戴如勇 徐沙林 趙永強 王 瑩

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，在傳遞運動和動力過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的一種裝置。此外，聯(lián)軸器還可能具有補償兩軸相對位移、緩沖、減振以及安全防護(hù)等功能[1]。我國引進(jìn)的高鐵基于日本和德國的技術(shù)，動車、地鐵均采用鼓形齒聯(lián)軸器傳動[2]。聯(lián)軸器安裝在轉(zhuǎn)向架上，連接牽引電機(jī)與齒輪箱，用來傳遞動力及補償位移[3]。目前各型動車組裝用的聯(lián)軸器主要包括4家供應(yīng)商的產(chǎn)品，分別為德國KWD和FLENDER、比利時ESCO及日本三菱電機(jī)[3]。

1 故障描述

某型動車組齒輪箱用聯(lián)軸器屬于一種波紋管密封結(jié)構(gòu)的鼓形齒式聯(lián)軸器。2020年5月～12月，該型聯(lián)軸器陸續(xù)發(fā)生多起潤滑脂泄漏問題(以下簡稱“漏脂”)，如圖1所示。經(jīng)統(tǒng)計，聯(lián)軸器漏脂均發(fā)生在齒輪箱側(cè)，運用里程較高，且以三級檢修后(145萬km)的發(fā)生數(shù)量居多。

圖1 聯(lián)軸器漏脂

該型聯(lián)軸器內(nèi)腔的潤滑脂依靠圖2中的3處O 型圈密封。其中3#部位通過金屬波紋管翻邊后與內(nèi)齒套壓接使O型圈產(chǎn)生一定壓縮量，從而實現(xiàn)密封功能。聯(lián)軸器漏脂部位位于3#O型圈處，表明該處密封失效。相同密封結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器在動車、城軌車輛上也曾偶發(fā)漏脂或漏油故障，一般均在車輛運營的早期，原因主要為3#O型圈漏裝或錯裝。聯(lián)軸器在運用至較高里程后發(fā)生批量漏脂，尚屬首次。

圖2 聯(lián)軸器密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 調(diào)查分析

2.1 故障件拆解

對故障件實施拆解檢查，發(fā)現(xiàn)波紋管和內(nèi)齒套之間用手可輕易轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步對波紋管進(jìn)行破壞性拆解，發(fā)現(xiàn)3#O型圈部分圓周表面有小裂紋(見圖3)。對嚴(yán)重漏脂故障件進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)O型圈外徑表面有黏性顆粒組成的不規(guī)則結(jié)構(gòu)(見圖4)；去除黏性顆粒后，橡膠表面有小裂紋，且有硬化特征。根據(jù)O型圈表面裂紋的形貌特征，推測其受到沿圓周方向的作用力，且外界雜質(zhì)通過波紋管與內(nèi)齒套的小間隙積累在3#O型圈處。

圖3 O型圈表面裂紋

圖4 O型圈表面

2.2 檢修過程調(diào)查

2.2.1清洗過程調(diào)查

鑒于3#O型圈處積累了較多雜質(zhì)，因此對聯(lián)軸器檢修中的清洗過程進(jìn)行調(diào)查。發(fā)現(xiàn)在二級修時使用酸性清洗劑TKDX-12清洗車下設(shè)備，清洗過程顯示齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器表面清洗劑較多，電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器因電機(jī)罩遮擋而接觸較少清洗劑(見圖5)；在三級修時，電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器退卸后用中性清洗劑清洗，齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器不退卸、使用堿性清洗劑LJ-28清洗。聯(lián)軸器漏脂集中發(fā)生在齒輪箱側(cè)，可能與清洗過程差異有關(guān)。

圖5 聯(lián)軸器二級修清洗

2.2.2牽引試驗調(diào)查

2021年1月，客戶反饋車輛在進(jìn)行二級修牽引試驗時，發(fā)現(xiàn)齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器異響。經(jīng)調(diào)查，牽引試驗中波紋管與內(nèi)齒套發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(波紋管不動，而內(nèi)齒套往復(fù)轉(zhuǎn)動)；采用防松標(biāo)記錯位的方式記錄牽引試驗中兩者的最大轉(zhuǎn)角(見圖6)；異響由波紋管翻邊處的金屬與內(nèi)齒套摩擦產(chǎn)生。內(nèi)齒套與波紋管發(fā)生相對轉(zhuǎn)動后，3#O型圈的密封性能可能會受到影響。

