吨位不断加大，机车连续引时间不断延长，对牵引齿轮的求也在不断 提高.机车牵引齿轮 屎证使用寿命从20世.~B8o年代的，40万km,到现在150万km,有 要求达N300万km.我国的铁路机车市场前景很，其重要部件之一的牵引齿轮的吻更为广阔.机车牵引齿轮机车牵引齿轮的承载能力和使 用寿命是最重要的使用性能指标.目前我国的机车运行牵引齿轮使用 寿命平均约为50,100万km(1,2个厂修期)；部分牵引齿轮 的寿 命达到150万km,而从国外进口的 机车牵引齿轮的寿命有的可达到 250万 km.国产机车牵引齿轮早期失效的 主要形式,在20世纪70年代以齿根 裂纹及断 齿现象较为严重.随着我 国机车生产技术的进步，机车牵引 齿轮的质量不断提高， 近年来断齿 现象基本消除，失效形式转化为以 磨损和胶合为主.7年弯lo期MCM代零部件 随着铁路高速，重载的发展，牵引齿轮的轮齿将更 易于磨损,胶 合和折断.因此,对牵引齿轮的弯 曲疲劳强度，接触疲劳强度以及抗 胶合和抗磨损的能力应有更高的要求,以提高其承载能力和使用寿命.齿轮的承载 能力与使用寿命取决于齿轮几何参数的设计，齿轮材 料及强化工艺，加工精度，润滑等 因素.1. 牵引齿轮的材料(1) 材料铁路机车牵引齿轮的材料大多选用表面硬化钢.根据硬化方法不同乂可分为渗碳淬火钢和感 应加热表面淬火钢.前者选 用低碳合金钢，后者选用中碳合金 钢.对于主动齿轮的材料，由于齿数较少，轮齿相对磨损较大，国内外大都选用低 碳合金钢.对于从动齿轮的材料，从目 前国内外的选用情况来看，则有低 碳合金钢和中碳 合金钢两类.对于 在构造速度较低，牵引吨位不大的 情况，可采用中碳合金钢.但对 于高速，重载牵引机车的从动牵引齿 轮，应考虑其齿根弯曲疲劳强度，齿面接触疲 劳强度及心部强韧性要这些元素能提高钢的淬透性，改善 齿轮心部的组织和性能.其中尤 接触疲劳和 弯曲疲劳强度有很大 影响.我国目前齿轮用钢几乎都 求,采用低碳合金钢成为国内 外高速，重载机车从动牵引齿轮的发展 趋势.!目前，我国铁路机车牵i引齿轮用材最常用的材料是 20CrMnMo(A),42CrMo(A),50CrMo(A).在一些高速，重 载机车上,牵引齿轮的材料则 偏向于 12CrNi3,20Cr2Ni4A,20CrNi2Mo(相当于美 4320,日 SNCM420),15CrNi6(DIN 钢号),17CrNiMo6(DIN 钢号).上述齿轮用材料中所含的主要,合金元素为Mn,Cr,Ni,Mo等.外发达国家 有一定差距.戚墅堰机车车辆工艺研究所曾对美I~ND5内燃机车的原装牵引从动 齿轮进 行了剖析，发现所用材料相当于 我国45钢,而我们在国产的过程 中要开发 并使用新的合金钢钢种50CrMo(A),材料的性能和齿轮的使用性能才能满足其机车 使用要 求.究其原因很多，但一个重要原 因是其材质的纯净度高，硫化物夹 杂甚微, 氧化物夹杂也很少且呈细 小点状分布，齿坯锻造合理，在材料中无带状偏析.钢材的冶金质量对齿轮材料的_,棚==观代零部件家国外知名大公司制造机车牵引 齿轮时，发现要达到其要求，要花 很大的人力,财力，在我们国内最 好特种钢厂特别冶炼，才能满足要 求.近年来我国的机车牵引齿轮 设计，制造水平一步步地与国际接 轨，但齿轮的材料一直是头疼的问 题，有时我们不得不从国外进口材 料.所以,我国的材料冶炼方 面还有很多工作要做.2. 