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        齒輪箱從動(dòng)齒輪過盈配合設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究

        2021-07-28 03:05:32金思勤王鵬川崔會(huì)勇金鵬云
        軌道交通裝備與技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)軸節(jié)過盈過盈量

        金思勤 王鵬川 朱 飛 崔會(huì)勇 金鵬云

        (中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

        0 引言

        齒輪箱作為動(dòng)車組動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵零部件,其安全可靠性關(guān)系到整車的穩(wěn)定運(yùn)行,其中從動(dòng)齒輪與車軸為過盈配合,過盈配合與其他固定聯(lián)結(jié)形式相比,結(jié)構(gòu)簡單,配合的定心性好,由于不需附加緊固件(如鍵、銷子、螺釘?shù)?,而提高了聯(lián)結(jié)件的橫截面強(qiáng)度,同時(shí)整個(gè)結(jié)合面均產(chǎn)生結(jié)合壓力。因此聯(lián)結(jié)的承載能力高,承受變載和沖擊的性能好[1-2]。

        在轉(zhuǎn)向架上,電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)將動(dòng)力傳遞給齒輪箱,齒輪箱承擔(dān)著降速增矩的作用,電機(jī)和聯(lián)軸器的扭矩會(huì)全部通過過盈配合傳遞給車軸,從而帶動(dòng)列車前進(jìn),所以過盈量的選擇至關(guān)重要。

        在齒輪箱分解檢修過程中,從動(dòng)齒輪退卸后發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔尺寸變大,超出新造值上限,發(fā)生了無法完全保證檢修所要求的過盈量的問題。為此,本文以某齒輪箱為例,結(jié)合齒輪箱的運(yùn)用條件,對(duì)過盈配合量進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,并開展試驗(yàn)進(jìn)行安全評(píng)估,驗(yàn)證不同過盈量情況下的承載力以及發(fā)生滑移時(shí)的扭矩,從而提出合理的從動(dòng)齒輪檢修過盈量標(biāo)準(zhǔn),為從動(dòng)齒輪退卸后內(nèi)孔尺寸變大問題提供解決方案。

        1 設(shè)計(jì)分析

        運(yùn)用圓柱面過盈連接的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)車軸與齒輪過盈配合進(jìn)行分析計(jì)算。

        以某齒輪箱為例,從動(dòng)齒輪和車軸裝配采用冷壓壓裝,從動(dòng)齒輪為包容件,車軸為被包容件,各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        表1 齒輪與軸過盈配合參數(shù)

        1.1 傳遞負(fù)荷所需的最小過盈量

        傳遞負(fù)載所需的最小結(jié)合壓力

        其中:M為聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩對(duì)應(yīng)的從動(dòng)齒輪傳遞負(fù)荷;K為安全系數(shù),取1;dm為結(jié)合面直徑,207 mm;lf為結(jié)合面的長度,90 mm;μ為摩擦因數(shù),0.02。

        包容件傳遞負(fù)荷所需最小直徑變化量

        被包容件傳遞負(fù)荷所需最小直徑變化量:

        傳遞負(fù)載所需最小有效過盈量

        δemin=eamin+eimin=0.174 mm

        考慮壓平的最小過盈量

        δmin=δemin=0.174 mm

        1.2 不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量

        包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力

        pfamax=a·σs=172.271 MPa

        被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力為

        pfimax=c·σs=205.589 MPa

        聯(lián)結(jié)件不產(chǎn)生塑性變形的最大結(jié)合壓力,取pfamax與pfimax較小者。

        包容件不產(chǎn)生塑性變形最大直徑變化量

        被包容件不產(chǎn)生塑性變形最大直徑變化量

        聯(lián)接件不產(chǎn)生塑性變形最大有效過盈量

        δemax=eamax+eimax=0.775 mm

        1.3 過盈量確定

        過盈量過小,不能夠?yàn)榱熊囘\(yùn)行提供足夠的動(dòng)力;過盈量過大,熱套組裝時(shí)所需的加熱溫度和加熱時(shí)間增加,冷壓組裝所需的壓力升高,此外過盈量太大時(shí),結(jié)合面局部會(huì)發(fā)生大面積屈服以致零部件破壞[3],結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),確定軸的公差帶為+0.30 mm~+0.27 mm,孔的公差帶為+0.029 mm~0。

        根據(jù)以上公差帶計(jì)算,此處配合產(chǎn)生的最小過盈量為δmin=0.241 mm,最大過盈量為δmax=0.30 mm。

        2 試驗(yàn)驗(yàn)證方案

        在齒輪箱拆解檢修退卸從動(dòng)齒輪過程中,出現(xiàn)了內(nèi)孔尺寸脹大的情況,超出新造值上限,為進(jìn)一步驗(yàn)證過盈量小于設(shè)計(jì)值的情況下過盈配合的承載能力,需設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

        如圖1所示,車軸通過支撐座固定在地基上,從動(dòng)齒輪與加載座通過銷子聯(lián)結(jié),液壓油缸加載臂通過螺栓與加載座固定,可以對(duì)加載座施加拉力和推力。為保證初始位置時(shí)加載座處于豎直方向,從動(dòng)齒輪和車軸壓裝時(shí)注意對(duì)從動(dòng)齒輪上銷孔和車軸支撐面進(jìn)行找正,使得一直徑上兩銷孔中心連線與支撐面垂直,每次試驗(yàn)臺(tái)組裝后用水平儀對(duì)加載座進(jìn)行調(diào)整,保證加載座基座水平。試驗(yàn)前可在輪軸結(jié)合處劃線,并安裝攝像頭監(jiān)控,試驗(yàn)過程中可以通過監(jiān)控觀察是否發(fā)生遲緩。

