丁祿振， 陳泓宇, 孫 兵

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

大功率交流傳動電力機(jī)車[1]因其顯著的性能及維護(hù)優(yōu)勢在我國得到普遍發(fā)展應(yīng)用，牽引電機(jī)是其中最核心的部件之一。牽引電機(jī)為高電壓大電流電氣設(shè)備，一般會設(shè)置接線盒來連接牽引電機(jī)接線端子和機(jī)車主電纜。牽引電機(jī)接線盒需有足夠的電氣間隙和清潔的環(huán)境，避免出現(xiàn)接線端子對地放電或爬電，同時貨運機(jī)車牽引電機(jī)多為抱軸安裝，牽引電機(jī)需要直接承受來自輪軌的沖擊振動。因此,為保證牽引電機(jī)可靠運行，要求接線盒蓋板具有抗振、密封、絕緣等性能。此外為了方便牽引電機(jī)檢修和維護(hù)，接線盒蓋板還應(yīng)易于拆卸安裝。

自2013年起，多個型號大功率機(jī)車牽引電機(jī)[2]接線盒蓋板緊固螺栓在運行過程中發(fā)生松脫、斷裂故障，經(jīng)過多次處理，問題一直未得到有效解決，對行車安全構(gòu)成威脅，嚴(yán)重影響了機(jī)車的正常運用。本文就牽引電機(jī)接線盒蓋板緊固螺栓斷裂的根本原因進(jìn)行了分析，并提出了針對性改進(jìn)措施。

1 接線盒蓋板的結(jié)構(gòu)

牽引電機(jī)接線盒蓋板采用接線盒蓋加絕緣橡膠密封墊結(jié)構(gòu)。接線盒蓋采用8 mm厚Q235鋼板，密封墊采用3 mm硅橡膠墊，用于接線盒蓋板的密封同時增大接線端子與接線盒蓋板之間電氣絕緣間隙，橡膠墊用密封膠粘在接線盒蓋板上。接線盒蓋板通過M8×25 mm螺栓和標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈緊固在接線盒上，滿足接線盒蓋板易于拆卸安裝的要求。電機(jī)接線盒蓋板安裝如圖1所示。

圖1 牽引電機(jī)接線盒蓋板安裝圖

2 故障原因分析

2. 1 外觀檢查

斷裂的緊固螺栓外觀如圖2、圖3所示。螺栓大部分都在距離螺栓小端面12 mm處斷裂，斷裂部位位于螺栓根部，斷面與軸向基本垂直，斷口處附近未見明顯的塑性變形。

圖2 牽引電機(jī)接線盒蓋板緊固螺栓斷裂

圖3 斷裂螺栓外觀檢查

2. 2 斷口分析

(1) 斷口宏觀分析。斷口宏觀觀察如圖4所示，可見螺栓斷口為典型的疲勞斷口，斷面較平整，呈淺灰色，局部銹蝕，斷裂起始于外圓一側(cè)，向?qū)γ鏀U(kuò)展直至斷裂，疲勞源區(qū)可見疲勞臺階，未見明顯的冶金缺陷及加工缺陷，疲勞區(qū)面積約占整個斷面的90%。

圖4 斷口宏觀觀察

(2)斷口微觀分析。斷口微觀觀察如圖5所示，在掃描電鏡下觀察，斷口起始于外圓一側(cè)(螺紋槽底)，向?qū)γ鏀U(kuò)展直至斷裂。疲勞源區(qū)可見疲勞臺階，未見明顯的冶金缺陷及加工缺陷，疲勞擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶，斷裂部位有明顯的剪切唇。

圖5 斷口微觀觀察

2. 3 結(jié)構(gòu)受力及故障原因分析

通過對斷裂螺栓外觀檢查和斷口分析，可以確定螺栓是典型的疲勞斷裂。分析其斷裂過程是由于接線盒蓋板與接線盒之間采用橡膠墊密封，接線盒蓋板與接線盒之間為彈性連接結(jié)構(gòu)，運行過程中，牽引電機(jī)接線盒蓋板受到來自輪軌的周期性沖擊振動，橡膠密封墊產(chǎn)生彈性壓縮，接線盒蓋板緊固螺栓發(fā)生松弛，最后導(dǎo)致接線盒蓋板松動。如圖1所示，接線盒蓋板為傾斜安裝結(jié)構(gòu)，接線盒蓋板松動后，在機(jī)車振動和接線盒蓋板自身重力作用下，接線盒蓋板同螺栓間產(chǎn)生相對位移，開始持續(xù)對緊固螺栓產(chǎn)生橫向的剪切作用。