牵引齿轮的模数由于制造水平特别是齿轮材料的冶炼水平在不断提高，机车牵引29o7年筹|o 勰；齿轮的模数有往小发展的趋势.20世~_280年代，许多铁路机车牵引齿 轮的模 数还在12,13mm如早期 设计的东风4机车牵引齿轮的模数 为12mm从法国进口的 6GF机车牵引齿轮和从Et本进口 6K机车的模数为13mm而新设计的机车牵引齿 轮的模数在10mm右，包括 一些高速，重载牵引齿轮，东风11包括东风11G机车的牵引齿轮的模 数为10mm, 货运重载牵引机车如东风8B的牵引齿轮的情况也有同样的趋势.国外的情况也是如此，有 的高速机车牵引齿轮的模数~1]8mm左右.这对从动齿轮外径受到铁路线路路界严格限制的铁路机车牵引 齿轮来说是一个好的兆头，因为从 动齿轮的齿数选择范围随着齿轮模 数的减小而变大，可以进一 步加大 传动比，从而使进一步使用交流电 动机的优越特性从技术上开拓了空 间.齿轮的模数具体取值大小有标 准要求，但在具体设计时，由于诸 多因素的限制，也可采用非标准的 模数数值，这样取值的后果是齿轮 的金届切削刀具的订货和生 产带来一定的困难.3. 牵引齿轮的压力角铁路机车牵引齿轮的压力角常规的一般为20.，早期的国产机车东风系列，韶 山1机车牵引齿轮的 压力角为20.，国外机车牵引齿轮 的压力角为20.的也不少见， 也有 其他选择，~IJND2，ND3机车的牵 引齿轮就选择15..随着铁路运输向局速，重载方向发展，为保证轮齿轮的抗弯强 度，有向采用大压力角方向发展的2聊年嚣io朝趋势，如东风11机车，东风4D机 车，东风11G机车，牵引齿轮的压 力角向22.5. 或25.发展.国外也 有这种情况，~IIDN5机车,而日本 机车牵引齿轮的设计者，齿轮 的压 力角选用26•的情况也有•增大齿轮的压力角可以增加 齿轮的弯曲强度，增加牵引齿轮的 承载能力.但只要粗略地算一算齿 轮的接触强度，就会发现增大齿轮 的压力角将牺牲部分齿轮的接触强 度.所以应根据机车使用的不同情 况，综合考虑，合理选择牵引齿轮压力角.4. 牵引齿轮的齿数在牵引齿轮的设计时，首先 注意结构，强度，刚度和润滑等问 题,再计算和校核 齿根强度，接触 应力，齿面滑动，磨损和胶合等参 数或特征值，其次在加工工艺和热 处理方面加以重视.而对齿轮的齿 数选择似乎不是太重视.一般说 来，牵引电动机 最大转速/7是由 总体设计给定的；牵引齿轮传动比 也是机车总体设计确定的；牵 引 主，从动齿轮齿数Z和z是由对传 动比逐步逼近的方法，并考虑到设计，结构及加工的可能性试凑得出的.齿轮的齿数选择除按上述因素考虑外，还应考虑合理选择齿数，否则齿轮的齿 数选择不当会大大增加齿轮的动负载，并导致牵引齿轮以及相关部件失效.东风11型机车牵引从动齿轮 齿数为Z==76（偶数），牵引主动齿轮 齿数为ZI=29（质数），传动 kLi=z2/zI76/29=2.6206，（无理数）.东风 4D机车 Z=68（偶数），Z1=24（偶数），i=z2/zl=2.83 ，（循环Mc琨代零即件小数）.东风11型机车的两个牵引齿 轮齿数没有公约数，而且有一个为 质数，传动比的值乂是无理数.这 种牵引齿轮设计使其轮齿周期啮合 振动频率最低，由其引起的 动负荷 也最低.而东风4D型机车，不仅 两个齿数都是偶数，而且还有最大 公约数 4,传动比还是一个循环小 数.这种设计导致其轮齿周期啮合 振动频率较高，自然由 其引起的动负荷也较大.而实际使用过程也验证上述 的分析：自从前几次提速后，东风4D型机车，一方面由于存在速度 提高引起的激剧动负荷，另一方面 再加上由于 牵引齿轮周期啮合振动 所产生的动负荷，致使走行部一些 零部件不堪承受，发生较 多的故障 和破损.东风4,东风4B，东风4C型机车走行零部件也是类似原因频 繁出现故障和破损.