CRH380BL動車組牽引電機軸端聯(lián)軸器壓裝問題分析及工藝優(yōu)化

高曉霞，曹永志，楊永勤，陳經(jīng)緯，趙文平

(中車唐山機車車輛有限公司技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)

在對CRH380BL動車組進行三級修時，牽引電機需返廠進行部件檢修，檢修完成后需對電機轉(zhuǎn)子做動平衡試驗，電機側(cè)聯(lián)軸器需按要求退卸，退卸后重新壓裝時發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器壓入行程無法達到新聯(lián)軸器壓裝深度(6.84～7.80mm)，因而不能確定在最大啟動扭矩3 170N·m下聯(lián)軸器是否會出現(xiàn)滑移問題，造成大量聯(lián)軸器報廢，導致轉(zhuǎn)向架組裝大面積停產(chǎn)、檢修周期延長、檢修成本大幅增加，如不及時解決，將無法保證返廠修35天的檢修周期，影響動車組的正常上線運行。

針對這一問題，本文研究并制定了聯(lián)軸器退卸后重新壓裝的工藝方案，提高了聯(lián)軸器二次壓裝利用率，為該型動車組的檢修節(jié)約了巨額成本，并確保在規(guī)定周期內(nèi)完成檢修工作。

1 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)

1.1 聯(lián)軸器組成

CRH380BL動車組采用KWD公司生產(chǎn)的ZK177-3.2帶金屬波紋管密封的齒形聯(lián)軸器，用來聯(lián)接牽引電機與齒輪箱的兩根軸，使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該聯(lián)軸器具有轉(zhuǎn)速高、容許軸心偏差大和低溫環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 聯(lián)軸器工作狀態(tài)

如圖2所示，在工作狀態(tài)下，牽引電機輸出軸頭通過襯套與聯(lián)軸器過盈聯(lián)接。動車組高速運行時運行條件復雜，隨時會出現(xiàn)加速、制動、彎道、坡道等狀況，聯(lián)軸器也會相應(yīng)地產(chǎn)生位移變化，以保證電機輸出扭矩向齒輪箱傳遞。

圖1 ZK177-3.2帶金屬波紋管密封的齒形聯(lián)軸器

參數(shù)數(shù)值額定扭矩/(N·m)1 753最大啟動扭矩/(N·m)3 170滑移扭矩/(N·m)9 064壓裝深度/mm6.84～7.80

由于牽引電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及齒輪箱的負載轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，導致聯(lián)軸器質(zhì)心或慣性主軸與實際轉(zhuǎn)動軸線不重合，在運轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生不平衡離心慣性力和動撓度(振型)的轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象[1]，使得聯(lián)軸器在周期性變載荷及非周期性沖擊載荷的作用下，內(nèi)部聯(lián)接套筒和套筒內(nèi)齒產(chǎn)生不同的相對位移，如圖3(鼓形齒傾斜)所示[2]。

圖2 聯(lián)軸器裝配圖

圖3 聯(lián)軸器內(nèi)部出現(xiàn)相對位移

同時，由于電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩及齒輪箱的負載轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，以及由傳動零件制造誤差引起的沖擊和零件不平衡離心慣性力引起的動載荷，使得傳動軸系在變載荷(周期性變載荷及非周期性沖擊載荷)下運行產(chǎn)生機械力[2]，如圖4所示。圖5為運行100萬km后的聯(lián)軸器套筒。

圖4 最大轉(zhuǎn)矩下齒的受力

圖5 運行100萬km后的聯(lián)軸器套筒

2 牽引電機軸端聯(lián)軸器壓裝問題分析

電機側(cè)聯(lián)軸器退卸后重新壓裝時，針對在壓入行程中無法達到新聯(lián)軸器壓裝深度(6.84～7.80mm)的問題進行分析，發(fā)現(xiàn)造成該問題的原因如下：

