藺 朔 陳世利 王 楠 戴曙杭

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

1 齒輪箱吊桿概述

在城軌車(chē)輛中，轉(zhuǎn)向架是最重要的走行部，吊桿起連接齒輪箱與轉(zhuǎn)向架的作用。

吊桿包含吊桿體、球關(guān)節(jié)兩個(gè)部分,各部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。球關(guān)節(jié)包含金屬內(nèi)套、橡膠件、金屬外套，結(jié)構(gòu)如圖2所示。球關(guān)節(jié)通過(guò)冷壓工藝，按照一定角度壓入吊桿體，吊桿下部通過(guò)螺栓連接至齒輪箱，上部通過(guò)螺栓連接至轉(zhuǎn)向架。在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，球關(guān)節(jié)的橡膠件會(huì)出現(xiàn)腐蝕、裂紋等現(xiàn)象。下面將著重介紹吊桿球關(guān)節(jié)的故障分析及解決方案。

圖1 吊桿組件示意圖圖2 球關(guān)節(jié)示意圖

2 吊桿故障分析

2.1 球關(guān)節(jié)橡膠腐蝕

吊桿球關(guān)節(jié)在隨車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中曾出現(xiàn)橡膠腐蝕的現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 球關(guān)節(jié)腐蝕狀態(tài)

為分析球關(guān)節(jié)腐蝕原因，制作了全新件、OK件(從車(chē)輛拆解未發(fā)生腐蝕的情況)及故障件(NG件)，對(duì)其進(jìn)行顯微檢查、紅外光譜分析、化學(xué)成分分析。顯微檢查發(fā)現(xiàn)，膠層表面有微裂紋和周向裂紋，并發(fā)現(xiàn)疑似融化痕跡(見(jiàn)圖4)。

圖4 腐蝕球關(guān)節(jié)顯微檢查情況

紅外光譜分析中，對(duì)NG件橡膠和OK件橡膠進(jìn)行紅外光譜分析，起黏部位與正常部位膠料的紅外光譜圖如圖5所示，二者紅外光譜特征一致，表明OK件和NG件的橡膠種類(lèi)相同。

圖5 腐蝕球關(guān)節(jié)紅外光譜分析

繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，相比于全新件和OK件，NG件在成分上有所不同，主要是癸二酸二異辛酯和硬脂酸出現(xiàn)析出(或遷移)，如表1所示。

表1 腐蝕球關(guān)節(jié)成分分析

天然橡膠是不飽和碳鏈的烯烴類(lèi)橡膠，分子鏈含有大量的不飽和雙鍵，極易與氧發(fā)生反應(yīng)，并且“活性中心”一旦生成，便形成游離基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，迅速導(dǎo)致橡膠老化，致使分子鏈發(fā)生斷裂降解反應(yīng)而起黏、龜裂[1]。此外，癸二酸二異辛酯和硬脂酸由于較低的沸點(diǎn)以及相似相溶，很容易溶解在甲醇和甲縮醛所組成的混合溶液里，使其從橡膠本體中遷移出來(lái)并隨著該混合溶液的揮發(fā)一起損失掉。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上所得初步結(jié)論，即天然橡膠容易被氧化而老化起黏、龜裂以及甲醇和甲縮醛對(duì)天然橡膠產(chǎn)品在材料組成上有影響，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。

制作橡膠板樣品、環(huán)保清洗劑，進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)橡膠拉伸性能、硬度、密度、體積變化率、宏觀/微觀形貌、能譜分析等進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 腐蝕球關(guān)節(jié)橡膠故障復(fù)現(xiàn)

通過(guò)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)分析，造成球關(guān)節(jié)橡膠失效的主要原因是：吊桿組成在運(yùn)用過(guò)程中，少量清洗劑或有機(jī)溶劑黏附于球關(guān)節(jié)橡膠部位，對(duì)橡膠表面產(chǎn)生腐蝕作用。腐蝕部位在交變應(yīng)力作用下逐步擴(kuò)展導(dǎo)致橡膠出現(xiàn)裂紋、起黏及表面發(fā)白失效。

2.2 吊桿球關(guān)節(jié)裂紋分析

球關(guān)節(jié)裂紋狀態(tài)如圖7所示。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，球關(guān)節(jié)所受載荷情況如圖8所示。

圖7 球關(guān)節(jié)裂紋狀態(tài)

圖8 球關(guān)節(jié)受力示意圖

制定分析方案，對(duì)吊桿球關(guān)節(jié)進(jìn)行顯微檢查、剛度檢查、黏結(jié)強(qiáng)度檢查、裂紋狀態(tài)檢查，以找出問(wèn)題的根本原因。

2.2.1顯微檢查

為了更清楚地確定球關(guān)節(jié)橡膠的表面狀態(tài)，對(duì)吊桿球關(guān)節(jié)橡膠進(jìn)行表面微觀檢查，吊桿球關(guān)節(jié)橡膠外觀放大后，表面觀察到微裂紋，表明橡膠存在裂紋(見(jiàn)圖9)。

圖9 顯微檢查其關(guān)節(jié)裂紋

2.2.2剛度檢查

按照球關(guān)節(jié)的剛度要求進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如表2所示。

