楊 怡 譚志成 康 飛 張 鑫 劉賽武

(比亞迪機(jī)電設(shè)備有限公司, 518118, 深圳)

導(dǎo)軌式膠輪車輛(見圖1)是一種新型的低運(yùn)量軌道交通車輛,已在重慶、深圳、長沙等多個(gè)城市投入運(yùn)營。車輛走行輪和導(dǎo)向輪均采用橡膠輪胎,軌道為雙列布置的混凝土梁或鋼梁,兩軌道中間設(shè)置導(dǎo)向系統(tǒng)。導(dǎo)軌式膠輪車輛傳動(dòng)軸是傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件,主要用于將牽引電機(jī)產(chǎn)生的牽引力或電制動(dòng)力經(jīng)變速箱傳遞至左右車輪,以保證整車動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)行。傳動(dòng)軸采用雙聯(lián)式胡克萬向節(jié)(見圖2)。目前,導(dǎo)軌式膠輪車輛傳動(dòng)軸尚無成熟的受力分析方法[1]。

圖1 導(dǎo)軌式膠輪車輛示意圖

圖2 雙聯(lián)式胡克萬向節(jié)

某導(dǎo)軌式膠輪車輛在冰雪試驗(yàn)時(shí)多次出現(xiàn)打滑和傳動(dòng)軸斷裂的問題。本文針對該問題進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)措施。

1 導(dǎo)軌式膠輪車輛傳動(dòng)軸失效原因分析

1.1 失效斷面宏觀檢測

從十字軸的斷口觀察,裂紋擴(kuò)散紋路明顯,附近無明顯塑性變形,紋路粗糙,呈現(xiàn)單向彎曲方向的沖擊脆性特征,屬于過載脆性斷裂。

雙聯(lián)軸套的形貌顯示:初始斷裂位置位于軸套肩部內(nèi)側(cè),斷面呈現(xiàn)明顯的貝殼紋線,疲勞擴(kuò)展區(qū)比較粗糙,疲勞紋弧線較明顯,屬疲勞斷裂。

1.2 失效件材料理化檢測

1.2.1 元素分析

在失效零部件斷面附近取樣,分別對雙聯(lián)軸套及十字軸進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果顯示失效零部件的各元素含量均符合 EN 10084:2008的要求。

1.2.2 金相分析

對十字軸和軸套進(jìn)行金相檢測。十字軸斷口處表面組織為回火針狀馬氏體和少量殘余奧氏體,心部組織為回火板條狀馬氏體和貝氏體。軸套斷口處組織為回火索氏體和少量貝氏體,無明顯脫碳。兩種部件的金相檢測均符合40Cr的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

2 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)載荷與實(shí)時(shí)載荷測試

2.1 傳動(dòng)軸最大工作扭矩

傳動(dòng)軸的額定扭矩主要按動(dòng)力源最大工作扭矩和路面最大附著力進(jìn)行計(jì)算[2]。按最大工作扭矩計(jì)算時(shí),傳動(dòng)軸的額定扭矩Tr,m為:

Tr,m=Tm,maximaxj

(1)

式中:

Tm,max——?jiǎng)恿υ醋畲笈ぞ?

imax——變速箱最大總速比;

j——分動(dòng)器占比。

按路面最大附著力計(jì)算時(shí),傳動(dòng)軸的額定扭矩Tr,a為:

Tr,a=GrkΦ/i0

(2)

式中:

G——滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)荷;

rk——車輪滾動(dòng)半徑;

Φ——輪胎與路面的附著系數(shù);

i0——驅(qū)動(dòng)橋總速比。

據(jù)式(1)—式(2),Tr,m為2 625 Nm,Tr,a為2 160 Nm。傳動(dòng)軸的額定扭矩取兩種計(jì)算結(jié)果中較小值Tr,min=2 160 Nm。

采用式(3)計(jì)算傳動(dòng)軸的最大工作扭矩Td:

Td=Tr,minKd

(3)

式中:

Kd——汽車傳動(dòng)系動(dòng)載系數(shù),取2.2。

據(jù)式(3),計(jì)算得到Td為4 752 Nm。

2.2 傳動(dòng)軸實(shí)時(shí)載荷測試

2.2.1 測試方法

本次測試采用無線扭矩測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由應(yīng)變片、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。試驗(yàn)前,將應(yīng)變片和發(fā)射機(jī)布置在傳動(dòng)軸的軸套上,通過試驗(yàn)機(jī)對傳動(dòng)軸進(jìn)行載荷-應(yīng)變標(biāo)定,多次加載后得到傳動(dòng)軸載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù),將其擬合可得到對應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)。將該系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)變片的電壓信號值代入標(biāo)定曲線,經(jīng)處理即可得到傳動(dòng)軸的實(shí)時(shí)載荷[3]。

