HXN3型高原機車齒輪箱體裂紋分析與解決

張明超 李傳龍 宋華威 樊 慧 孫傳慶

(中車大連機車車輛有限公司 遼寧 大連 116000)

1 齒輪箱裂紋故障情況

機務(wù)段運用部門檢修時發(fā)現(xiàn)HXN3型高原機車齒輪箱出現(xiàn)裂紋，該機車運用在拉薩-日喀則區(qū)段(以下簡稱“拉-日線”),走行15萬km左右,裂紋位置均為齒輪箱上箱體(電機端安裝位置)外側(cè)立板合口拐角處向上延伸至板材邊緣(見圖1),裂紋長度40 mm～70 mm不等。

圖1 HXN3型高原機車齒輪箱裂紋故障

2 齒輪箱體的結(jié)構(gòu)形式

HXN3型高原機車齒輪箱體是非承載式，通過螺栓預(yù)緊安裝在牽引電機和抱軸箱上。齒輪箱主體結(jié)構(gòu)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分為上、下兩個箱體，上、下箱體通過兩端的螺栓連接，下箱體底部設(shè)置有安裝板與抱軸箱體連接，下箱體內(nèi)部在兩側(cè)板之間設(shè)置有導(dǎo)油板,如圖2、圖3所示。

圖2 齒輪箱體安裝示意圖(電機側(cè))

圖3 齒輪箱體安裝示意圖(抱軸箱側(cè))

外側(cè)立板和內(nèi)側(cè)立板同墊板焊接在一起，通過安全卡用T型螺栓固定在電機安裝座上，上下箱體通過卡槽固定，中間涂密封膠。外側(cè)立板裂損后由于有內(nèi)側(cè)立板相連且有安全卡固定，無齒輪箱脫落風(fēng)險。

3 原結(jié)構(gòu)齒輪箱體振動加速度和動應(yīng)力測試

針對齒輪箱體出現(xiàn)裂紋的問題，對HXN3型高原機車在拉-日線進行了齒輪箱振動加速度和動應(yīng)力測試。

拉-日線振動加速度測試結(jié)果如表1所示，拉-日線HXN3型機車齒輪箱上下箱體振動加速度不符合TJ/JW 066—2015[1]《交流傳動機車焊接齒輪箱體暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的工況：“超常載荷強度要求軸懸式齒輪箱體能承受垂向20 g、橫向10 g和縱向5 g的自身質(zhì)量的慣性力沖擊；常用載荷強度要求軸懸式齒輪箱體能承受垂向±6 g、橫向±5 g和縱向±2.5 g的自身質(zhì)量的慣性力沖擊”。測試值達到TJ/JW 066—2015[1]標準值的2倍左右，拉-日線振動加速度值最大時速度基本都在110 km/h以上，拉-日線機車運行速度對機車齒輪箱振動加速度及動應(yīng)力影響較大。

表1 拉-日線原結(jié)構(gòu)齒輪箱振動加速度測試結(jié)果

根據(jù)齒輪箱原結(jié)構(gòu)強度測試結(jié)果，拉-日線裂紋位置測試值都超過疲勞許用應(yīng)力，壽命基本在100萬km以上(見表2)。實際齒輪箱上箱體(電機端安裝位置)外側(cè)立板合口拐角處在運行15萬km時出現(xiàn)裂紋，通過模擬仿真計算可知立板合口拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中位置由于空間限制無法貼應(yīng)變片，故齒輪箱使用壽命小于實際測量壽命值。原結(jié)構(gòu)擋油板處應(yīng)變片無法貼到齒輪箱內(nèi)部焊縫處，只能貼到外側(cè)母材處，故測試結(jié)果和實際應(yīng)力水平有差別。

表2 齒輪箱原結(jié)構(gòu)強度測試結(jié)果

4 原結(jié)構(gòu)齒輪箱計算分析

根據(jù)拉-日線振動加速度測試結(jié)果制定計算工況，縱向、橫向、垂向均取了試驗測得的加速度最大值，組合出表3中的超常載荷計算工況，用ANSYS軟件對齒輪箱體靜強度進行計算分析。

計算結(jié)果顯示，原始方案齒輪箱靜強度不滿足設(shè)計要求，齒輪箱具有最大應(yīng)力值達到350 MPa，超出了材料的許用應(yīng)力，位置在立板合口拐角處。擋油板處應(yīng)力最大值為171.69 MPa，齒輪箱與抱軸箱連接板處最大值為207.784 MPa，小于材料許用應(yīng)力。

表3 測試工況下超常載荷計算工況表 /g

將實測得到的仁布至日喀則區(qū)間(往返共計194 km)原始方案上箱體的縱向、橫向、垂向加速度譜作為輸入，根據(jù)ERRI B12/RP 60[2]中推薦的存活率99.7%進行計算，對應(yīng)的200萬循環(huán)次數(shù)下的許用應(yīng)力大小為132 MPa，得到原始方案的疲勞強度。齒輪箱體的縱向、橫向、垂向加速度譜如圖4、圖5 所示。

圖4 齒輪箱體縱向、橫向、垂向加速度譜(仁布至日喀則)

圖5 齒輪箱體縱向、橫向、垂向加速度譜(日喀則至仁布)

