低地板有軌電車用膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂問題研究

李 穩(wěn),韓俊臣,王文華,李 諾,陳偉婧,蔣華毅

(1．中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062; 2．同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804)

0 引言

聯(lián)軸節(jié)也被稱為“聯(lián)軸器”,主要作用是聯(lián)接不同機構(gòu)中的2根軸,使其共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩,同時補償2個不同機構(gòu)之間的變位,保證軸系動態(tài)性能穩(wěn)定[1]。聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣,在軌道交通車輛領(lǐng)域,一般采用齒式聯(lián)軸節(jié)、膜片式聯(lián)軸節(jié)、彈性聯(lián)軸節(jié)以及萬向軸聯(lián)軸節(jié)等[2]。對于有軌電車而言,多采用膜片式聯(lián)軸節(jié),安裝于牽引電機與齒輪箱之間,以傳遞牽引電機輸出的牽引力和制動力[3-4]。膜片式聯(lián)軸節(jié)由兩半部分組成,分別安裝于牽引電機輸出軸與齒輪箱輸入軸,并通過螺栓等緊固件將兩半部分進行連接[5]。在某有軌電車運用中發(fā)現(xiàn),齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)在膜片厚度最薄處出現(xiàn)斷裂問題,導致牽引電機扭矩無法正常傳遞給齒輪箱。經(jīng)統(tǒng)計和調(diào)查,該問題的發(fā)生與車輛運行里程、運行時間并無明顯關(guān)系。為找出膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂的根本原因并加以解決,本文將通過對故障樣件的分析、載荷(變位)在線測試、仿真計算、在線跟蹤等手段對該問題進行深入研究。

1 驅(qū)動系統(tǒng)

本文所研究的低地板有軌電車采用牽引電機與齒輪箱剛性連接的驅(qū)動系統(tǒng),即牽引電機外殼與齒輪箱箱體通過螺栓等緊固件進行連接,牽引電機輸出軸與齒輪箱輸入軸之間采用膜片式聯(lián)軸節(jié)進行聯(lián)接,以傳遞牽引和制動扭矩,整套驅(qū)動系統(tǒng)通過彈性節(jié)點吊掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上,具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。該結(jié)構(gòu)形式可使整套驅(qū)動系統(tǒng)的重量全部由構(gòu)架來承擔,從而降低轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量,減少輪軌沖擊并提高車輛動力學性能,同時,牽引電機外殼與齒輪箱箱體剛性連接后,整套驅(qū)動系統(tǒng)組成一個剛性結(jié)構(gòu),牽引電機與齒輪箱兩者之間沒有了相對變位,大大降低對膜片式聯(lián)軸節(jié)補償變位能力的要求。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)

適用于該驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的膜片式聯(lián)軸節(jié)在設計時考慮了軸向所承受的最大扭矩,同時,考慮由于軸承游隙、裝配誤差所引起的最大軸向變位,在此基礎上,對膜片式聯(lián)軸節(jié)進行結(jié)構(gòu)設計和強度校核,結(jié)果滿足使用要求。但在實際運用中,卻出現(xiàn)了聯(lián)軸節(jié)斷裂問題,斷裂位置位于齒輪箱側(cè)膜片厚度最薄處,斷裂形式如圖2所示。

2 故障樣件檢測

隨機選取膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂故障的樣件進行斷口分析和理化檢測,如圖3所示。經(jīng)宏觀形貌檢查發(fā)現(xiàn),膜片式聯(lián)軸節(jié)裂紋及斷裂位于膜片厚度最薄處,斷面大部分區(qū)域呈銀灰色金屬光澤,未見老舊裂紋和夾渣缺陷。斷口邊緣存在多次裂紋交匯臺階,擴展區(qū)存在疲勞貝紋弧線。局部區(qū)域斷面發(fā)藍,斷面已被磨平,結(jié)合微觀形貌特征推斷該現(xiàn)象為斷裂后磨蹭燒傷所致;經(jīng)微觀形貌檢查發(fā)現(xiàn),裂紋源處存在多次裂紋交匯臺階,擴展區(qū)微觀形貌為準解理斷裂,存在疲勞輝紋,斷面具有多源高周低應力疲勞斷裂特征;經(jīng)材質(zhì)及金相檢查發(fā)現(xiàn),膜片式聯(lián)軸節(jié)所選用的材質(zhì)符合EN 10085中有關(guān)31CrMoV9的要求[6],且非金屬夾雜物較少,材料純凈度較高,在裂紋源處未發(fā)現(xiàn)異常夾雜,斷口截面兩側(cè)組織和基體一致,均為回火索氏體,未見明顯磨削和氧化脫碳現(xiàn)象,斷口邊緣存在鎳磷鍍層,厚度約為12 μm,滿足技術(shù)要求。