2.2.2 測試方案

本方案采取人工駕駛和FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)兩種模式,測試了傳動(dòng)軸在不同車速下扭矩隨時(shí)間的變化情況。

在FAO模式下,分別測試了導(dǎo)軌式膠輪車輛在某條城市軌道交通線路五號站—六號站、五號站—七號站之間的多個(gè)往返工況,且列車最高運(yùn)行速度為40 km/h。在人工駕駛模式下,測試方案分為20 km/h勻速、100%級位加速、緊急制動(dòng)3種工況,且3種工況均為列車運(yùn)行過程中具有代表性的工況。為保證打滑效果,選擇在雪天且軌道梁結(jié)冰的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。

硅酸鹽為主的礦床主要包含高鋁硅酸鹽、高鈣硅酸鹽、堿性硅酸鹽、鈣鋁硅酸鹽、鎂鐵硅酸鹽礦床，其主要礦物組成包括高嶺土、鋁礬土、硅灰石、透輝石、綠簾石、石榴子石、綠泥石、霞石、沸石、云母、橄欖石和角閃石等。在這類尾礦中一般同時(shí)富含石英。我國大多數(shù)的煤矸石中富含高嶺土，其儲量達(dá)180億t，全球排名第一[13]；欒川洛鉬集團(tuán)爐場溝尾礦庫鉬尾礦中石榴子石含量在60%～65%等。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 六號站—七號站測試結(jié)果

傳動(dòng)軸實(shí)時(shí)載荷測試在六號站—七號站區(qū)間進(jìn)行,共采集10組測試數(shù)據(jù),其中FAO和人工駕駛兩種模式下各5組。圖3為人工駕駛模式下傳動(dòng)軸的扭矩-時(shí)間、速度-時(shí)間關(guān)系曲線。由圖3可見:車輛勻速行駛時(shí)傳動(dòng)軸扭矩較小且波動(dòng)不大,車輛加速和減速時(shí)扭矩呈增大或減小的趨勢,這符合傳動(dòng)軸的實(shí)際受力情況;采用100%滿級位從10 km/h加速到35 km/h時(shí),傳動(dòng)軸的扭矩由0增加到1 588 Nm;在140 s時(shí)對車輛施加制動(dòng),傳動(dòng)軸扭矩在很短時(shí)間(1 s)內(nèi)迅速降低到-1 298 Nm,小于最大工作扭矩。

圖3 人工駕駛模式下傳動(dòng)軸扭矩、速度隨時(shí)間變化曲線(六號站—七號站)

3.2 五號站—七號站測試結(jié)果

本次測試項(xiàng)目增加了測試距離,在五號站—七號站區(qū)間進(jìn)行,共測得4組數(shù)據(jù)。圖4為車輛打滑狀態(tài)下傳動(dòng)軸扭矩、速度隨時(shí)間變化曲線。由圖4可見:測試車輛出發(fā)80 s后出現(xiàn)打滑,并駛?cè)敕阑繉?此時(shí)車輛產(chǎn)生撞擊抖動(dòng),傳動(dòng)軸扭矩達(dá)到最大值,此后車輛發(fā)生間歇性抖動(dòng)。

圖4 車輛打滑狀態(tài)下傳動(dòng)軸扭矩、速度隨時(shí)間變化曲線(五號站—七號站)

統(tǒng)計(jì)傳動(dòng)軸在不同模式下的最大扭矩、最小扭矩,以及扭矩變化幅值(最大扭矩與最小扭矩之差的1/2),如表1所示。

表1 傳動(dòng)軸扭矩統(tǒng)計(jì)表

由表1可見:車輛正常行駛時(shí)傳動(dòng)軸扭矩變化平緩,且均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi);當(dāng)車輛出現(xiàn)打滑時(shí),傳動(dòng)軸扭矩在短時(shí)內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng),尤其是在車輛從正常行駛過渡到打滑故障的瞬間,扭矩波動(dòng)最大。

