DF4D型內(nèi)燃機車從動齒輪驅(qū)動軸承密封環(huán)螺栓斷裂故障的分析和改進

張東升

（鄭州鐵路局 鄭州機務(wù)段，河南鄭州450000）

DF4D型準高速內(nèi)燃機車牽引電動機懸掛驅(qū)動裝置采用輪對空心軸全懸掛方式、雙級六連桿驅(qū)動機構(gòu)。驅(qū)動機構(gòu)由空心軸套、主動齒輪、從動齒輪、齒芯、驅(qū)動軸承、空心軸萬向機構(gòu)等組成。電動機通過兩個后吊和一個長臂剛性懸掛在轉(zhuǎn)向架上。這種懸掛方式因簧下質(zhì)量較小，有利于機車高速運行。其中從動齒輪驅(qū)動軸承密封設(shè)計采用軸向非接觸迷宮方式，目的是防止機車高速運行時潤滑油脂泄露，并防止灰塵、切屑微粒及其他雜質(zhì)和油水的侵入。

1 問題的提出

鄭州機務(wù)段配屬DF4D型機車29臺，近兩年在日常小、輔修及中修時共發(fā)現(xiàn)18起輪對驅(qū)動軸承密封環(huán)2螺栓斷裂故障，該故障比例占該型機車的62%。

該螺栓一旦斷裂，密封環(huán)2與齒芯配合的穩(wěn)定狀態(tài)就會遭到破壞，勢必影響到密封環(huán)2對驅(qū)動軸承的定位作用，如不及時處理，將會導(dǎo)致驅(qū)動軸承軸向竄動并發(fā)熱燒損，影響行車安全。

2 原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

每個密封環(huán)2均由3組6條M12×1.5×50六角頭螺栓通過密封環(huán)2擋孔與齒芯配合面螺孔連接后進行緊固，該螺栓采用材料為42CrMo，強度等級為10.9級。根據(jù)《DF4D型準高速內(nèi)燃機車檢修手冊》輪對（全懸掛）裝配工藝規(guī)定：每組兩條螺栓用60～70N·m鎖緊力矩緊固后，再把止動墊片翻邊進行防緩 ，使密封環(huán)1與密封環(huán)2圓周槽底與槽頂配合形成軸承的迷宮油封，密封環(huán)擋圈則對驅(qū)動軸承起壓緊定位作用。為保證螺栓緊固后密封環(huán)1、2壓緊驅(qū)動軸承內(nèi)、外圈，在裝配設(shè)計時，在密封環(huán)1與空心軸套、密封環(huán)2與齒芯止口表面配合處設(shè)計保留0.2～0.5mm間隙，以檢查確認密封環(huán)擋圈對軸承的壓緊定位作用，見圖1。

圖1 密封環(huán)裝配結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 解體檢查分析

對解體后取出的兩條斷裂螺栓殘余部分進行了外觀檢查，并經(jīng)與同規(guī)格新螺栓對比后發(fā)現(xiàn)：

（1）兩條螺栓斷裂殘余部分長度分別是33.5mm和50mm左右。

前者裂斷面的起始應(yīng)力處于螺紋收尾處與螺栓光桿的過渡部分，且應(yīng)力裂口處有銹蝕痕跡，斷口不平滑，呈顯著韌性斷裂特征，即斷面中心為環(huán)錐狀纖維斷口；斷面邊緣部分存在有兩處與拉伸軸大致成45°角的剪切斷口，斷口較明亮，斷口側(cè)面最低處附近有裂斷點，可看到明顯宏觀塑性變形痕跡；

后者斷裂面的起始應(yīng)力處于螺栓的六角頭部與螺栓光桿過渡部分，斷口較平滑，斷口邊緣剪切唇口較小，無明顯塑性變形，斷口稍顯灰暗，但仍亮于殘余長度為33.5mm螺栓斷口，斷口表面宏觀浮雕呈放射狀人字紋，斷口整體特征呈脆性斷口的宏觀特征，且后者在螺紋收尾處與螺栓光桿的過渡部分亦發(fā)現(xiàn)螺紋旋轉(zhuǎn)擠壓留下的應(yīng)力切痕。