而对东风11型 机车一方面由于结构设计合理，速 度提高引起的 急剧动负荷较小，另一方面齿轮的齿数选择较为合理，发生的故障和破损现象少得很多.在对20世 ~E80年代左右我国进口机车牵引齿轮齿数进行统计时发现均没有东风4D型机 车牵引齿轮 齿数的问题.同样，分析国外机车 牵引齿轮的齿数时，发现他们也是 如 此,说明国外的同行们在齿轮齿 数的选择时就已经注意到这个问题 了.齿轮的齿数选择应引起我国机车设计师的重视，在设计机车牵引齿轮齿数和 传动比时，应注意:(1)牵引齿轮大小齿轮齿数比，不应是整数，而且小数点后的 位数越多越好，最好除不尽，为带小数的质数(无理数).(2) 两个齿轮齿数中最好有个是质数.(3) 两个齿轮齿数不能有公约数，也不应存在倍数关系.5.牵引齿轮的修形对机车牵引齿轮进行适当的修形是提高其承载能力及可靠性的一项有力措施.在铁路机车牵引齿轮中，主动 齿轮绝大部分和电轴通过锥度直接 联接，采用单 侧齿轮传动，其支承 均为悬臂式形式，齿轮在两点支承 点的外侧.由于牵引齿轮的载荷及啮合歪斜度比双侧齿轮传动大，齿向不作修形已不能 满足运用要求，有必 要采用螺旋形鼓形修正.在早期的 机车牵引齿轮的设计中由于 负荷不 大，运行速度不高，齿向修形还没 引起重视.另外，为减轻啮合冲 击,对小齿 轮的齿顶，齿根也应进行适当的修缘.高速，重载铁路机车牵引齿 轮，几乎均有齿形，齿向修形，有 的修形量还很大 （模数为10mm 右，齿宽为127mm集边齿向修形 量达No.40mm）修形的齿面部 分 所占整个齿面的比重很高，有的甚至全齿面修形，不修形的原始渐 开线所占的比重几乎为零，Et本进口的6K 机车牵引主动齿轮就是这 样.6. 牵引齿轮的热处理机车牵引齿轮绝大部分均为 硬齿面齿轮，特别是在高速，重载 的情况，齿轮齿面不硬化的情况已 不能满足机车使用要求.一般情况 下，齿面的硬度为52,62HRC. 目前铁路机车牵引齿轮的热处理方式主要为低碳合金钢的渗碳淬火，中碳合金钢 的表面感应淬火两 种工艺，而表面感应淬火方式乂有 中频感应淬火和高频感应淬 火，就 我国而言，主要是采用中频感应淬 火方式，而国外如Et本则采用高频 感应 淬火方式.7. 磨前滚刀铁路机车牵引齿轮的轮齿加工 一股均采用滚齿加磨齿工艺.目前国内外的情况也都差不多，采用其他工艺的不 多.而且机车牵引齿轮的齿根不需要也不允许磨削，这在目前的重要机车齿轮图样 上均有明 确的要求，同时机车牵引齿轮不允 许磨齿后出现凸台.为了满足这一 要 求，必须在齿轮的滚齿过程中用突角留磨滚刀.8. 牵引齿轮的喷丸强化喷丸强化技术已广泛应用于航 空，汽车等机械零部件.喷丸强化 对金届表层组 织结构，硬度，残余 应力及弯曲疲劳强度的影响，已进 行过许多研究.有文献介绍了 模数 为10mm齿数为33，齿宽30mm的12CrNi3A渗碳齿轮喷丸试验结 果,可使弯 曲疲劳强度提高35%.上海铁道学院等单位曾对渗碳 淬火(有25"m脱碳层)及渗碳 淬火后再经喷丸处理的20CrMnM亦引齿轮的轮齿进行弯曲疲劳试验.表明喷丸 处理后克服了表面氧化脱碳 的不良影响，使弯曲疲劳强度提高70%左右.目前仅根据图样要求，进行喷 丸强化，还没有强制性所有的齿轮 均喷丸强化.而就喷丸强化工艺来说，目前 我国铁路行业牵引齿轮制造厂商，牵引齿轮设计 人员在这方面还有许Mc璃代器部件多工作要做.国外的同行在齿轮图样中常 有许多喷丸强化技术条件，比如丸 粒大小，丸粒种 类，弧高值，覆盖 率等，反观我们国内同行的图样，绝大部分仅仅是对喷丸的覆盖率做 出要求.而我们对喷丸工艺中的参 数选择 还不。