圖6 防松標(biāo)記錯位試驗

牽引試驗在車輛二級修(每10萬km)時開展，每次持續(xù)1 min，聯(lián)軸器在10 s內(nèi)正反向回轉(zhuǎn)15次。經(jīng)過對其他3種車型牽引試驗的調(diào)查，聯(lián)軸器無往復(fù)轉(zhuǎn)動情況；將調(diào)查范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到上海局、廣州局、北京局的各車型，均未發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器往復(fù)轉(zhuǎn)動情況。

2.3 O型圈失效分析

采用掃描電鏡(SEM)對3#O型圈故障件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)破損部位位于O型圈外側(cè)，表面凹凸不平、有部分橡膠脫落現(xiàn)象(見圖7)，表明O型圈受到摩擦作用。采用橡膠高解析法對O型圈故障件和全新件的起始熱分解溫度進(jìn)行檢測，故障件破損位置的溫度為442 ℃，故障件非破損位置和全新件均為467 ℃，進(jìn)一步表明O型圈受到摩擦產(chǎn)生的熱影響。O型圈的磨損位于外徑處，此處與內(nèi)齒套的安裝槽內(nèi)徑處貼合。

圖7 故障件O型圈掃描電鏡

3 試驗研究

在車輛啟動時，電機(jī)輸出扭矩，各零件轉(zhuǎn)動順序為：(1)電機(jī)側(cè)鼓形齒轉(zhuǎn)動；(2)內(nèi)齒套轉(zhuǎn)動；(3)齒輪箱側(cè)鼓形齒轉(zhuǎn)動；(4)主動齒輪軸轉(zhuǎn)動。

在內(nèi)齒套轉(zhuǎn)動時，由于側(cè)隙的存在，內(nèi)齒套與鼓形齒的齒面未接觸前，2#或3#O型圈密封部位可能會發(fā)生圓周方向的小角度滑移。

3.1 扭矩試驗

通過對上述扭力傳遞過程的研究，相對于3#O型圈部位，推測2#O型圈處可能更易產(chǎn)生圓周方向的滑移。因此對2#O型圈滑轉(zhuǎn)扭矩M2、3#O型圈滑轉(zhuǎn)扭矩M3進(jìn)行測量，同時考慮到聯(lián)軸器翻邊處清洗劑滲入的影響，開展了多項扭矩試驗。

3.1.12#O型圈處扭矩測量

2#O型圈處的滑轉(zhuǎn)扭矩大小與O型圈的壓縮變形量有關(guān)。經(jīng)測量，聯(lián)軸器的滑轉(zhuǎn)扭矩M2約為10～20 N·m。

3.1.23#O型圈處扭矩試驗

選擇不同運用里程的聯(lián)軸器開展浸泡清洗劑前后的扭矩試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 聯(lián)軸器扭矩試驗對比

(1)A聯(lián)軸器在浸泡1天后，容器中出現(xiàn)整圈的黑色物質(zhì)，表明波紋管與內(nèi)齒套的翻邊處進(jìn)入了大量雜質(zhì)。

(2)A聯(lián)軸器浸泡前測得的扭矩為60 N·m，高于新品C聯(lián)軸器的扭矩。原因可能為雜質(zhì)進(jìn)入波紋管翻邊處，顯著增大了摩擦因數(shù)；而在浸泡后，雜質(zhì)析出，扭矩顯著下降。

(3)B、C、D聯(lián)軸器在清洗劑浸泡時無雜質(zhì)析出，但扭矩下降，表明摩擦因數(shù)下降；在自然環(huán)境放置2天后，扭矩維持不變，推測原因為清洗劑在翻邊部位仍有存留，會降低摩擦因數(shù)。

3.1.3扭矩試驗小結(jié)

通過上述各項扭矩試驗，得出如下小結(jié)：

(1)兩種清洗劑進(jìn)入聯(lián)軸器翻邊處均會造成摩擦因數(shù)下降，滑轉(zhuǎn)扭矩降低；

(2)灰塵雜質(zhì)進(jìn)入翻邊處累積到一定量后會造成滑轉(zhuǎn)扭矩升高，但當(dāng)灰塵異物被清除后會造成滑轉(zhuǎn)扭矩顯著下降。

3.2 故障復(fù)現(xiàn)試驗

3.2.1新品聯(lián)軸器

將新品聯(lián)軸器安裝在試驗工裝上，輸入端使用2個扳手正、反向人工加載扭力以模擬牽引試驗中電機(jī)軸的動作；輸出端使用螺栓與工裝固定，限制齒輪箱側(cè)鼓形齒轉(zhuǎn)動，以模擬現(xiàn)車中齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器受到的大負(fù)載，試驗工裝如圖8所示。