1)聯(lián)軸器在新車首次壓裝時，襯套與對應(yīng)電機軸端過盈配合，襯套已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形。退卸時對襯套變形控制不嚴格，導致襯套變形偏大，造成二次壓裝時與電機軸端的配合尺寸不符合初始設(shè)計尺寸。

2)實際工藝操作中，沒有記錄牽引電機與聯(lián)軸器的對應(yīng)關(guān)系，檢修后無法保證二者按原對應(yīng)關(guān)系進行組裝。

3)聯(lián)軸器的操作手冊中沒有對聯(lián)軸器退卸后二次壓裝時壓裝深度做出規(guī)定，操作手冊對于聯(lián)軸器二次壓裝的工藝參考性不強。

3 聯(lián)軸器壓裝分析

由表1可知，新聯(lián)軸器最大滑動扭矩可達到9 064N·m，而實際工作中，僅用到額定扭矩和最大啟動扭矩，即按照最大啟動扭矩3 170N·m進行校核即可保證列車運行期間聯(lián)軸器不產(chǎn)生滑移，車輛運行安全。本節(jié)通過理論計算獲得滿足該條件的壓裝深度，并應(yīng)用有限元仿真分析進行驗證，為進一步優(yōu)化工藝提供理論依據(jù)。

3.1 聯(lián)軸器壓入深度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系的理論計算

聯(lián)軸器壓裝后屬于圓錐過盈配合，依據(jù)GB15755—1995(圓錐過盈配合的計算及選用)、GB03852—1997(聯(lián)軸器軸孔和聯(lián)軸器型式與尺寸)、GB03507—1983(機械式聯(lián)軸器公稱扭矩系列)對聯(lián)軸器與牽引電機輸出軸頭的過盈配合量(帶內(nèi)錐面中間套的圓錐過盈聯(lián)接)進行計算[3]，圖6為牽引電機輸出軸頭與聯(lián)軸器的過盈配合圖。

圖6 牽引電機輸出軸頭與聯(lián)軸器的過盈配合圖

結(jié)合壓力pf計算公式為：

(1)

式中：M為轉(zhuǎn)矩；df為配合面直徑；lf為壓入深度；μ為摩擦系數(shù)。

結(jié)合壓力的大小與結(jié)合處過盈量有著直接的關(guān)系。過盈配合中，軸由于受到孔的擠壓產(chǎn)生變形，直徑方向上變小，孔由于受到軸的擠壓產(chǎn)生變形，直徑方向上變大。軸直徑方向上變小的量與孔直徑方向上變大的量之和，即為過盈量δe：

δe=ea+ei

(2)

式中：ea為孔直徑變化量；ei為軸直徑變化量。

軸與孔的直徑變化量與過盈配合的結(jié)合壓力有關(guān)，分別為：

(3)

(4)

式中：Ea為孔的彈性模量；Ca為孔相關(guān)系數(shù)；Ei為軸的彈性模量；Ci為軸相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)的大小由軸、孔尺寸及相關(guān)特性參數(shù)決定：

(5)

(6)

式中：qa為孔內(nèi)徑與外徑比值；qi為軸內(nèi)徑與外徑比值；υa為孔材料的泊松比；υi為軸材料的泊松比。

經(jīng)過計算可得如下公式：

(7)

(8)

式中：da為孔所在件外徑；di為軸所在件內(nèi)徑。

df與lf呈線性關(guān)系，因此df可用lf表示；da與lf呈線性關(guān)系，因此da可用lf表示；di前段為定值，中段與lf呈線性關(guān)系，后段為0，因此di可用lf表示。

M=δef(lf)lf

(9)

以上關(guān)系均在將圓錐無限均分后取圓錐面其中一段視作圓柱面得出的，所傳遞轉(zhuǎn)矩為此圓柱所傳遞的轉(zhuǎn)矩，整個配合面所傳遞的轉(zhuǎn)矩為：