（2）螺栓六角頭部與光桿過渡圓弧R按標準至少要達到0.6mm，但實際僅有0.2mm，螺栓受力后勢必產(chǎn)生集中應(yīng)力。

（3）密封環(huán)2擋孔厚度測量為15mm，加上厚度為1.0mm的止動墊片和與齒芯螺孔表面0.2～0.5mm間隙，即該距離與螺栓頭部至16.5mm螺栓光桿長度基本吻合，這樣就增大了螺栓螺紋收尾處與螺孔牙尖旋轉(zhuǎn)擠壓的幾率。

2.3 螺栓預(yù)緊力分析

螺栓預(yù)緊力F0的大小

通過擰緊力矩來控制設(shè)計及裝配緊固螺栓連接時，應(yīng)使其具有足夠的預(yù)緊力，以確保連接的可靠性。預(yù)緊力過小，將使接合面在外載荷作用下松動；但過大，又會使螺栓在裝配過程中或偶然過載情況下拉斷。因此，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工作需要，并在螺栓強度條件允許的前提下，選用適當?shù)念A(yù)緊力。

通常規(guī)定擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力小于材料的屈服極限。

一般規(guī)定：擰緊后的螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力σ不得大于其材料屈服點σs的80%。

根據(jù)機械設(shè)計手冊，查表知螺栓材料42CrMo的屈服極限σs為930MPa，則σ＜930×80%=744MPa，即螺栓材料的許用應(yīng)力［σ］=744MPa。

預(yù)緊力、緊固力矩、緊固力矩系數(shù)、螺紋公稱直徑存在關(guān)系如下：

式中T為緊固力矩，N·m；Kt為緊固力矩系數(shù)；F0為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

對于標準螺紋件和常見的摩擦狀況，Kt值常在0.1～0.3之間，一般可取Kt=0.2，即T=0.2F1·d；則

根據(jù)工藝規(guī)定取鎖緊力矩上限T=70N·m，d=12mm代入公式（2）中計算出：29 167N。

2.4 螺栓強度校核計算

螺栓在預(yù)緊力F0作用下，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力σ，則

式中d1為螺栓螺紋小徑。

根據(jù)普通螺紋基本尺寸表（GB196-81），查出M12×1.5螺栓螺紋小徑d1=10.376mm，將d1、F0值代入公式（3）

計算出：σ=345MPa。

因為螺栓材料是塑性的，受拉伸和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力τ，對M10～M16普通螺紋的鋼制螺栓和螺母由機械設(shè)計手冊查得：

根據(jù)第四強度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計算應(yīng)力為：

所以，緊固螺栓雖然受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在強度計算時，仍可按純拉伸計算，這時需要將所受的拉力增大30%，以考慮扭轉(zhuǎn)的影響。

故螺栓危險截面的拉伸強度條件的校核式為：

即σca=449MPa，根據(jù)已知［σ］=744MPa，則σca≤［σ］。

2.5 螺栓力矩計算

對于重要的螺紋連接，必須有一套控制和測量預(yù)緊力的方法。

根據(jù)力矩法用力矩扳手正規(guī)測定擰緊力矩時的公式：

式中Tf為力矩扳手所需指示值，N·m；σs為螺栓材料的屈服點，MPa；A1為螺紋小徑應(yīng)力截面積，mm2，其中

根據(jù)中國北車集團大連機車車輛有限公司企業(yè)標準（編號DL44006-2009）常用螺栓緊固力矩的一般規(guī)定中表1（常用螺栓緊固力矩對照值），查出性能等級10.9級M12的螺栓緊固力矩范圍為101～114N·m，推薦值為105N·m。計算出的Tf=113N·m在該緊固力矩范圍內(nèi)，且計算出在該力矩作用下：