實(shí)際測試過程中發(fā)現(xiàn),車輛會出現(xiàn)較明顯的抖動(dòng),此時(shí)傳動(dòng)軸扭矩在5 s內(nèi)變化明顯。提取傳動(dòng)軸測試數(shù)據(jù)中5 s內(nèi)扭矩最大變化值,見表2。由表2可見:傳動(dòng)軸扭矩在5 s內(nèi)從3 628 Nm迅速降低到-400 Nm,扭矩最大變化幅值達(dá)到4 028 Nm。圖5為FAO模式下七號站—六號站傳動(dòng)軸5 s內(nèi)扭矩變化值-時(shí)間關(guān)系曲線。由圖5可見:在初始時(shí)刻,傳動(dòng)軸扭矩在-502～1 500 Nm范圍內(nèi)波動(dòng);在188～193 s范圍內(nèi),傳動(dòng)軸扭矩由250 Nm增加到3 628 Nm,其中大部分時(shí)間扭矩在2 300 Nm附近;傳動(dòng)軸扭矩達(dá)到最大值后,又迅速在5 s內(nèi)降低到-400 Nm,說明扭矩增加后,車輛施加了電制動(dòng),此時(shí)傳動(dòng)軸受到了電制動(dòng)時(shí)的反向扭矩。此處數(shù)據(jù)說明車輛出現(xiàn)了打滑,傳動(dòng)軸扭矩最大變化值為4 028 Nm,最大變化幅值為2 014 Nm,雖小于正常工況下的數(shù)值,但由于扭矩是在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化,其所受到的沖擊能量遠(yuǎn)大于正常工況下的扭矩變化幅值。

表2 傳動(dòng)軸5 s內(nèi)的扭矩變化值

圖5 FAO模式下七號站—六號站傳動(dòng)軸5 s內(nèi)扭矩變化值-時(shí)間關(guān)系曲線

4 傳動(dòng)軸優(yōu)化與測試

4.1 傳動(dòng)軸試驗(yàn)方法優(yōu)化

疲勞試驗(yàn)采用QT/C 29082—2019 《汽車傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件及臺架試驗(yàn)方法》中非對稱循環(huán)加載的方案,其載荷根據(jù)路面摩擦系數(shù)計(jì)算。第一階段模擬正常運(yùn)行工況,最大扭矩為2 160 Nm,最小扭矩為648 Nm,扭矩變化幅值為756 Nm,疲勞試驗(yàn)要求200萬次不發(fā)生損壞。第二階段模擬故障載荷工況,最大扭矩在正常工況的基礎(chǔ)上增加安全系數(shù)1.6,其值為3 456 Nm;考慮到打滑時(shí)傳動(dòng)軸可能出現(xiàn)反轉(zhuǎn),最小扭矩取負(fù)值,其值為-1 037 Nm,扭矩變化幅值為2 247 Nm,疲勞試驗(yàn)要求40萬次不發(fā)生損壞。

4.2 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸更好的抗沖擊能力,減小疲勞裂紋的產(chǎn)生,必須減小結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力[4-5]。

1) 增大十字軸的軸徑,在十字軸圓弧過渡處增大倒圓角,進(jìn)一步減小應(yīng)力集中。對優(yōu)化后的十字軸強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。圖6為十字軸應(yīng)力云圖。由圖6可見:優(yōu)化后十字軸最大應(yīng)力為405.7 MPa,較優(yōu)化前提升了70%。

圖6 優(yōu)化后的十字軸應(yīng)力云圖

2) 通過在雙聯(lián)軸套上增加加強(qiáng)筋,以提高雙聯(lián)軸套軸肩部的強(qiáng)度。對雙聯(lián)軸套進(jìn)行疲勞壽命仿真分析。優(yōu)化后的雙聯(lián)軸套應(yīng)力云圖見圖7。由圖7可見:雙聯(lián)軸套的最大應(yīng)力為275.2 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 優(yōu)化后的雙聯(lián)軸套應(yīng)力云圖

4.3 臺架測試

按照第4.1節(jié)中的方法,對優(yōu)化后的傳動(dòng)軸臺架進(jìn)行了強(qiáng)度測試,滿足設(shè)計(jì)要求。對優(yōu)化后的傳動(dòng)軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn),在完成兩階段測試后臺架未出現(xiàn)損壞,表明試驗(yàn)合格。

5 結(jié)語

通過上述分析,確定了傳動(dòng)軸失效的主要原因?yàn)槠跀嗔?。運(yùn)用無線扭矩測試方法研究了傳動(dòng)軸在不同工況下的載荷動(dòng)態(tài)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明,在車輛發(fā)生打滑時(shí),傳動(dòng)軸受到較大沖擊,影響了傳動(dòng)軸壽命。

通過傳動(dòng)軸受力分析,對其設(shè)計(jì)載荷參數(shù)進(jìn)行了修正,并對設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了完善。對傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,對存在應(yīng)力集中的部位進(jìn)行了加強(qiáng),提升了傳動(dòng)軸的強(qiáng)度和耐久壽命。針對車輛打滑問題,對軌道梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)對車輛增加了防滑設(shè)計(jì)。