表2 球關(guān)節(jié)剛度檢查數(shù)值

剛度檢查情況表明：剛度值與設(shè)計(jì)初期提出的剛度值偏差都沒(méi)有超過(guò)30%，在合理范圍內(nèi)。

2.2.3黏結(jié)強(qiáng)度檢查

為了確定球關(guān)節(jié)橡膠與金屬的黏結(jié)狀態(tài)，用壓力機(jī)將芯軸從球關(guān)節(jié)中壓出(見(jiàn)圖10)，對(duì)橡膠和金屬硫化部位進(jìn)行黏結(jié)性檢查。檢查情況表明：吊桿球關(guān)節(jié)實(shí)物受力破壞以橡膠本體破壞為主(見(jiàn)圖11)，界面破壞約50%。

圖10 芯軸被壓出圖11 橡膠界面破壞情況

2.2.4裂紋狀態(tài)檢查

將球關(guān)節(jié)從中部切開(kāi)(見(jiàn)圖12)，發(fā)現(xiàn)橡膠與芯軸結(jié)合面處，橡膠與金屬外套均有一定程度的開(kāi)裂，最長(zhǎng)開(kāi)裂長(zhǎng)度約為15 mm，如圖13所示。

圖12 將故障件切開(kāi)

圖13 切開(kāi)后內(nèi)部情況

根據(jù)上述試驗(yàn)得出：(1)球關(guān)節(jié)主要?jiǎng)偠戎笜?biāo)檢查正常，符合初始技術(shù)條件要求，排除剛度失效。(2)由球關(guān)節(jié)橡膠內(nèi)部狀態(tài)檢查可知，球關(guān)節(jié)金屬與橡膠結(jié)合處開(kāi)裂較為嚴(yán)重，球關(guān)節(jié)金屬與橡膠結(jié)合處存在黏結(jié)不足。(3)由球關(guān)節(jié)橡膠內(nèi)部狀態(tài)檢查可知，橡膠內(nèi)部本身存在較多裂紋，屬膠料本身性能不良。(4)球關(guān)節(jié)橡膠外觀放大后，表面觀察到微裂紋，表明橡膠存在老化現(xiàn)象。

綜上，球關(guān)節(jié)出現(xiàn)裂紋的主要原因?yàn)榻饘倥c橡膠金屬黏結(jié)不足以及橡膠老化導(dǎo)致橡膠開(kāi)裂。

3 解決方案

3.1 球關(guān)節(jié)橡膠腐蝕解決方案

(1)加強(qiáng)車(chē)輛日常檢查，發(fā)現(xiàn)存在腐蝕情況，對(duì)故障件進(jìn)行更換，防止橡膠腐蝕進(jìn)一步擴(kuò)展，影響車(chē)輛運(yùn)行。

(2)在車(chē)輛檢修時(shí)，嚴(yán)禁使用清洗劑等有機(jī)溶劑，防止化學(xué)腐蝕。

通過(guò)以上2個(gè)方面的把控，確保線上部件裝填良好，保證了車(chē)輛運(yùn)行安全。

3.2 球關(guān)節(jié)裂紋解決方案

3.2.1設(shè)計(jì)優(yōu)化

增加橡膠徑向剛度與壓縮量，采用有限元法對(duì)橡膠球關(guān)節(jié)的力學(xué)特性進(jìn)行分析[2]，如圖14和圖15所示。

圖14 原節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖15 新節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

優(yōu)化結(jié)構(gòu)的球關(guān)節(jié)，可承受的最大拉應(yīng)力比原結(jié)構(gòu)有所提高，具有更高的安全系數(shù)，詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 球關(guān)節(jié)參數(shù)優(yōu)化對(duì)比

3.2.2工藝優(yōu)化

增加橡膠與金屬的黏合強(qiáng)度(≥4.0 MPa)，通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)效果進(jìn)行驗(yàn)證。軸向以10 mm/min的速度對(duì)球關(guān)節(jié)施加載荷，直至橡膠關(guān)節(jié)破壞，記錄試驗(yàn)曲線和最大載荷，要求產(chǎn)品覆膠率大于95%，要求橡膠關(guān)節(jié)所有裂紋均出現(xiàn)在橡膠本體。試驗(yàn)曲線如圖16所示，壓潰后的球關(guān)節(jié)狀態(tài)如圖17所示。

圖16 破壞試驗(yàn)曲線

圖17 優(yōu)化后破壞試驗(yàn)的球關(guān)節(jié)狀態(tài)

破壞性試驗(yàn)中，壓潰力達(dá)到了200.66 kN，未增加黏合強(qiáng)度的球關(guān)節(jié)，壓潰力一般在140～170 kN范圍內(nèi)波動(dòng)。球關(guān)節(jié)壓潰后表面形態(tài)檢查，芯軸和外圈完全被橡膠覆蓋，無(wú)脫膠部位，符合覆蓋率≥95%的技術(shù)要求。由此可見(jiàn)，球關(guān)節(jié)在設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化后，性能得到了大幅提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)城軌車(chē)輛吊桿球關(guān)節(jié)出現(xiàn)腐蝕、裂紋的2個(gè)故障提出解決方案，通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，球關(guān)節(jié)的性能得到有效提升。增加了運(yùn)用中禁止使用清洗劑等有機(jī)溶劑的要求，球關(guān)節(jié)腐蝕情況不再出現(xiàn)。優(yōu)化后的球關(guān)節(jié)應(yīng)用到寧波地鐵4號(hào)線、杭州地鐵5、6號(hào)線，呼和浩特1號(hào)線，合肥地鐵4、5號(hào)線等地鐵線路，設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)未出現(xiàn)過(guò)開(kāi)裂、腐蝕等情況，有效保證了車(chē)輛的安全運(yùn)營(yíng)。