通過以上對該螺栓材料的強度分析、預(yù)緊力校核、強度計算及力矩計算，可以說明：

螺栓斷裂不是材料強度不足造成，而與螺栓預(yù)緊力不當有關(guān)。即按工藝規(guī)定的扳手緊固力矩不足，螺栓強度條件不能充分發(fā)揮，螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力過小，同時將使螺栓在外載荷作用下產(chǎn)生松緩的幾率加大，接合面連接的可靠性得不到保證。

通過上述分析，密封環(huán)螺栓頻繁發(fā)生斷裂的根本原因是：

（1）密封環(huán)2螺栓第一次按規(guī)定力矩緊固時，由于螺栓緊固力矩不足，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力過小。密封環(huán)2擋孔厚度等因素造成的螺栓螺紋旋合至螺紋收尾處時，由于螺紋的消失，就與齒芯螺孔牙尖咬合而在螺桿上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)擠壓應(yīng)力，并造成螺栓已緊固的假象。

（2）由于螺栓并未真正緊固，則可能在螺栓六角頭部與止動墊片及密封環(huán)2壓接配合面之間存在間隙。

（3）機車運行時，輪對要承受來自線路不平順時各種方向的沖擊和振動，這種沖擊和振動是反復(fù)的、持續(xù)的，則不可避免將這種振動和沖擊傳至驅(qū)動裝置各部件，尤其是緊固件；機車在曲線上運行時輪對和車軸還要帶動空心軸產(chǎn)生橫移（相對于空心軸套軸向移動），由于空心軸與齒芯傳力銷相連接，則齒芯密封環(huán)就通過驅(qū)動軸承相對于空心軸套產(chǎn)生軸向力和軸向支反力，加之（1）、（2）條原因產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力和間隙沖擊隱患，則加劇了機車運行中驅(qū)動裝置高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動對密封環(huán)2螺栓的影響，螺栓的軸向抗拉強度及抗扭轉(zhuǎn)剪切強度就會因應(yīng)力疲勞遭到破壞而大打折扣。

這種因螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計不周，在螺紋收尾處和六角頭部與螺桿過渡R處應(yīng)力過度集中而產(chǎn)生的裂紋，加之使用時由于疲勞或應(yīng)力銹蝕產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋在遠低于屈服強度的應(yīng)力下逐漸擴大，最后導(dǎo)致螺栓無論從六角頭部產(chǎn)生的脆性斷裂或者從螺紋收尾處產(chǎn)生的韌性斷裂也就在所難免。

3 改進措施

廠方對斷裂螺栓認定后，基本認可機務(wù)段方的分析，與機務(wù)段方一起制定了螺栓的改進方案如下：

（1）改進螺栓設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)：在螺栓六角頭與光桿過渡處加大了圓弧過渡角，由原來的R0.2改為R0.8，以減小和消除該部位應(yīng)力集中；將螺紋收尾改為退刀槽，在螺桿與螺紋退刀槽處進行了減徑過渡和縮短了光桿長度，以消除裝配時的螺紋擠壓應(yīng)力。如圖2所示。

圖2 螺栓

（2）提高和改善螺栓材料的熱處理、力學(xué)性能、硬度及耐蝕性等指標，以適應(yīng)機車在各種惡劣自然環(huán)境條件的線路上運用。

（3）發(fā)生螺栓斷裂的輪對驅(qū)動裝置進行返廠修，密封環(huán)2螺栓全部更換為改進后的螺栓，并按螺栓材料及10.9級強度級別嚴格控制緊固力矩。此外，機車進入輕大修和大修時，密封環(huán)螺栓也全部更換為改進后的螺栓。

鄭州機務(wù)段對改進密封環(huán)2螺栓后的DF4D型機車進行了跟蹤觀察，未發(fā)現(xiàn)該螺栓再次斷裂故障。

［1］大連機車車輛廠.東風(fēng)4D型準高速內(nèi)燃機車檢修手冊［R］.2003.

［2］唐金松.簡明機械設(shè)計手冊［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000.

［3］王 金，李桂華.機械設(shè)計手冊（3），第25篇連接與緊固［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.