摘要：機(jī)車齒輪箱油具有潤滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質(zhì)量決定機(jī)車的正常運(yùn)行和使用壽命。針對目前HX型電力機(jī)車齒輪箱換油效率低、換油不徹底等問題，設(shè)計(jì)制作一種便攜式電力機(jī)車齒輪箱自動清洗換油設(shè)備，該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)為可移動車體，將設(shè)備的零部件集成安裝在車體上，提高了設(shè)備現(xiàn)場使用靈活性，且系統(tǒng)設(shè)置有自動和手動兩種模式，通過PLC控制實(shí)現(xiàn)了齒輪箱油的循環(huán)清洗、定量換油、油液加熱保溫等功能。經(jīng)過測試，該設(shè)備能高效完成齒輪箱油的清洗換油工作，驗(yàn)證了該設(shè)備的實(shí)用性和可靠性。

　　機(jī)車齒輪箱是機(jī)車傳動系統(tǒng)中的重要部件之一，齒輪箱的傳動平穩(wěn)性和可靠性直接影響機(jī)車的運(yùn)行安全。在機(jī)車齒輪箱使用過程中，需加入齒輪箱油。機(jī)車齒輪箱油具有潤滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質(zhì)量決定機(jī)車的正常運(yùn)行和使用壽命，潤滑失效是機(jī)車齒輪箱在服役階段故障的主要表現(xiàn)形式之一，潤滑失效會加劇傳動系統(tǒng)的磨耗，降低齒輪箱的傳動性能。HXD1C 機(jī)車是嘉峪關(guān)機(jī)務(wù)段運(yùn)用的主型貨運(yùn)機(jī)車，按運(yùn)行公里結(jié)合修程在 C2 時進(jìn)行換油，因現(xiàn)場條件所限，實(shí)施不落輪重力自流方式進(jìn)行換油時，存在底部金屬磨粒、沉淀無法排除等問題，因此注入新油后，會造成新油污染、油品質(zhì)量下降，在冬季氣溫低的情況下，會出現(xiàn)重力排油緩慢或無法排出等問題。

　　經(jīng)了解，目前我國機(jī)車檢修工裝中，針對機(jī)車齒輪箱自動清洗換油的專門設(shè)備還屬于空白。為解決上述換油方式存在的問題，研制一種操作簡單、移動便捷的齒輪箱清洗換油設(shè)備，采用PLC控制，有著良好的人機(jī)交互性。

　　1、現(xiàn)狀調(diào)查

　　現(xiàn)階段，各機(jī)務(wù)段普遍采用的換油方式有兩種。

　　(1)通過擰開齒輪箱下方的放油堵，采用重力排油方式。

　　因機(jī)車齒輪箱油品黏度較大、流動性差，受外界環(huán)境溫度的影響大，在25 ℃時，采用這種換油方式只能換出70%～80%的潤滑油，換油不徹底，且存在注油量無法精確控制、油料成本浪費(fèi)、勞動強(qiáng)度大、工作效率低、易造成現(xiàn)場污染等問題。

　　(2)解體齒輪箱，對各部件及齒輪箱內(nèi)部清洗后組裝

　　這種清洗方式質(zhì)量高，但需要拆裝齒輪箱，技術(shù)要求高、工作量大、清洗及換油效率低，不適合機(jī)車齒輪箱保養(yǎng)要求。

　　2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)組成

　　齒輪箱自動清洗換油設(shè)備系統(tǒng)組成見表1所列，主要包括驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)備外觀如圖1 所示。

　　設(shè)備主要參數(shù)

　　設(shè)備供電采用220 V交流電源供電和48 V應(yīng)急蓄電池供電;控制方式為：電液驅(qū)動;操作方式：彩色觸摸屏，可在彩色觸摸屏上完成對設(shè)備的控制及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和查看，主要參數(shù)見表2所列。該設(shè)備的工作溫度為-10 ℃～45 ℃，有較好的耐腐蝕性、抗震性及兼容性，能夠滿足機(jī)車組齒輪箱自動清洗換油工作要求。

　　系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)集成了電機(jī)、液位計(jì)、加熱器、流量計(jì)、壓力表、重力傳感器等多種元件，設(shè)置了支持快換的加油口和放油口，預(yù)留了通氣孔，系統(tǒng)原理如圖2所示。

　　元件選擇

　　具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表3所列。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求進(jìn)行計(jì)算，完成泵、電機(jī)、傳感器、電源、控制閥和液壓輔助元件的選定。

　　3、功能實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)備使用 PLC 進(jìn)行控制，通過觸摸屏進(jìn)行指令下發(fā)，控制齒輪泵啟停、調(diào)速，加熱器啟停，電磁球閥管路切換，從而實(shí)現(xiàn)油液的抽吸、過濾、加熱等功能;通過輪詢方式實(shí)時采集油液重量、油液溫度，管路內(nèi)油液流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并在觸摸屏上實(shí)時顯示。最終實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。

　　4、機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真分析

　　本設(shè)備上集成安裝了電機(jī)、輔助泵、電控箱、新舊油箱等重量較大的器件，考慮到現(xiàn)場需要進(jìn)行頻繁移動，所以對設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高。因此在初期設(shè)計(jì)時，定量其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度要求是必要的。

　　本論述采用 Solidworks 軟件對該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的受力進(jìn)行分析與計(jì)算，校核其安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。對設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析，在實(shí)驗(yàn)條件無法滿足的情況下驗(yàn)證設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)在外力作用下是否滿足強(qiáng)度及剛度要求，包括模型建立、結(jié)構(gòu)分析、校核驗(yàn)算等內(nèi)容，其結(jié)果為該設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造提供了有力的理論依據(jù)。

