機車齒輪箱是機車傳動系統中的重要部件之一，齒輪箱的傳動平穩性和可靠性直接影響機車的運行安全。在機車齒輪箱使用過程中，需加入齒輪箱油。機車齒輪箱油具有潤滑、清洗、防銹、散熱、排污等作用，齒輪箱油品的質量決定機車的正常運行和使用壽命，潤滑失效是機車齒輪箱在服役階段故障的主要表現形式之一，潤滑失效會加劇傳動系統的磨耗，降低齒輪箱的傳動性能。HXD1C 機車是嘉峪關機務段運用的主型貨運機車，按運行公里結合修程在 C2 時進行換油，因現場條件所限，實施不落輪重力自流方式進行換油時，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、油品質量下降，在冬季氣溫低的情況下，會出現重力排油緩慢或無法排出等問題。
經了解，目前我國機車檢修工裝中，針對機車齒輪箱自動清洗換油的專門設備還屬于空白。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備，采用PLC控制，有著良好的人機交互性。
1、現狀調查
現階段，各機務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。
因機車齒輪箱油品黏度較大、流動性差，受外界環境溫度的影響大，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、勞動強度大、工作效率低、易造成現場污染等問題。
(2)解體齒輪箱，對各部件及齒輪箱內部清洗后組裝
這種清洗方式質量高，但需要拆裝齒輪箱，技術要求高、工作量大、清洗及換油效率低，不適合機車齒輪箱保養要求。
2、系統設計
系統組成
齒輪箱自動清洗換油設備系統組成見表1所列，主要包括驅動系統、控制系統、機械結構，設備外觀如圖1 所示。
設備主要參數
設備供電采用220 V交流電源供電和48 V應急蓄電池供電;控制方式為：電液驅動;操作方式：彩色觸摸屏，可在彩色觸摸屏上完成對設備的控制及關鍵參數設置和查看，主要參數見表2所列。該設備的工作溫度為-10 ℃～45 ℃，有較好的耐腐蝕性、抗震性及兼容性，能夠滿足機車組齒輪箱自動清洗換油工作要求。
系統原理圖設計
系統集成了電機、液位計、加熱器、流量計、壓力表、重力傳感器等多種元件，設置了支持快換的加油口和放油口，預留了通氣孔，系統原理如圖2所示。
元件選擇
具體設計參數見表3所列。根據設計參數要求進行計算，完成泵、電機、傳感器、電源、控制閥和液壓輔助元件的選定。
3、功能實現
設備使用 PLC 進行控制，通過觸摸屏進行指令下發，控制齒輪泵啟停、調速，加熱器啟停，電磁球閥管路切換，從而實現油液的抽吸、過濾、加熱等功能;通過輪詢方式實時采集油液重量、油液溫度，管路內油液流量等關鍵數據，并在觸摸屏上實時顯示。最終實現如圖3 所示。
4、機械結構仿真分析
本設備上集成安裝了電機、輔助泵、電控箱、新舊油箱等重量較大的器件，考慮到現場需要進行頻繁移動，所以對設備機械結構強度要求較高。因此在初期設計時，定量其結構尺寸設計是否滿足強度要求是必要的。
本論述采用 Solidworks 軟件對該設備機械結構在實際工況下的受力進行分析與計算，校核其安全性、經濟性和實用性。對設備的機械結構部分進行結構靜力學有限元分析，在實驗條件無法滿足的情況下驗證設備的機械結構在外力作用下是否滿足強度及剛度要求，包括模型建立、結構分析、校核驗算等內容，其結果為該設備的結構設計和生產制造提供了有力的理論依據。
設備機械結構上施加的載荷條件
根據設備元器件的實際重量，確認在設備機械結構上施加的載荷條件見表4所列。
設備機械結構材料性能參數
設備結構材料采用 Q235B 鋼，該材料具有良好的拉伸強度、韌性和鑄造性，被廣泛應用于焊接結構件，具體屬性見表5所列。
模型建立及網格劃分
1. 模型建立