蓋板緊固螺栓為六角頭螺栓，螺栓根部為整個螺栓最薄弱的地方，螺栓受到長時間的剪切力導(dǎo)致螺栓根部逐漸出現(xiàn)早期裂紋；在運行過程中，接線盒蓋板持續(xù)對螺栓產(chǎn)生橫向的剪切作用，引起裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大，最終造成螺栓疲勞斷裂。

2. 4 抗振防松驗證

選取帶橡膠密封墊的牽引電機(jī)接線盒蓋板一塊，將接線盒蓋板安裝到牽引電機(jī)接線盒上，用標(biāo)準(zhǔn)20 N·m力矩將4個螺栓緊固好；放置24 h后，用重物敲擊接線盒蓋板30～50次，模擬運行振動作用，用力矩扳手從小到大逐漸施加力矩的方式檢查螺栓緊固力的下降和螺栓松弛情況，記錄如表1所示。

表1 橡膠密封墊彈性連接結(jié)構(gòu)緊固驗證(20 N·m)

通過試驗驗證發(fā)現(xiàn)，接線盒蓋板帶橡膠密封墊彈性連接情況下，緊固螺栓緊固力矩短時內(nèi)出現(xiàn)下降，螺栓發(fā)生松弛，驗證結(jié)果進(jìn)一步證實了對故障原因的分析判斷。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)斷口和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)論，同時結(jié)合試驗驗證情況，為了避免因接線盒蓋板緊固螺栓松動導(dǎo)致螺栓長期受到剪切作用而疲勞斷裂，主要改進(jìn)思路為將接線盒蓋板的彈性連接改為剛性連接，同時滿足接線盒蓋板抗振、密封、絕緣及易于拆卸安裝的要求。

3. 1 連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)

接線盒蓋板與接線盒之間由彈性連接改為剛性連接。接線盒蓋板安裝孔改為沖孔形式，在接線盒蓋內(nèi)側(cè)形成凸臺，凸臺高度為2.2～2.5 mm。粘上3 mm硅橡膠墊后，橡膠墊高出安裝凸臺0.5～0.8 mm。在用螺栓緊固壓緊后，橡膠墊壓縮，接線盒蓋板安裝凸臺與接線盒之間形成剛性連接結(jié)構(gòu)，避免因振動及橡膠墊壓縮導(dǎo)致的接線盒蓋板松動，從而減少蓋板對緊固螺栓的剪切作用，同時能壓緊橡膠墊，保證接線盒密封性。

圖6 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

3. 2 接線盒蓋板改進(jìn)

(1) 接線盒蓋板的主要作用是防止運行中異物磕碰和對接線盒進(jìn)行密封防護(hù)。在保證接線盒板功能的前提下，將接線盒蓋板厚度由8 mm減薄到3 mm，降低接線盒蓋板重量，減少運行中接線盒蓋板對緊固螺栓的剪切作用。

(2) 接線盒蓋板四周沖成帽型，增加蓋板的防水、防塵性能，異常情況下對接線盒蓋板及緊固螺栓提供一定保護(hù)作用。

(3) 接線盒蓋板安裝孔及安裝凸臺采用沖壓工藝實現(xiàn)。為提高安裝孔及安裝凸臺沖壓質(zhì)量，蓋板材料采用塑性更好的Q195鋼板取代原有的Q235鋼板。

3. 3 橡膠密封墊選型計算

橡膠材料在純拉伸和壓縮負(fù)荷作用下，應(yīng)力σ和應(yīng)變ε間關(guān)系為

(1)

式中：E——彈性模量。

式(1)在20%～50%壓縮的工程應(yīng)用范圍內(nèi)，具有足夠的精確性。當(dāng)應(yīng)變在±15%的范圍內(nèi)，可以將應(yīng)力和應(yīng)變間的關(guān)系近似地用式(2)表示：

式中：F——橡膠材料承受的載荷；

A——橡膠材料的承載面積；

f——橡膠材料的變形量；

h——橡膠材料的高度。

橡膠材料在剪切負(fù)荷作用下，當(dāng)切應(yīng)變不超過100%，切應(yīng)力τ和切應(yīng)變γ間的關(guān)系為

τ=Gγ(3)

式中:G——切變模量。

由試驗得到，橡膠材料的彈性模量E和切變模量之間具有以下關(guān)系：

E=3G

橡膠材料的切變模量G和橡膠材料的牌號和組成成分幾乎無關(guān)，而與橡膠的硬度有關(guān)。成分不同，硬度相同的橡膠其切變模量之差很小。計算切變模量的值可由式(4)計算：

G=0.119e0.034HS(4)