圖3 故障樣件斷口形貌

通過對故障樣件的斷口分析和理化分析可得出膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂為疲勞斷裂,推測在運用過程中存在異常振動,膜片式聯(lián)軸節(jié)軸向厚度小,剛度較小,在軸向上出現(xiàn)較大載荷和變位時,容易在膜片最薄處發(fā)生疲勞斷裂。

3 線路測試

為驗證膜片式聯(lián)軸節(jié)在運用過程中承受了異常載荷(高于設計之初的給定載荷),對驅(qū)動系統(tǒng)進行在線線路測試。在驅(qū)動系統(tǒng)外殼縱向中心面上方共布置3個三向(X,Y,Z)振動加速度傳感器,分別布置在電機外殼吊點內(nèi)側(cè)、電機與齒輪箱分界面處和齒輪箱吊點外側(cè),以檢測整套驅(qū)動系統(tǒng)振動情況,如圖4所示。在齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱密封蓋之間布置2個軸向位移傳感器和2個徑向位移傳感器,檢測膜片式聯(lián)軸節(jié)在運用過程中的變位情況,傳感器布置情況如圖5所示。

圖4 振動加速度傳感器布置方案

圖5 位移傳感器布置方案

線路測試時車輛工況與正常運營工況一致,平均速度約為20 km/h。通過測試發(fā)現(xiàn),線路總體狀態(tài)良好,驅(qū)動系統(tǒng)最大有效振動加速度均小于設計之初的給定值,即滿足EN 13749標準要求[7];通過所測得的膜片式聯(lián)軸節(jié)軸向和徑向變位,換算出膜片式聯(lián)軸節(jié)最大偏轉(zhuǎn)角度為0.19°,平均偏轉(zhuǎn)角度為0.15°,超出該膜片式聯(lián)軸節(jié)允許的最大偏轉(zhuǎn)角度(0.1°)。膜片式聯(lián)軸節(jié)最大偏轉(zhuǎn)角度與偏轉(zhuǎn)剛度相乘即為其所承受的最大偏轉(zhuǎn)力。因偏轉(zhuǎn)角度超出允許值,所以膜片式聯(lián)軸節(jié)在運用過程中所承受的最大偏轉(zhuǎn)力超出允許值,在這種較大載荷反復作用下,聯(lián)軸節(jié)疲勞強度無法滿足要求,最終導致疲勞斷裂。線路測試結(jié)果與膜片式聯(lián)軸節(jié)故障樣件分析結(jié)果相吻合,故可判定膜片式聯(lián)軸節(jié)在運用過程中承受了超出允許范圍的載荷而導致斷裂。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于膜片式聯(lián)軸節(jié)的斷裂原因,可通過減小膜片式聯(lián)軸節(jié)偏轉(zhuǎn)載荷、提高膜片式聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)疲勞強度2個方面進行優(yōu)化以解決故障。對于既有結(jié)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)而言,優(yōu)化齒輪箱或牽引電機結(jié)構(gòu)使膜片式聯(lián)軸節(jié)承受的偏轉(zhuǎn)載荷減小,難度較大不易實現(xiàn),因此,須對膜片式聯(lián)軸節(jié)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以獲得能夠承受較高載荷的性能。

提高強度最直接的方式是增加薄弱位置的厚度。由于驅(qū)動系統(tǒng)軸承布置、軸承游隙、齒輪參數(shù)、組裝工藝(誤差)、牽引電機參數(shù)等均保持不變,因此,膜片式聯(lián)軸節(jié)在運用過程中所承受的最大偏轉(zhuǎn)載荷不變。考慮結(jié)構(gòu)空間等限制,維持膜片式聯(lián)軸節(jié)最大偏轉(zhuǎn)角度0.1°不變,故可計算出膜片式聯(lián)軸節(jié)偏轉(zhuǎn)剛度,從而預估出膜片最薄處的厚度。經(jīng)預估,優(yōu)化后齒輪箱側(cè)的膜片聯(lián)軸節(jié)最薄處的厚度約為原始厚度的2倍,電機側(cè)聯(lián)軸節(jié)保持不變。

