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箱體質量標準

內在質量

  結合地鐵列車及大功率機車等齒輪箱體生產實踐經驗，參考進口齒輪箱的成分范圍，選擇力學性能較高、鑄造性能優良，同時具有較好抗氧化和抗腐蝕能力的AlSi7Mg0.3作為齒輪箱材料。該材料的化學成分如表1所示，其力學性能技術要求抗拉強度Rm≥230 MPa，屈服強度Rp0.2≥190 MPa，斷后伸長率A≥2%。鑄件內部檢測要求全部按百分之百射線探傷，判定標準為ISO 9915—1992的C級以上。

表1 齒輪箱材料化學成分

外觀質量

  參考日系齒輪箱與歐系齒輪箱的外觀質量標準，制定了嚴格的國產化齒輪箱外觀檢驗驗收標準，主要項點如表2所示。

表２ 齒輪箱外觀質量要求

箱體結構分析

  CRH380B齒輪箱箱體結構設計為上下箱組成，上箱體電機孔外側安裝C型支架，在箱體頂部設置觀察窗。將齒輪箱三維模型導入到有限元分析軟件中，計算幾種典型工況下的箱體靜強度，各種工況下最大應力計算結果如表3所示，圖1a和1b分別為短路情況下反轉和正轉時箱體Von Mises應力云圖。

  通過計算得出：在電機正反轉時，三種工況下的箱體最大應力都出現在電機孔下部安裝C型支架處，電機孔與大齒輪孔之間的部位也承受較大的應力。在三種工況下箱體的最大應力都小于材料AlSi7Mg的屈服極限190 MPa，箱體結構強度滿足安全運行要求。將小軸承座法蘭外圈與吊掛部位筋板連接處定義為齒輪箱關鍵部位，在進行箱體制造時，需重點關注該部位鑄造缺陷及力學性能。

表3 在不同工況下箱體最大應力值

a）電機反轉時                      b）電機正轉時

圖1 CRH380B箱體靜強度計算應力云圖

箱體制造工藝

工藝方案設計與優化

  在工藝技術路線的選擇上，采用了國內外較為先進的低壓鑄造成形技術，鑄件在壓力作用下結晶凝固，補縮效率高，鑄件組織均勻、致密，偏析少，力學性能好，鑄件的氣密性、耐壓性都顯著提高。

  本工藝采用樹脂砂造型、制芯，使得鑄件尺寸精度高，操作過程相對簡單。采用計算機控制自動化澆注，減輕了工人勞動強度。在鑄造工藝設計上，選擇HALF分型面，采用平做立交的方案；設計開放式澆注系統，其澆道截面比例為F直澆道:F橫澆道:F內澆道=1:1.9:2.4，通過澆注系統實現由下向上的整體壓力補縮；采取多個內澆道同時注入，分散熱節減少針孔傾向；對于進口齒輪箱裂紋多發的部位，通過分析，采用局部激冷的方法，細化晶粒，確保關鍵部位的內在質量和力學性能，防止裂紋產生。圖2a為進口齒輪箱觀察窗部位冒口工藝，冒口雖然能實現補縮，但由于凝固速度慢容易導致組織粗大；圖2b為國產齒輪箱觀察窗部位的冷鐵工藝，冷鐵也能實現補縮，并且凝固速度快使組織得到細化。

  使用凝固模擬技術對箱體工藝進行優化分析，大大縮短了鑄件的試制周期，保證了產品的內在質量。如圖3所示，從充型模擬結果中看出，低壓鑄造充型過程平穩，避免了金屬液產生翻卷、沖擊和飛濺，減少了氣孔、夾砂和非金屬氧化夾雜物等鑄造缺陷。

  從圖4凝固溫度場來看，鑄件基本實現了由上而下的順序凝固，補縮效果良好，內部質量得到保證。通過模擬分析改進了工藝：將上箱體法蘭外側螺栓冷鐵去除，延長法蘭內側冷鐵長度，達到激冷效果同時保證了外觀質量。應用該工藝試制的齒輪箱經過射線探傷、全尺寸檢測和實物解剖，測試結果完全滿足技術要求的規定。