圖8 故障復(fù)現(xiàn)試驗工裝

試驗前在2個半聯(lián)軸器的翻邊處均作防松標(biāo)記，模擬牽引試驗中聯(lián)軸器的往復(fù)轉(zhuǎn)動工況，在輸入端施加扭力直至鼓形齒與內(nèi)齒套齒面接觸(即側(cè)隙消除)，按照15次/組持續(xù)10 s，組間休息1 min，觀察2個半聯(lián)軸器防松標(biāo)記的錯位情況。

試驗發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行到第6組時，2#聯(lián)軸器防松標(biāo)記發(fā)生明顯錯位，而1#聯(lián)軸器防松標(biāo)記未錯位。試驗后對2#聯(lián)軸器進(jìn)行扭矩測量，緩慢施加扭力；在達(dá)到25 N·m時，防松標(biāo)記發(fā)生輕微錯位，繼續(xù)施加扭力至45 N·m時，波紋管與內(nèi)齒套發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。

3.2.2已使用聯(lián)軸器

采用經(jīng)過線路運用的聯(lián)軸器B作為輸出端聯(lián)軸器開展故障復(fù)現(xiàn)試驗。試驗一開始即發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器B的防松標(biāo)記錯位情況較為明顯，與前期故障聯(lián)軸器相當(dāng)。

3.2.3故障復(fù)現(xiàn)試驗小結(jié)

(1)齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器在已能相對轉(zhuǎn)動的前提下，在牽引試驗工況下，聯(lián)軸器的內(nèi)齒套和波紋管會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動；

(2)當(dāng)M3

(3)當(dāng)內(nèi)齒套和波紋管發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，3#O型圈受到的作用力，初期為圓周方向的擠壓(O型圈變形)，后期為圓周方向的摩擦(O型圈老化)。

3.3 仿真計算

采用有限元分析軟件，計算3#O型圈壓縮量對波紋管與內(nèi)齒套結(jié)合處承受扭矩的影響(見圖9)。計算結(jié)果如下：

圖9 聯(lián)軸器O型圈壓縮仿真計算

(1)表面接觸壓強最大值1.935 MPa，為O型圈與內(nèi)齒套接觸部位。

(2)接觸面面積估算為396.2 mm2。

(3)壓緊力估算為766.6 N。

(4)摩擦力估算為115 N。

(5)摩擦力相對旋轉(zhuǎn)中心的力矩約為7.2 N·m，即兩個接觸部位合計產(chǎn)生的扭矩約為14.4 N·m。

聯(lián)軸器在新造組裝過程中，波紋管與O型圈的貼合部位可能經(jīng)過壓緊，使得O型圈受到額外的壓緊力，因此會產(chǎn)生額外的可滑轉(zhuǎn)扭矩，超出仿真分析的理論計算值。在聯(lián)軸器新造時，波紋管與O型圈的壓緊過程可能存在差異，使得O型圈的初始滑轉(zhuǎn)扭矩有偏差。

4 結(jié)論

綜合上述調(diào)查分析和試驗研究結(jié)果，得出該型動車組聯(lián)軸器漏脂的原因為：聯(lián)軸器在運用維護(hù)過程中，因清洗劑進(jìn)入波紋管與內(nèi)齒套翻邊處致使摩擦因數(shù)下降，使得3#O型圈處的滑轉(zhuǎn)扭矩低于2#O型圈處或與之相當(dāng)，疊加牽引試驗中聯(lián)軸器的來回轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致3#O型圈部位發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，造成3#O型圈受到來自內(nèi)齒套沿圓周方向的擠壓、摩擦；經(jīng)過長時間的影響，3#O型圈外徑表面磨損，最終密封失效出現(xiàn)油脂滲漏現(xiàn)象。而在聯(lián)軸器新造過程中，波紋管與內(nèi)齒套因壓緊過程偏差致使3#O型圈處滑轉(zhuǎn)扭矩較低，進(jìn)一步導(dǎo)致了故障的產(chǎn)生。

5 改善措施

根據(jù)該型聯(lián)軸器漏脂問題的分析結(jié)論，對聯(lián)軸器的運用維護(hù)過程進(jìn)行如下改善：

(1)二級修清洗時，對齒輪箱與聯(lián)軸器連接的周邊區(qū)域不進(jìn)行清洗，避免清洗劑進(jìn)入。

(2)三級修清洗時，對齒輪箱側(cè)聯(lián)軸器進(jìn)行包裹防護(hù)，避免使用高壓清洗裝置沖洗聯(lián)軸器翻邊處。

(3)修改牽引試驗邏輯，避免聯(lián)軸器來回轉(zhuǎn)動。

6 結(jié)束語

經(jīng)過此次研究工作，明確了聯(lián)軸器漏脂問題的失效機(jī)理；通過上述措施的執(zhí)行，聯(lián)軸器漏脂問題得到了較大改善。