(10)

M=kδe

(11)

由此可知，聯(lián)軸器壓裝過程中，轉(zhuǎn)矩與過盈量呈線性正比關(guān)系。

由于聯(lián)軸器裝配面為錐面，錐度為1∶30，所以壓裝深度A為：

A=30δe

(12)

得：

(13)

通過以上理論計算可知，聯(lián)軸器的壓裝深度大于2.39mm時，在啟動扭矩3 170N·m下聯(lián)軸器不會發(fā)生滑移。

3.2 聯(lián)軸器壓入深度的有限元計算

為進一步驗證理論計算的正確性，采用有限元軟件仿真分析。采用實體單元建立半個聯(lián)軸器的有限元模型，如圖7、圖8所示。牽引電機輸出軸頭、襯套、聯(lián)軸器之間通過接觸單元模擬過盈配合關(guān)系，施加列車運動中產(chǎn)生的加速度載荷[4]，壓裝深度設(shè)置為2.39mm。

圖7 聯(lián)軸器分析模型

結(jié)果表明，在聯(lián)軸器壓裝深度為2.39mm時，可以承受的最大扭矩為3 629N·m，由此驗證了聯(lián)軸器壓裝深度大于2.39mm時，在啟動扭矩3 170N·m下聯(lián)軸器不會發(fā)生滑移。如圖9、圖10所示。

圖8 牽引電機輸出軸頭與聯(lián)軸器的有限元模型

圖9 聯(lián)軸器壓裝深度為2.39mm時有限元分析結(jié)果圖

圖10 聯(lián)軸器壓裝深度為2.39mm時可承受的扭矩圖

4 聯(lián)軸器壓裝的工藝方案優(yōu)化

在實際加工中，考慮到電機軸裝配面與聯(lián)軸器無法達到100%接觸，按照直接接觸面積85%計算，要求壓裝深度需大于2.8mm。目前退卸的聯(lián)軸器壓裝深度均在4mm以上，完全滿足列車安全運行的要求，不產(chǎn)生滑動現(xiàn)象。

以此為理論依據(jù)，對聯(lián)軸器的壓裝工藝方案進行以下優(yōu)化。

1)聯(lián)軸器在退卸過程中，控制膨脹泵壓力小于250MPa，以減少襯套形變，退卸過程如圖11所示。

圖11 聯(lián)軸器退卸

2)聯(lián)軸器壓裝前，進行襯套內(nèi)徑尺寸粗篩，保證壓裝接觸面積不小于85%，如圖12所示。

圖12 軸頭及聯(lián)軸器的檢查

3)退卸聯(lián)軸器時記錄牽引電機與聯(lián)軸器的對應(yīng)關(guān)系，如圖13所示,檢修后保證二者按原對應(yīng)關(guān)系進行組裝。

圖13 退卸下的聯(lián)軸器

4)退卸后的聯(lián)軸器執(zhí)行壓裝深度大于4mm的標準，可完全滿足列車正常運行的要求，同時保證輸出轉(zhuǎn)矩在超過最大啟動轉(zhuǎn)矩時，不產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，如圖14所示。

5)粗篩無法保證接觸面積大于85%的襯套，進行新襯套的更換，同時按照新聯(lián)軸器的壓裝尺寸進行壓裝。

5 結(jié)束語

本文針對CRH380BL動車組電機側(cè)聯(lián)軸器壓裝過盈配合超尺寸的問題，經(jīng)過唐車公司各部門共同努力，完成了理論計算、有限元分析、壓裝試驗、運行跟蹤等工作，優(yōu)化了CRH380BL動車組牽引電機端聯(lián)軸器檢修的壓裝工藝，最終通過鐵路總公司、鐵路局、驗收室的評定，正式寫入《和諧3C、380BL型動車組三級檢修規(guī)程》中，成果得以完全固化。

圖14 聯(lián)軸器壓裝

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