牽引電機(jī)齒軸過(guò)盈結(jié)合面油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐贏武，孫 兵

（中車(chē)株洲電機(jī)有限公司 牽引電機(jī)研發(fā)部，湖南 株洲 412001）

牽引電機(jī)齒軸過(guò)盈結(jié)合面油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化

唐贏武，孫 兵

（中車(chē)株洲電機(jī)有限公司 牽引電機(jī)研發(fā)部，湖南 株洲 412001）

牽引電機(jī)齒輪與軸采用過(guò)盈聯(lián)接，結(jié)合面設(shè)有油槽結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行液壓裝配，可能由于油槽位置微動(dòng)磨損導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效。文章結(jié)合某牽引電機(jī)故障情況分析了油槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致電機(jī)齒軸發(fā)生故障的原理，并通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，說(shuō)明了內(nèi)錐式齒軸過(guò)盈結(jié)合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使用單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)壓裝驗(yàn)證確認(rèn)其操作可行性。牽引電機(jī)齒軸過(guò)盈結(jié)合面油槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，也為類(lèi)似過(guò)盈聯(lián)接油槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

牽引電機(jī)；齒軸配合；過(guò)盈聯(lián)接；油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元

電力機(jī)車(chē)牽引電機(jī)常用齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，一般通過(guò)齒輪與電機(jī)軸過(guò)盈連接的方式傳遞扭矩。常用的齒軸過(guò)盈配合安裝方式有直接壓入法、溫差法和液壓法。液壓法配合表面不易擦傷，可重復(fù)裝拆，適用于過(guò)盈量或尺寸較大的場(chǎng)合，是牽引電機(jī)齒軸過(guò)盈配合最常用的安裝方式。但采用液壓式裝配方法時(shí)，不可避免的需要在結(jié)合面上增加油槽結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，隨著重載電力機(jī)車(chē)單軸功率的攀升，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、小齒輪等關(guān)鍵零部件的可靠性提出了更高的要求。特別是對(duì)于內(nèi)錐式齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于存在彎矩的影響，對(duì)錐面配合結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的小齒輪與電機(jī)內(nèi)錐軸的圓錐過(guò)盈結(jié)合面油槽部位在運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)始出現(xiàn)失效現(xiàn)象，給電力機(jī)車(chē)運(yùn)行安全性和可靠性帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)。

文章結(jié)合現(xiàn)有小齒輪與轉(zhuǎn)軸失效問(wèn)題，并采用有限元仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合等手段，對(duì)內(nèi)錐式齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與小齒輪的過(guò)盈結(jié)合面油槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 現(xiàn)有油槽結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問(wèn)題

1.1 現(xiàn)有油槽結(jié)構(gòu)介紹

在牽引電機(jī)上常見(jiàn)的齒軸配合面油槽結(jié)構(gòu)主要包括以下四種。

一種是純單油槽結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)一般用于傳遞力矩不是很大的動(dòng)車(chē)、地鐵電機(jī)，錐面配合長(zhǎng)度不大或過(guò)盈量不大。如圖1所示。

其二是單油槽加螺旋槽結(jié)構(gòu)，或者是單純的螺旋槽結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是單油槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)版本，能夠更好地使液體分布在整個(gè)錐面上，實(shí)現(xiàn)良好裝配，螺旋槽加工較為復(fù)雜，目前只在部分城軌電機(jī)上應(yīng)用。如圖2所示。

圖1 單油槽結(jié)構(gòu)

圖2 螺旋槽結(jié)構(gòu)

圖3 雙油槽結(jié)構(gòu)

圖4 單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)

第三種為雙油槽結(jié)構(gòu)，主要用于重載型貨運(yùn)機(jī)車(chē)。由于過(guò)盈量較大，且錐面配合長(zhǎng)度大，一般一道油槽難以滿足裝配要求，因此改為雙油槽結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有一道油槽位于錐面大端，一道位于小端，液體分布范圍廣，能更好地實(shí)現(xiàn)小齒輪裝配。如圖3所示。

第四種結(jié)構(gòu)，即單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)。它在單油槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了沿軸向分布的油溝，從而擴(kuò)大液體分布面積，結(jié)構(gòu)可靠性更高，且加工并不復(fù)雜。如圖4所示。