式中：HS——橡膠材料的肖氏硬度。

考慮橡膠墊的耐高、低溫性能及絕緣性能，橡膠墊原材料仍選取硅橡膠。根據(jù)上述分析及機(jī)械設(shè)計手冊[3]公式分別計算橡膠墊在40、50、60度級硬度下，在20 N·m緊固力矩下壓縮位移分別為0.95、0.85、0.65 mm。

接線盒蓋內(nèi)側(cè)凸臺高度考慮到橡膠墊壓緊密封要求和凸臺加工誤差，確定凸臺高度為2.2～2.5 mm，根據(jù)這一高度，粘上3 mm硅橡膠墊后，橡膠墊高出安裝凸臺0.5～0.8 mm，橡膠密封墊在20 N·m緊固力矩下壓縮位移需要大于0.8 mm才能保證接線盒蓋板凸臺與接線盒之間為剛性連接，綜合考慮橡膠墊性能、加工工藝性及材料通用性，橡膠墊材料建議選取50度級硅橡膠。

3. 4 墊圈選型計算

接線盒蓋板螺栓安裝孔及安裝凸臺采用沖壓結(jié)構(gòu)，安裝孔邊緣區(qū)域凹陷。為保證緊固螺栓壓緊接觸面積及防松效果，緊固螺栓配合8 mm大墊圈和標(biāo)準(zhǔn)彈簧墊圈一起使用，提高螺栓緊固性能，防止接線盒蓋板松動。但在驗證試驗過程中發(fā)現(xiàn)采用大墊圈加普通彈簧墊圈結(jié)構(gòu)，在20 N·m緊固力矩下大墊圈有一定的變形。對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)彈簧墊圈與大墊圈處接觸面積過小，導(dǎo)致應(yīng)力主要集中在大墊圈的懸空部分上，易導(dǎo)致大墊圈變形。因此考慮將標(biāo)準(zhǔn)彈簧墊圈改為錐形彈簧墊圈，在壓緊后錐形彈簧墊圈外徑超過大墊圈的懸空部分，墊圈應(yīng)力分布將更均勻，同時為精確了解其變形過程，用Ansys對上述緊固結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行仿真對比大墊圈壓縮后變形量仿真，如圖7、圖8所示。

圖7 大墊圈壓縮后變形量仿真

圖8 采用大墊圈和錐形彈簧墊圈壓縮后變形量仿真

從以上仿真分析結(jié)果看，采用大墊圈和錐形彈簧墊圈結(jié)構(gòu)，墊圈的最大變形量為0.05 mm，變形量明顯減小，同時應(yīng)力分布更均勻。在實際的驗證中，用肉眼觀察，大墊圈沒有再發(fā)生變形，因此考慮采用錐形彈簧墊圈加大墊圈的螺栓緊固防松方式。

3. 5 試用驗證

選取新結(jié)構(gòu)接線盒蓋板，在緊固后靜置24 h，然后采用扭力扳手在15～20 N·m范圍力矩內(nèi)逐級試驗。經(jīng)試驗，在15～20 N·m范圍內(nèi)扭力扳手無法打動螺栓，說明螺栓緊固力矩沒有下降，緊固效果很好。

拆卸接線盒蓋板，檢查接線盒蓋板安裝凸臺面，有明顯接觸痕跡，說明接線盒蓋板與接線盒之間已經(jīng)形成剛性連接。

4 結(jié) 語

機(jī)車牽引電機(jī)接線盒蓋板緊固螺栓斷裂主要是由于接線盒蓋板與接線盒之間為彈性連接結(jié)構(gòu)，在運行過程中振動及橡膠密封墊壓縮作用下

接線盒蓋板緊固螺栓發(fā)生松弛，最后導(dǎo)致接線盒蓋板松動，使得緊固螺栓受到接線盒蓋板持續(xù)的橫向剪切力而發(fā)生疲勞斷裂。在保證接線盒蓋板滿足抗振、密封、絕緣、拆卸方便等性能要求的同時，通過改變接線盒蓋板彈性連接結(jié)構(gòu)為剛性連接結(jié)構(gòu)、合理選擇橡膠密封墊材料、優(yōu)化螺栓緊固防松方式、減薄接線盒蓋板等措施，避免緊固螺栓長期受到接線盒蓋板的剪切作用。采用改進(jìn)措施后，該結(jié)構(gòu)已安全運行超過3年，期間未發(fā)生過接線盒蓋板緊固螺栓松脫、斷裂故障，改進(jìn)效果顯著。目前該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在公司新研制機(jī)車牽引電機(jī)上全面推廣運用，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] 廖洪濤.和諧HXD1型大功率交流電力機(jī)車概述[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2007,30(1): 7-10.

[2] 鄧日江.和諧HXD1型機(jī)車用變頻異步牽引電機(jī)[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2007,30(1): 18-20.

[3] 蔡春源.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.