通過計算，得到齒輪箱體原始方案疲勞強度薄弱位置如圖6所示，原始方案的疲勞壽命為12萬km，最薄弱位置位于電機側(cè)上墊板與側(cè)板焊縫處。

圖6 齒輪箱體原始方案疲勞強度薄弱位置

通過計算結(jié)果可以看出：齒輪箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計余量小、局部應(yīng)力高是造成齒輪箱裂紋的主要原因。因此解決裂紋問題主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，降低裂紋處應(yīng)力方面入手。

5 改進措施

根據(jù)齒輪箱測試和計算結(jié)果，為提高齒輪箱的疲勞壽命，進一步降低齒輪箱應(yīng)力，提高可靠性，對HXN3型高原機車齒輪箱做如下改進優(yōu)化(見圖7): (1)上下箱體側(cè)板合口位置直角改為圓弧過渡；(2)下箱體外側(cè)板擋油板處內(nèi)部增加補強板；(3)加寬墊板和頂板焊接為一體；(4)齒輪箱與抱軸箱連接板加大，板厚緩慢過渡；(5)優(yōu)化擋油板形狀使之緩慢過渡以釋放應(yīng)力。

圖7 齒輪箱優(yōu)化方案

6 齒輪箱優(yōu)化方案靜強度及疲勞強度計算結(jié)果分析

在實際試驗工況下，優(yōu)化方案靜強度全部滿足設(shè)計要求，最大值為169 MPa，小于材料許用應(yīng)力。其中立板合口拐角處應(yīng)力為147 MPa，比原始方案應(yīng)力下降明顯；齒輪箱與抱軸箱連接板處最大值為110.2 MPa，小于材料許用應(yīng)力；擋油板處應(yīng)力最大為102.87 MPa，小于材料許用應(yīng)力。

通過計算，得到齒輪箱體優(yōu)化方案振動疲勞薄弱位置如圖8所示,優(yōu)化方案的疲勞壽命為423萬km，最薄弱位置位于小齒輪合口處,其他位置均為無限壽命。

圖8 齒輪箱體優(yōu)化方案振動疲勞薄弱位置

根據(jù)齒輪箱測試振動加速度結(jié)果進行計算分析，優(yōu)化方案比原始方案最高應(yīng)力低很多。對于現(xiàn)在裂紋位置，優(yōu)化方案的應(yīng)力相較原結(jié)構(gòu)減小非常明顯，優(yōu)化方案壽命比原始方案有較大提高。

7 優(yōu)化方案齒輪箱動應(yīng)力測試

試驗機車+客車在拉-日線往返兩次進行測試，試驗里程約1 000 km，最高試驗速度117.4 km/h。測試結(jié)果顯示HXN3型機車優(yōu)化方案齒輪箱體各測點實測最大應(yīng)力均未超過該測點處材料的許用應(yīng)力。優(yōu)化方案齒輪箱體最大應(yīng)力值為57.3 MPa。在拉-日線相同運營條件下，優(yōu)化方案齒輪箱體相比原結(jié)構(gòu)齒輪箱體相同位置的動應(yīng)力測試點實測最大應(yīng)力值明顯降低，基本為原結(jié)構(gòu)的1/2，有的為原結(jié)構(gòu)的1/3。

HXN3型機車優(yōu)化齒輪箱體拉-日線測試結(jié)果顯示：在各動應(yīng)力測試點的等效應(yīng)力幅中，最大等效應(yīng)力幅出現(xiàn)在齒輪箱體擋油板處，為88.0 MPa。在拉-日線相同運營條件下，優(yōu)化方案齒輪箱體相比原結(jié)構(gòu)相同位置的動應(yīng)力測試點等效應(yīng)力幅值明顯降低。

8 優(yōu)化方案的應(yīng)用

2018年6月開始，采用優(yōu)化方案的齒輪箱已在HXN3型高原機車中批量運用。截至2020年7月30日，裝用優(yōu)化方案齒輪箱的機車最高走行已達40萬km以上，運用狀態(tài)良好。

9 結(jié)論

HXN3型機車優(yōu)化方案的齒輪箱體計算和拉-日線測試結(jié)果，結(jié)論如下：

(1)實際運行條件下，齒輪箱體實際測量的載荷，優(yōu)化方案齒輪箱體在靜強度工況下的計算應(yīng)力值均小于許用值，滿足靜強度設(shè)計要求。根據(jù)實測原始方案上箱體三向加速度激勵譜，對原結(jié)構(gòu)、優(yōu)化方案的疲勞壽命進行計算，原結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為12萬km，優(yōu)化方案的疲勞壽命為423萬km。優(yōu)化方案壽命提高明顯。

(2)在拉-日線實際線路測試中，優(yōu)化方案齒輪箱體相比原結(jié)構(gòu)齒輪箱體，動應(yīng)力測點實測最大應(yīng)力值明顯降低?；緸樵Y(jié)構(gòu)的1/2，有的為原結(jié)構(gòu)的1/3。

(3)在拉-日線相同運營條件下，優(yōu)化方案齒輪箱體相比原結(jié)構(gòu)齒輪箱體相同位置的動應(yīng)力測試點等效應(yīng)力幅值有明顯的降低。

(4)裝用優(yōu)化方案齒輪箱的機車已經(jīng)過兩年時間的運用考核，運用結(jié)果表明優(yōu)化方案齒輪箱取得了良好的效果。