1.2 現(xiàn)油槽結(jié)構(gòu)故障現(xiàn)象

采用雙油槽結(jié)構(gòu)的某牽引電機(jī)，在使用過(guò)程中陸續(xù)出現(xiàn)了小齒輪和電機(jī)轉(zhuǎn)軸在油槽部位失效故障。該電機(jī)采用內(nèi)錐式齒輪傳動(dòng)，為空心轉(zhuǎn)軸和實(shí)心齒輪軸過(guò)盈配合的結(jié)構(gòu)，其大致結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 某電機(jī)轉(zhuǎn)軸與小齒輪配合結(jié)構(gòu)

故障表現(xiàn)一般為小齒輪沿第一道油槽注油孔處斷裂，轉(zhuǎn)軸沿小齒輪第一道油槽過(guò)渡圓弧處斷裂，兩斷口不在同一平面（部分故障是單獨(dú)的轉(zhuǎn)軸斷裂或者小齒輪斷裂）。如圖6所示。文章對(duì)轉(zhuǎn)軸失效原因進(jìn)行分析。

圖6 小齒輪和轉(zhuǎn)軸斷裂照片

1.3 故障原因分析

（1）斷口分析。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)軸某失效樣件進(jìn)行綜合檢測(cè)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸失效形式主要為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。裂紋萌生初期與表面呈約20°左右?jiàn)A角，裂紋擴(kuò)展方向有大角度轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)。疲勞裂紋為穿晶斷裂，符合旋轉(zhuǎn)彎曲+微動(dòng)疲勞裂紋的典型特征，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)軸裂紋微觀照片

從結(jié)構(gòu)配合看，小齒輪第一道油槽位于錐面大端邊緣附近，此處位置確實(shí)存在微動(dòng)滑移的可能。如圖8、圖9所示，電機(jī)軸的疲勞裂紋萌生于靠近小齒輪第一道油槽過(guò)渡圓弧配合部位的微動(dòng)磨損區(qū)內(nèi)，內(nèi)錐表面的微動(dòng)磨損區(qū)內(nèi)呈環(huán)帶狀分布，裂紋源位于內(nèi)圈邊緣油槽邊界區(qū)域，斷口呈多源臺(tái)階狀，材料以剝落形式脫離集體，符合微動(dòng)疲勞磨損損傷及疲勞裂紋萌生的典型特征。

圖8 油槽邊緣表面損傷

圖9 斷口位置微觀特征

（2）材料疲勞特性。對(duì)材料常規(guī)疲勞特性及微動(dòng)疲勞特性進(jìn)行研究也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)軸材料的常規(guī)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度可達(dá)到480MPa以上，而轉(zhuǎn)軸常運(yùn)行應(yīng)力一般在300～400MPa左右，正常來(lái)說(shuō)不會(huì)快速的發(fā)生疲勞斷裂。但對(duì)材料進(jìn)行微動(dòng)疲勞試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)軸材料的微動(dòng)疲勞強(qiáng)度只有250MPa左右，低于轉(zhuǎn)軸實(shí)際運(yùn)行應(yīng)力水平，轉(zhuǎn)軸存在微動(dòng)疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)軸常規(guī)及微動(dòng)疲勞強(qiáng)度

2 油槽優(yōu)化方案

通過(guò)失效分析可知，轉(zhuǎn)軸失效原因之一為油槽位置微動(dòng)磨損，因此可通過(guò)油槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)改善此問(wèn)題。

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比。雙油槽結(jié)構(gòu)，第一道油槽位于電機(jī)軸承下方，轉(zhuǎn)軸壁厚較小，其轉(zhuǎn)軸彎矩較大（如圖11所示），且處于齒軸配合開(kāi)口處微動(dòng)滑移區(qū)，加之油槽邊緣應(yīng)力集中影響，轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐表面更容易產(chǎn)生微動(dòng)疲勞裂紋。

圖11 轉(zhuǎn)軸彎矩分布圖

圖12 電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖（左為雙油槽，右為單油槽）

將其改為單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)，具體如圖12所示，油槽位置往齒輪小端偏移后，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸壁厚較大，同時(shí)結(jié)構(gòu)彎矩減小，并避開(kāi)了齒軸配合開(kāi)口處微動(dòng)滑移區(qū)，局部應(yīng)力也將略有下降，轉(zhuǎn)軸抗微動(dòng)疲勞特性得到極大改善，能夠有效避免裂紋的產(chǎn)生。