        當(dāng)齒輪箱過載或電機(jī)短路時(shí),電機(jī)軸和聯(lián)軸節(jié)過載保護(hù)襯套會(huì)相對(duì)滑移,用以保護(hù)齒輪箱傳動(dòng)部件,發(fā)生滑移的扭矩為7 000~11 000 N·m。

        按照聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩11 000 N·m計(jì)算,對(duì)應(yīng)的模擬試驗(yàn)載荷為:

        Fm=11 000×2.517/0.536=51.6 kN

        其中:齒輪箱傳動(dòng)比為2.517,加載座加載面中心距離車軸中心0.536 m。

        設(shè)定試驗(yàn)載荷51.6 kN(對(duì)應(yīng)聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩11 000 N·m),保壓20 s后卸載,按此模式往復(fù)循環(huán)10次觀察車軸與從動(dòng)齒輪遲緩線狀態(tài)。之后設(shè)定極限載荷120 kN,在載荷上升過程中從動(dòng)齒輪發(fā)生遲緩時(shí)液壓油缸會(huì)自動(dòng)卸壓并記錄相應(yīng)扭矩。

        圖1 試驗(yàn)方案圖

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 最大滑移扭矩試驗(yàn)

        計(jì)算分析得到的滿足傳動(dòng)要求的最小過盈量為0.174 mm,對(duì)此設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。分別對(duì)過盈量為0.204 mm、0.193 mm、0.179 mm的3組輪軸進(jìn)行試驗(yàn),每次退卸后重新進(jìn)行測(cè)量并確認(rèn)車軸結(jié)合面狀態(tài)完好,組裝前重新用水平儀校正。

        如圖2~圖4所示,得到液壓缸加載力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線,液壓缸正常加載,聯(lián)軸節(jié)的最大滑移扭矩11 000 N·m(對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)載荷為51.6 kN)下均未發(fā)生遲緩。

        3.2 極限遲緩試驗(yàn)

        分別對(duì)過盈量為0.204 mm、0.193 mm、0.179 mm的三組輪軸進(jìn)行極限加載試驗(yàn),直至從動(dòng)齒輪與車軸間發(fā)生遲緩,即從動(dòng)齒輪在車軸上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5~圖7液壓缸加載力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線所示,從動(dòng)齒輪與車軸間發(fā)生遲緩時(shí)液壓缸會(huì)立即卸壓,同時(shí)視頻監(jiān)測(cè)到遲緩線發(fā)生錯(cuò)位,得到發(fā)生遲緩時(shí)的極限載荷分別為105.86 kN、91 kN、86 kN,分別對(duì)應(yīng)輸入端扭矩為22 543 N·m、 19 378 N·m、 18 313 N·m。

        圖2 過盈量0.204 mm滑移扭矩試驗(yàn) 圖3 過盈量0.193 mm滑移扭矩試驗(yàn) 圖4 過盈量0.179 mm滑移扭矩試驗(yàn)

        圖5 過盈量0.204 mm時(shí)極限載荷試驗(yàn) 圖6 過盈量0.179 mm時(shí)極限載荷試驗(yàn) 圖7 過盈量0.193 mm時(shí)極限載荷試驗(yàn)

        此外在過盈量0.179 mm條件下設(shè)置-20 kN和20 kN之間的交變載荷開展疲勞循環(huán)試驗(yàn),以5 Hz的頻率進(jìn)行10萬次試驗(yàn),疲勞試驗(yàn)過程中無滑移現(xiàn)象發(fā)生,且疲勞后再次進(jìn)行推拉兩個(gè)方向的極限加載試驗(yàn),試驗(yàn)滑移扭矩均大于聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩對(duì)應(yīng)下的載荷。

        3種過盈量情況下發(fā)生遲緩時(shí)的極限載荷均大于齒輪箱實(shí)際工作過程中聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩,即表明即使在設(shè)定的0.179 mm過盈條件下,試驗(yàn)中齒輪箱輸入端出現(xiàn)超過聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩的負(fù)荷時(shí),聯(lián)軸節(jié)會(huì)先行滑移,沒有發(fā)生從動(dòng)齒輪遲緩現(xiàn)象,說明當(dāng)過盈量適當(dāng)放寬時(shí)仍能滿足要求。在其他條件相同的情況下,結(jié)合壓力與過盈量成正比,也進(jìn)一步說明之前設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

        4 結(jié)論

        本文針對(duì)某齒輪箱檢修時(shí)從動(dòng)齒輪與過盈配合量變小的問題,首先進(jìn)行過盈量配合設(shè)計(jì)分析,結(jié)合產(chǎn)品運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)過盈量進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。同時(shí)為合理確定檢修過盈量標(biāo)準(zhǔn),解決檢修過程中從動(dòng)齒輪內(nèi)孔尺寸變大導(dǎo)致的過盈量變小問題,進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。在原設(shè)計(jì)過盈量基礎(chǔ)上考慮檢修實(shí)際,設(shè)定了3種過盈量數(shù)值,通過試驗(yàn)均滿足傳遞負(fù)荷要求,從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性,試驗(yàn)表明即使在過盈量為0.179 mm條件下仍能滿足要求,為制定檢修過盈量標(biāo)準(zhǔn)及妥善處理從動(dòng)齒輪退卸檢修過程中的過盈量問題提供了解決方案。

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