首先使用 Solidworks 根據設計尺寸建立設備機械結構的三維模型，并將模型導出為有限元軟件識別的格式，模型如圖4所示。
2. 網格劃分
網格數量的多少直接影響計算結果精度和計算量大小，一般來講，網格數量增加，計算精度會有所提高。為了能夠很好地解析該設備機械結構的應力應變情況，在劃分網格的時候對一些尺寸較小的地方進行了網格細化。
首先進行網格的無關性驗證，在滿足網格疏密均勻的前提下，對網格尺寸進行準確定義，確定最終的網格生成參數。
設備機械結構的網絡分布如圖 5 所示。從圖 5 看出，網格總數量為 1 042 949，網格節點數量為 2 461 987，并且網格分布均勻，可以滿足計算要求。
設備機械結構分析
設備機械結構在實際工作中承受表4所列的靜載荷，對其機械結構按照結構靜力學進行分析，劃分完網格之后給設備機械結構施加符合實際的靜載荷邊界條件，然后在有限元分析軟件中進行仿真計算，待計算收斂后獲取機械結構的總體變形量分布，如圖6所示。
由圖6看出，機械結構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。由于設備機械結構總體變形量很小，小于機械結構設計與裝配偏差，完全不影響其工作。因此，該設備機械結構的設計滿足剛度要求。
對設備機械結構進行應力分析，確定設備機械結構的應力分布情況，如圖7所示。
由圖7看出機械結構的大部分結構其等效應力值在2 MPa左右，并且應力分布值均勻過渡，而最大等效應力位置出現在泵電機支撐梁中間位置處，其最大值為 13.188 MPa，最大等效應力由該接觸面向槽鋼下表面均勻遞減;其余部位的應力值都小于3.5 MPa。
等效應力最大處方管的材料為 Q235B，經查 GB150-2011得鋼號為Q235B、鋼板標準為GB713，使用狀態為熱軋、控軋，正火處理，厚度為4 mm，在20 ℃以下的材料的許用應力[σ]=148 MPa，完全大于最大等效應力 13.188 MPa。根據畸變能密度理論，槽鋼在該等效應力狀態下不會發生屈服破壞。
設備機械結構有限元分析結果
根據以上計算結果得出：設備機械結構中所有零件的總體變形量在設計及裝配允許的誤差范圍之內，所有零件的等效應力在材料的許用應力范圍之內，故該設備機械結構中所有零件滿足強度及剛度的要求。
5、實驗測試
為了測試本設備的實用性，將本設備在嘉峪關機務段進行現場測試。將設備的抽、排油口通過配有快換接頭的連接管接在機車齒輪箱上，設備啟動后，通過觸摸屏進行控制操作，能夠正常完成機車齒輪箱的等量換油、加注新油、回收舊油、排空油箱、循環清洗及油液加熱等功能。
對一個齒輪箱(7 L 油液)進行加油、排油、清洗試驗測試，結果見表6~表8所列，使用該設備后，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，對一個齒輪箱進行內容循環沖洗時間為0.25～0.35 h，且油液經過過濾系統后，其品質有了較為明顯的提升。
綜上所述，使用該設備后，能夠減少換油時間、改善油液品質，有效提升機車齒輪箱維護保養工作效率，節約了人員成本，減少了油液浪費。
6、結論
本論述通過綜合應用 PLC 控制、傳感器檢測等技術，研制了一種HX型電力機車齒輪箱自動清洗換油設備，通過有限元分析技術驗證了裝置結構設計的合理性，實現了等量換油、加注新油、回收舊油、循環清洗、油液加熱等功能，滿足了機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，結構緊湊、移動方便，使用該設備后能夠減少工作時間，減輕勞動強度，有效提高機車齒輪箱維護保養工作效率;同時能夠實現廢油封閉回收，避免了環境污染和油液浪費。經過現場實際測試，設備噪音小、效率高、運行穩定、操作簡便，能滿足各HX型機車的齒輪箱換油清洗 工作，在低溫狀態下仍有較高的作業效率，具有良好的社會效益和經濟效益。
參考文獻略.