（2）有限元分析對(duì)比。通過(guò)有限元仿真計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)軸與小齒輪接觸狀態(tài)及表面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)主要考慮裝配過(guò)盈和傳遞力矩的影響，忽略其他因素影響。計(jì)算模型考慮轉(zhuǎn)軸擋圈和軸承內(nèi)圈的外包作用，轉(zhuǎn)子鐵心簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。如圖13所示，使用六面體網(wǎng)格，為計(jì)算準(zhǔn)確性，對(duì)油槽位置進(jìn)行加密。對(duì)兩端軸承位置約束徑向位移，轉(zhuǎn)軸軸身位置約束旋轉(zhuǎn)位移，同時(shí)N端轉(zhuǎn)軸約束軸向位移。

圖13 網(wǎng)格劃分及加載

計(jì)算后主要通過(guò)過(guò)盈接觸狀態(tài)與表面應(yīng)力兩個(gè)指標(biāo)評(píng)估結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性。由圖14可知，雙油槽結(jié)構(gòu)的第一道油槽處于接觸滑移區(qū)內(nèi)，結(jié)構(gòu)將受到較明顯的微動(dòng)磨損的影響。而采用單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)，油槽位置已避開(kāi)結(jié)構(gòu)滑移區(qū)，受到微動(dòng)磨損的影響將大大降低。

圖14 雙、單油槽過(guò)盈接觸狀態(tài)

從應(yīng)力結(jié)果看上，雙油槽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)油槽位置最大應(yīng)力為340.3MPa，單油槽結(jié)構(gòu)油槽對(duì)應(yīng)位置最大應(yīng)力為320.5MPa，應(yīng)力降低5.8%，如圖15所示。

圖15 雙、單油槽計(jì)算應(yīng)力對(duì)比圖

3 新油槽結(jié)構(gòu)壓裝驗(yàn)證

單油槽結(jié)構(gòu)與雙油槽結(jié)構(gòu)相比，環(huán)向的油槽少了一道，但是增加了六道軸向的油溝。理論上壓裝時(shí)油的分布面積沒(méi)有減小，但為了新結(jié)構(gòu)不影響小齒輪的裝配，按照現(xiàn)有裝配工藝進(jìn)行了小齒輪壓裝驗(yàn)證。

小齒輪裝配時(shí)，采用超高壓電動(dòng)液壓泵提供徑向油壓，手動(dòng)液壓泵提供軸向壓力，兩個(gè)油泵配合進(jìn)行裝配。壓裝前測(cè)量小齒輪端面到轉(zhuǎn)軸端面的距離，并用百分表實(shí)時(shí)記錄齒輪壓入深度。

圖16 小齒輪壓裝工藝驗(yàn)證前后

通過(guò)驗(yàn)證，雙油槽結(jié)構(gòu)一般徑向壓力為190MPa左右，單油槽結(jié)構(gòu)為180～200MPa左右（受油溝深度影響），兩種結(jié)構(gòu)軸向壓力均為65～75MPa左右，均在正常要求范圍內(nèi)，齒輪退出后齒軸表面沒(méi)有刮傷。從驗(yàn)證情況看單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)能夠滿足齒輪裝配要求，但需要注意油溝深度不能太淺，如圖16所示。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析驗(yàn)證，可以得出下面的結(jié)論：

（1）采用錐面配合的轉(zhuǎn)軸失效原因之一為小齒輪油槽部位微動(dòng)磨損所致。

（2）對(duì)重載機(jī)車(chē)或內(nèi)錐式齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)能夠有效減少微動(dòng)磨損提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命；

（3）單油槽加軸向油溝結(jié)構(gòu)能夠滿足齒輪過(guò)盈裝配需求，但需注意油溝深度不能太淺。

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Optim ization of Oil Trough Structure of Traction M otor

TANG Ying-wu，SUN Bing
（Research and Development Department of Traction Motor，Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

The tractionmotorgearand the shaftadopt the interference connection，and the jointsurface isequipped with the oil tank structure to carry on the hydraulic assembly，whichmay causes premature failure to the structure due to the groove position frettingwear.This paper analyzes the failure principle of the gearshaftgearshaftof a tractionmotor，and simulates the static structure through the ANSYSWorkbench，which shows the advantage ofoil tank and axial oil groove structure by combining the internalstructure of the inner conewith the transmission structureand confirms the feasibility of itsoperation through the pressure test.The optimization analysisof the oil tank structure of the tractionmotorhas the theoreticalguidance for the design of the interfacewith similar intermittentconnection.

tractionmotor；gearshaft fit；interference connection；oil tank structureoptimization；finiteelement

TH132.41；U260.31

A

2095-980X（2017）05-0065-03

2017-04-15

唐贏武（1989-），男，大學(xué)本科，主要研究方向：牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。