　　設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)上施加的載荷條件

　　根據(jù)設(shè)備元器件的實(shí)際重量，確認(rèn)在設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)上施加的載荷條件見表4所列。

　　設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)

　　設(shè)備結(jié)構(gòu)材料采用 Q235B 鋼，該材料具有良好的拉伸強(qiáng)度、韌性和鑄造性，被廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)件，具體屬性見表5所列。

　　模型建立及網(wǎng)格劃分

　　1. 模型建立

　　首先使用 Solidworks 根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維模型，并將模型導(dǎo)出為有限元軟件識別的格式，模型如圖4所示。

　　2. 網(wǎng)格劃分

　　網(wǎng)格數(shù)量的多少直接影響計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算量大小，一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會有所提高。為了能夠很好地解析該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，在劃分網(wǎng)格的時候?qū)σ恍┏叽巛^小的地方進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

　　首先進(jìn)行網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證，在滿足網(wǎng)格疏密均勻的前提下，對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確定義，確定最終的網(wǎng)格生成參數(shù)。

　　設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分布如圖 5 所示。從圖 5 看出，網(wǎng)格總數(shù)量為 1 042 949，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為 2 461 987，并且網(wǎng)格分布均勻，可以滿足計(jì)算要求。

　　設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

　　設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中承受表4所列的靜載荷，對其機(jī)械結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進(jìn)行分析，劃分完網(wǎng)格之后給設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)施加符合實(shí)際的靜載荷邊界條件，然后在有限元分析軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，待計(jì)算收斂后獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體變形量分布，如圖6所示。

　　由圖6看出，機(jī)械結(jié)構(gòu)總體變形量最大的地方分布在油箱支撐梁中間段處，最大值為0.050 925 mm;變形值由油箱支撐梁中間位置向兩邊遞減，并且總體變形量分布值均勻過渡;其余部位總體變形值介于 0.02～ 0.05 mm，可以忽略。由于設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)總體變形量很小，小于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配偏差，完全不影響其工作。因此，該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足剛度要求。

　　對設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，確定設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

　　由圖7看出機(jī)械結(jié)構(gòu)的大部分結(jié)構(gòu)其等效應(yīng)力值在2 MPa左右，并且應(yīng)力分布值均勻過渡，而最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在泵電機(jī)支撐梁中間位置處，其最大值為 13.188 MPa，最大等效應(yīng)力由該接觸面向槽鋼下表面均勻遞減;其余部位的應(yīng)力值都小于3.5 MPa。

　　等效應(yīng)力最大處方管的材料為 Q235B，經(jīng)查 GB150-2011得鋼號為Q235B、鋼板標(biāo)準(zhǔn)為GB713，使用狀態(tài)為熱軋、控軋，正火處理，厚度為4 mm，在20 ℃以下的材料的許用應(yīng)力[σ]=148 MPa，完全大于最大等效應(yīng)力 13.188 MPa。根據(jù)畸變能密度理論，槽鋼在該等效應(yīng)力狀態(tài)下不會發(fā)生屈服破壞。

　　設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

　　根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得出：設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)中所有零件的總體變形量在設(shè)計(jì)及裝配允許的誤差范圍之內(nèi)，所有零件的等效應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，故該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)中所有零件滿足強(qiáng)度及剛度的要求。

　　5、實(shí)驗(yàn)測試

　　為了測試本設(shè)備的實(shí)用性，將本設(shè)備在嘉峪關(guān)機(jī)務(wù)段進(jìn)行現(xiàn)場測試。將設(shè)備的抽、排油口通過配有快換接頭的連接管接在機(jī)車齒輪箱上，設(shè)備啟動后，通過觸摸屏進(jìn)行控制操作，能夠正常完成機(jī)車齒輪箱的等量換油、加注新油、回收舊油、排空油箱、循環(huán)清洗及油液加熱等功能。

　　對一個齒輪箱(7 L 油液)進(jìn)行加油、排油、清洗試驗(yàn)測試，結(jié)果見表6~表8所列，使用該設(shè)備后，除去裝卸油堵、接拆油管的時間，從一個齒輪箱中排出舊油時間為5～8 min，向一個齒輪箱加注新油時間為2～4 min，對一個齒輪箱進(jìn)行內(nèi)容循環(huán)沖洗時間為0.25～0.35 h，且油液經(jīng)過過濾系統(tǒng)后，其品質(zhì)有了較為明顯的提升。

　　綜上所述，使用該設(shè)備后，能夠減少換油時間、改善油液品質(zhì)，有效提升機(jī)車齒輪箱維護(hù)保養(yǎng)工作效率，節(jié)約了人員成本，減少了油液浪費(fèi)。

　　6、結(jié)論

　　本論述通過綜合應(yīng)用 PLC 控制、傳感器檢測等技術(shù)，研制了一種HX型電力機(jī)車齒輪箱自動清洗換油設(shè)備，通過有限元分析技術(shù)驗(yàn)證了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)了等量換油、加注新油、回收舊油、循環(huán)清洗、油液加熱等功能，滿足了機(jī)車齒輪箱換油清洗的工藝要求，且該裝置將所有器件集成安裝在小車上，結(jié)構(gòu)緊湊、移動方便，使用該設(shè)備后能夠減少工作時間，減輕勞動強(qiáng)度，有效提高機(jī)車齒輪箱維護(hù)保養(yǎng)工作效率;同時能夠?qū)崿F(xiàn)廢油封閉回收，避免了環(huán)境污染和油液浪費(fèi)。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測試，設(shè)備噪音小、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡便，能滿足各HX型機(jī)車的齒輪箱換油清洗 工作，在低溫狀態(tài)下仍有較高的作業(yè)效率，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　參考文獻(xiàn)略.