采用有限元分析方法[8-9],參考FKM相關(guān)標準選取安全系數(shù)[10],按照線路實際測試載荷對優(yōu)化前后的聯(lián)軸節(jié)進行強度計算,圖6為優(yōu)化前齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)典型靜強度工況計算結(jié)果,圖7為優(yōu)化后齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)典型靜強度工況計算結(jié)果,圖8為優(yōu)化后齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)疲勞強度計算結(jié)果。

圖6 優(yōu)化前齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)典型靜強度工況計算結(jié)果

圖7 優(yōu)化后齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)典型靜強度工況計算結(jié)果

圖8 優(yōu)化后齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)疲勞強度計算結(jié)果

從圖6可以看出,優(yōu)化前齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)材料最大利用率達到了146%,大于1,且出現(xiàn)在膜片式聯(lián)軸節(jié)最薄處,這表明在實際運用中,齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)靜強度無法滿足要求,最薄弱的位置為膜片式聯(lián)軸節(jié)最薄處,由于優(yōu)化前齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)靜強度無法滿足要求,故未對其進行疲勞強度計算。從圖7可知,優(yōu)化后齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)最大應力為477.6 MPa,且位于螺栓安裝孔附近,而不是膜片式聯(lián)軸節(jié)最薄處,考慮材料屈服強度和安全系數(shù),材料最大利用率為84.7%,小于1,這表明優(yōu)化后的齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)靜強度滿足要求。從圖8可以看出,優(yōu)化后的齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)各節(jié)點計算結(jié)果均落在Goodman曲線內(nèi),表明優(yōu)化后的齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)疲勞強度滿足要求,最大應力幅為166 MPa,安全系數(shù)為2.5。

5 裝車驗證

為驗證優(yōu)化后的膜片式聯(lián)軸節(jié)能夠滿足實際使用要求,對優(yōu)化后的產(chǎn)品進行臺架試驗驗證合格后,生產(chǎn)4個樣品進行裝車運行10萬km在線考核。在線運營考核結(jié)束后,對優(yōu)化后的膜片式聯(lián)軸節(jié)及齒輪箱進行分解檢查。在拆解過程中,對軸承游隙、齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)跳動等進行測量,雖軸承游隙比在線運營考核前所測值略有增加,但仍處于合格范圍內(nèi),一般而言,齒輪箱經(jīng)過運用后軸承會產(chǎn)生一定的磨損,從而導致游隙略有增加,屬于正?，F(xiàn)象。圖9展示了拆解過程中對聯(lián)軸節(jié)跳動等尺寸的測量。同時,對潤滑油進行理化檢測,其中鐵成分、水成分均滿足要求,潤滑油狀態(tài)良好。

圖9 聯(lián)軸節(jié)跳動測量

對拆解下來的4套齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)進行外觀檢查、磁粉探傷檢查及尺寸檢查。膜片式聯(lián)軸節(jié)外觀完好,僅在與滑移襯套配合表面存在少許軸向劃痕,應為拆卸滑移襯套時產(chǎn)生的拉痕,如圖10所示。經(jīng)磁粉探傷檢查,膜片式聯(lián)軸節(jié)表面無裂紋損傷;經(jīng)尺寸檢查,膜片式聯(lián)軸節(jié)關(guān)鍵尺寸均滿足圖紙要求。

由此可知,優(yōu)化后的齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)經(jīng)過約10萬km的運營考核后,其狀態(tài)良好,未出現(xiàn)膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂,同時,優(yōu)化的膜片式聯(lián)軸節(jié)對齒輪箱各零部件性能的影響較小。該優(yōu)化方案可以解決齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)在膜片最薄處斷裂問題。

6 總結(jié)

膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂將導致牽引電機無法將牽引扭矩和制動扭矩傳遞給齒輪箱,從而降低整車的牽引性能和制動性能,同時,牽引電機將出現(xiàn)過速現(xiàn)象。本文通過對膜片式聯(lián)軸節(jié)故障樣件分析和對實際運營過程中膜片式聯(lián)軸節(jié)承載情況的測試,確定膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂的主要原因是實際使用工況超出其允許偏轉(zhuǎn)角度,導致膜片最薄處強度不足進而發(fā)生斷裂。

通過對齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)薄弱位置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使膜片式聯(lián)軸節(jié)強度得到有效提高,滿足實際運營需求,并經(jīng)過線路運營考核驗證了優(yōu)化方案的可靠性。同時,該方案對齒輪箱整體結(jié)構(gòu)及性能無明顯影響,且對驅(qū)動系統(tǒng)的改動量最小,這可有效降低解決膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂問題的成本和周期,對保證車輛投入運營的使用率具有積極作用。